引用本文
孙志明, 李辉, 冯奕博, 高钰航, 裴佳欢, 常莉, 罗云敬, 邹明强, 王聪. 单位点表面电荷调控提升拉曼检测灵敏度[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(4): 1075-1082.
SUN Zhi-ming, LI Hui, FENG Yi-bo, GAO Yu-hang, PEI Jia-huan, CHANG Li, LUO Yun-jing, ZOU Ming-qiang, WANG Cong. Surface Charge Regulation of Single Sites Improves the Sensitivity of Raman Detection[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(4): 1075-1082.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)04-1075-08  
Permissions
Copyright©2023, 《光谱学与光谱分析》期刊社
《光谱学与光谱分析》期刊社 所有
单位点表面电荷调控提升拉曼检测灵敏度
孙志明1, 李辉1, 冯奕博1, 高钰航1, 裴佳欢1, 常莉1, 罗云敬1, 邹明强2,*, 王聪1,*
1.北京工业大学材料与制造学部, 北京工业大学环境与生命学部, 北京 100124
2.中国检验检疫科学研究院, 北京 100123
*通讯作者 e-mail: smartswang@bjut.edu.cn; zoumq@caiq.org.cn

作者简介: 孙志明, 1997年生, 北京工业大学材料与制造学部硕士研究生 e-mail: sunzm2019@163.com

收稿日期: 2022-02-08 修回日期: 2022-03-24
基金: 北京市自然基金面上项目(Z180014), 国家自然科学基金项目(12104023)资助
摘要

单位点调控作为一种重要的材料修饰手段, 近年来在催化、 能源、 环境等领域中蓬勃发展。 调控单位点, 可以有效地调控表面电荷、 电子结构、 原子空间构型, 从而实现材料整体性能的提升。 在拉曼检测领域, 表面电荷等关键因素被广泛认可并是当下研究热点。 然而, 单位点对表面电荷调控, 乃至对拉曼灵敏度影响尚无系统研究。 该研究全新提出单位点(包括单分子、 单原子、 单原子中心的配体络合物等)的表面电荷调控作用并研究其对拉曼检测灵敏度的影响。 其中, 利用经典的特异性反应: 4-氨基-3-肼基-5-巯基-1,2,4-三唑(AHMT)与甲醛生成6-巯基-5-三唑啉[4,3-b]-s-四嗪(MTT), 使得经单位点AHMT调控的Ag材料具有极低的检测限10-12 mol·L-1, 低于不经单位点AHMT调控表面电荷的10-9 mol·L-1, 实现了对甲醛分子的超低浓度检测。 还研究了单钨原子氧化物调控, 对于非特异性反应中的标准分子、 农药残留分子检测能力的影响。 其中罗丹明6G的检测限可以从10-12 mol·L-1降低到10-14 mol·L-1, 农药福美双的检测限也可以从10-9 mol·L-1降低到10-11 mol·L-1, 据此提出了单位点调控表面电荷方法的普适性。 此外, 经过Zeta电位的测试, 发现经单位点调控的Ag表面电位都有较大变化, 符合库伦正负电荷吸附理论, 这更有利于对待检测分子的捕捉, 也是拉曼检测灵敏度提升的原因, 同时也在机理上解释了单位点调控的普适性。 对深层机理方面也做了许多猜测与研究: 一方面, 由于单位点与基底材料之间存在电荷转移, 因而存在化学增强(CM)过程。 同时, 在Ag表面有显著的电磁场增强(EM), 两种增强机制和单位点体系的协同, 需要进一步通过实验、 理论等, 研究不同单位点的新物理机制; 另一方面, 单位点可能作为一种新的振动模态, 与基底中存在的表面等离子体共振(SPR)、 待测分子的共振协同作用, 使得拉曼散射共振更强, 从而提升拉曼检测灵敏度。 该实验与结论都证实了单位点调控在拉曼检测中的可行性、 必要性, 使单位点在该领域的深入研究成为可能。

关键词: 表面增强拉曼散射; 单位点; 表面电荷; 普适性; 均匀球状银颗粒; 定量化检测
中图分类号:O437.3 文献标志码:A
Surface Charge Regulation of Single Sites Improves the Sensitivity of Raman Detection
SUN Zhi-ming1, LI Hui1, FENG Yi-bo1, GAO Yu-hang1, PEI Jia-huan1, CHANG Li1, LUO Yun-jing1, ZOU Ming-qiang2,*, WANG Cong1,*
1. Department of Materials and Manufacturing, Beijing University of Technology, Department of Environment and Life Sciences, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
2. Chinese Academy of Inspection and Quarantine, Beijing 100123, China
*Corresponding authors
Abstract

As an important means of material modification, single site regulation has developed rapidly in catalysis, energy, environment and other fields. The Surface charge, electronic structure and atomic space configuration can be effectively controlled by adjusting single sites, thus improving the overall properties of materials. In the field of Raman detection, surface charge and other key factors are widely recognized and currently being studied. However, there is no systematic study on the effect of single sites on surface charge regulation or Raman sensitivity. In this paper, the surface charge regulation of single sites (including single molecule, single atom and ligand complex in single atom center) is proposed and its effect on Raman detection sensitivity is studied. Through the classic specific response: the 6-mercapto 5-triazoline [4,3-B] -S-tetraazine (MTT) is synthesized with 4-amino-3-hydrazo-5-mercapto-1,2,4-triazole (AHMT) and formaldehyde, resulting in a very low detection limit of 10-12 mol·L-1 for the charge regulated Ag material by single molecule AHMT. It is much lower than the 10-9 mol·L-1 without single AHMT regulation, realizing the detection of formaldehyde molecule ultra-low concentration. We also studied the effects of single tungsten oxide regulation on the detection ability of standard molecules and pesticide residues in nonspecific reactions. Among them, the detection limit of Rhodamine 6G could be decreased from 10-12 to 10-14 mol·L-1, and the detection limit of thiramcould also be decreased from 10-9 to 10-11 mol·L-1. Therefore, the universality of the method of unit point control of surface charge was proposed. In addition, through the test of Zeta potential, it was found that the Ag surface potential regulated by single sites had a great change, which was more conducive to the capture of detection molecules, which was also the reason for the increased sensitivity of Raman detection, and also explained the universality of single sites regulation in the mechanism. Many speculations and research have been made on the deep mechanism: On the one hand, there is a chemical enhancement (CM) process due to the charge transfer between the single sites and the substrate. At the same time, there is a significant Electromagnetic field enhancement (EM) on the surface of Ag. The two enhancement mechanisms and the coordination with single sites system are necessary to further study the new physical mechanism of different single sites through experiments and theories. On the other hand, single sites may act as a new vibration mode, which synergistically interacts with surface plasmon resonance (SPR) and resonance of the molecule to be measured in the substrate to make Raman scattering resonance stronger, thus improving the sensitivity of Raman detection. The experiments and conclusions in this paper confirm the feasibility and necessity of single sites regulation in Raman detection, which makes it possible to further study in this field.

Keyword: Surface-enhanced Raman scattering(SERS); Single sites; The surface charge; Universality; Uniformly spherical silver particles; Quantitative detection
引言

单位点调控作为一种重要的材料修饰手段, 近年来在催化、 能源、 环境等领域中蓬勃发展。 这些领域皆是通过单位点, 包括单分子、 单原子、 单原子中心的配体络合物等调控表面电荷、 电子结构以及原子空间构型来实现机理的突破。 Yao等利用Ru单原子制备了单原子合金材料, 调制了材料表面的电子态密度, 实现了高效电催化解水产氧[1]。 Zhang等运用一种新的手法通过调节电子结构以及原子空间构型, 制备了Fe单原子中心的C— N络合物, 成功得到了非Pt族的高效氧还原催化剂[2]。 Pan等顺应“ 碳中和” 策略, 制备了Co— N5的新型单原子中心的配体络合物, 使其在CO2转化上具备极高的效率[3]。 Wang等通过调制配位结构, 制备了新型的Co— O— Pt双单位点结构, 材料产氢性能较单位点有明显提升[4]。 Lu等则系统地总结了单位点在电池领域的应用以及能源方面的拓展[5]。 通过调控单位点来实现材料表面的调控已在各大领域有所成就, 在检测领域也不例外, 而拉曼检测便是检测领域的重要手段。

拉曼光谱作为一种振动光谱, 可以提供被分析物浓度和分子结构的详细信息。 不同的化学键具有不同的振动模式, 拉曼光谱作为几种振动信号的叠加信息, 对于特定的物质只有一种特定的光谱, 因此, 拉曼光谱峰也被称为“ 指纹峰” 。 然而, 拉曼散射信号非常微弱, 难以应用于样品中痕量分析物的检测。 表面增强拉曼光谱(SERS)是一种超灵敏的振动光谱技术, 用于检测等离子体纳米结构表面或附近的分子[6]。 人们利用该现象, 检测了环境中的有毒污染物和农药残留。 其中Ling及其团队在这个领域进行过大量的研究。 他们尝试了不同分子量的PVP, 合成出粒径最合适的Au纳米颗粒, 利用金属书写的方法, 通过微流控制通道, 制作了多通道的、 可调控图案的均匀金纳米气体传感器, 可同时进行多种气体的检测, 增强因子可以达到105 [7]。 之后, 又将传统的二维气体传感器优化升级成为各向同性的三维等离子云, 可以捕捉各个方向的气体分子, 使其在各个方向都能检测到痕量的有害气体[8]。 其他团队对气体传感器也有不同的研究。 Yim等利用阵列状Ag的纳米棒, 以苯作为模型分子, 研究了温度与SERS信号的关系, 发现低温有助于检测, 0 ℃时检测限低至1 μ g· L-1[9]。 Wang等则利用Ag纳米笼, 检测了福美双在内的农药残留[10]。

但由于人们的过度排放, 水环境中蕴含大量的污染物、 农药残留等, 复杂的检测环境, 让污染物残留检测依旧存在着检测限高、 定量化水平不足的问题, 使人们不得不通过一些手段来获取更强的拉曼信号, 比如通过特异性吸附[11]或通过调控表面电荷, 增强目标分子的捕捉能力。 Yang等将贵金属Ag与MOF结合, 利用MOF的吸附能力, 再用半胱氨酸作为捕捉分子, 通过特异性捕捉, 大大提高了对乙醛分子的吸附能力, 从而提高检测能力[12]。 对于另一方面, 调控表面电荷的方式有很多, 比如de Nijs等通过单原子修饰的Au, 研究了Au表面电场的改变, 并且获得了更强的拉曼信号[13]; 同时, 该课题组从另一角度研究了单位点捕捉分子的作用: 表面电荷调控。 他们发现丁腈基通过调控表面电荷, 可以使得巯基在Au表面的稳定性大大提高, 进一步提高拉曼检测能力[14]; Wang等利用外加电场, 以调节基底材料与DNA和氨基酸电荷亲和力的方式, 显著提升拉曼检测灵敏度[15]; Ren等则通过电化学增强拉曼光谱, 阐释了电荷调控对基底与分子相互作用影响的机理, 印证了表面电荷调控的可行性[16]。 吸附的机理已为大众所共识, 同性相斥异性相吸的道理已不再是秘密。

调控表面电荷的方式有很多, 本文借助单位点对表面电荷进行调控, 分别检测了甲醛分子、 罗丹明6G(R6G)、 农药福美双。 其中对于AHMT增强拉曼信号的现象, 人们默认为是AHMT对甲醛分子的特异性捕捉, 以及特异性反应使得新产物比甲醛更易检测, 却忽略了单位点状态的AHMT对Ag表面电荷的调控作用。 本文针对这一问题, 以均匀的球状银颗粒做材料, 借助AHMT与甲醛结合的经典反应, 利用单位点状态的AHMT对Ag表面的电荷进行调控, 使得检测限由10-12 mol· L-1降低至10-14 mol· L-1, 证实了单位点调控对拉曼灵敏度的提升效果。 同时以本课题组之前提出的单钨原子氧化物[17]作为单位点, 借助R6G、 农药福美双分子凸显了单位点调控表面电荷的普适性, 并通过紫外-可见光谱(UV-Vis)、 Zeta电位测试作为辅助表征, 简述了单位点调控的作用机理, 加强了对普适性的印证。

1 单位点调控贵金属表面电荷提高拉曼检测灵敏度的基本原理

表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman scattering, SERS)是指在特殊材料的加持下, 待检测物的拉曼信号呈指数增强的现象, 从发现至今已有40余年。 40多年间, 人们利用这种现象做了相当多的研究, 其中调控表面电荷是提升拉曼检测灵敏度的有效方式。 调控贵金属表面电荷并利用其SERS效应检测分子的过程主要分为4步: 第1步, 在水热的条件下, 将单位点修饰在基底材料表面; 第2步, 将单位点修饰的贵金属材料基底附着在硅片上; 第3步, 将待检测分子紧密附着在基底的金属材料上, 使得贵金属材料的SERS效应被充分利用; 第4步, 将制备好的样品置于共聚焦拉曼光谱仪下进行检测。 本次实验采用的贵金属基底为Ag的水溶胶。 下面介绍每一步的基本原理。

第1步, 单位点修饰机理。 单位点是一种电子转移通道, 可以与基底材料发生电荷转移, 以库仑力或形成配位键的形式与其紧密结合, 达到调节表面电荷的目的。 贵金属表面一般带有少量的负电荷, 有利于吸附带正电的粒子。

第2步, 贵金属附着机理。 Ag溶胶由于表面张力和浸润原理, 会自发均匀地分散在硅片上。 之所以选用硅片, 一是由于硅片的亲水性较好, 溶胶可以稳定地附着在硅片上; 二是由于硅片拉曼峰的位置固定且极易分辨, 对检测干扰性很低。

第3步, 待检测分子与基底附着原理。 贵金属由于表面存在电场, 会捕捉待检测分子到贵金属表面, 使其与贵金属紧密结合在一起。

第4步, 拉曼光谱检测原理。 利用不同分子中不同原子键不同的振动模态, 定性地给出待检测分子特定位置的拉曼峰。 再利用贵金属的SERS效应, 增强可表明待检测分子身份的拉曼峰, 进一步确定待检测分子的种类及浓度。

2 实验部分

(1) Ag溶胶的合成制备: 取0.02%的柠檬酸钠溶液5 mL, 置于10 mL的透明玻璃瓶中, 油浴煮沸备用, 记为溶液A; 将一定量的AgNO3(99.9%, 阿拉丁化学试剂公司)溶于冷的去离子水中, 待溶解完全后, 记为溶液B; 保持A沸腾的情况下, 取含有0.9 mg的B(体积尽量小, 防止总体积变化过大)缓慢注入A中, 保持沸腾反应2 h。 将反应后的溶液快速降至室温, 用滴管取中间部分, 于2 500 r· min-1的转速下离心3次, 每次10 min, 且每次只保留上清液, 丢弃掉底物。 再将离心过后的上清液在8 000 r· min-1的转速下离心10 min, 且只保留底物, 丢弃掉上清液, 丢弃掉上清液后用去离子水补至离心前的体积继续重复离心3次。 将最后一次离心的底物分散于去离子水中, 封口备用。

(2)单钨原子氧化物的制备与修饰: 将定量的钨金属盐溶解于水中, 搅拌备用; 在溶液中滴加与钨原子定比例的有机小分子(乙醇等)缓慢搅拌1 h。 向体系中滴加稀硫酸, 调节pH至5备用。 在Ag溶胶中注入1%的上述溶液, 60 ℃搅拌1 h。

(3)清洗硅片: 将若干0.5 cm× 0.5 cm的硅片分别置于无水乙醇(≥ 99.7%, 阿拉丁化学试剂公司)和去离子水(屈臣氏集团有限公司)中反复清洗5次以上, 并在每次清洗时做超声处理, 以洗去表面残留的有机物。

(4)附着银溶胶: 把硅片固定在透明载玻片上, 将10 μ L Ag溶胶滴在硅片上, 于室温下自然干燥使湿分蒸发。

(5) AHMT水溶液的配制: 将1 mol· L-1的NaOH水溶液与5 g· L-1的AHMT水溶液等量混合均匀, 搅拌30 min后备用。

(6)附着待检测分子: 在已经干燥完全的样品上滴加不同浓度的待检测分子溶液(R6G水溶液、 甲醛水溶液、 福美双乙醇溶液)10 μ L, 于室温下自然干燥使湿分蒸发, 使得待检测分子与Ag溶胶紧密结合。 其中甲醛溶液的蒸发在通风橱中进行, 且由于甲醛易挥发, 故样品不宜久置。 在检测甲醛时, 先在Ag上滴加AHMT的水溶液(10 μ L), 调节使得Ag表面电位更负, 待水分干燥完全后, 再滴加甲醛溶液。 需要指出, 本实验有一部分研究的是AHMT对甲醛分子捕捉的影响, 故Ag溶胶、 甲醛分子, AHMT三者的滴加量是相等的, 保证相同量的Ag上其甲醛分子的量是可比较的。

(7)拉曼光谱的检测: 将样品置于共聚焦拉曼光谱仪(Renishaw, 英国)中, 选用532 nm激发波长, 1%的光强, 曝光时间为10 s, 进行拉曼光谱的检测。

(8)紫外-可见光谱: 将有无AHMT的样品置于紫外-可见光谱仪(大连依利特分析仪器有限公司)下, 测试300~800 nm的吸收光谱, 对比二者区别。

(9)Zeta电位的检测: 利用Zeta电位检测仪(Malvern, 德国)先检测AHMT(98%, 上海源叶生物科技有限公司)、 钨盐、 甲醛(37%, 阿拉丁化学试剂公司)、 罗丹明6G(95%, 阿拉丁化学试剂公司)、 福美双(99%, 北京伊诺凯科技有限公司)等溶液(其中AHMT、 单原子氧化物浓度为10-3 mol· L-1, 甲醛、 R6G、 福美双浓度为10-6 mol· L-1)的Zeta电位, 证实电荷吸附的真实性; 再检测等比例混合AHMT前后以及修饰单原子氧化物前后Zeta电位的变化, 证实电荷调控的必要性。

3 结果与讨论
3.1 单位点修饰的均匀球状银颗粒的合成

对于Ag的合成, 前人做过了很多的研究[18, 19], 其中最简便、 应用最广的方法就是水热合成法。 本工作利用水热合成法制备了形貌、 尺寸均匀的球状银颗粒(详见上面的实验部分), 如图1(a), 通过低分辨率(比例尺为100 nm)透射电子显微镜(Titan Themis G2, FEI公司, 美国)可以清楚地看到, 银颗粒多为球状, 其尺寸均匀, 粒径为50 nm左右, 球状特征明显。 图1(b)是单原子氧化物修饰的Ag在透射电子显微镜下的高角环形暗场像(HAADF), 由于W与Ag的相对原子质量不同, 导致了在HAADF像下二者的衬度不同。 其中暗的部分是Ag基底, 亮的点状物就是钨原子(如红圈内所示)。 图1(c)是将银溶胶均匀地附着在硅片上的样品形貌, 利用扫描电子显微镜(qunta 600 SEM, FEI 公司, 美国, 比例尺为100 μ m)可以清楚地看到, 球状银颗粒在宏观视野下十分均匀, 且在纵向上的起伏较小, 这使得本材料的宏观形貌因素对拉曼峰强的影响很小, 这也为下面的拉曼定量化测试打下了基础; 图1(d)是经水热合成的球状银颗粒的X射线衍射(XRD)图谱, (XRD仪器D8-Advance, Bruker公司, 德国)分别在2θ =38.1° (111), 44.3° (200), 64.4° (220), 77.4° (311), 81.5° (222)处出现明显的峰, 与Ag的标准PDF卡片(PDF#87-0597)比对证实Ag性质稳定未生成其他物质。

图1 均匀球状银颗粒的微观形貌及其组分
(a): 低分辨率透射电子显微镜(TEM)下银颗粒的形貌; (b): 单钨原子氧化物修饰的Ag在高分辨透射电子显微镜下的高角环形暗场像(HAADF); (c): 扫描电子显微镜(SEM)下银颗粒的形貌; (d): 银颗粒的X射线衍射(XRD)图谱Fig.1 Microstructure and composition of uniform spherical silver particles
(a): Morphology of silver particles under low resolution Transmission Electron Microscope (TEM); (b): High Angle Annular Dark Field (HAADF) image of Ag modified by Single Tungsten Atom under high resolution Transmission Electron Microscope; (c): Morphology of silver particles under Scanning Electron Microscope (SEM); (d): X-ray diffraction (XRD) patterns of silver particles

3.2 单位点表面电荷调控在检测中的应用

3.2.1 单位点分子: AHMT调控表面电荷检测甲醛分子

单位点作为一种电荷转移通道, 对于表面电荷的调控具有重要作用, 可以显著提高对拉曼检测能力。 其中甲醛, 作为人类的“ 健康杀手” , 经常隐藏在水源、 食品以及空气中, 通常都是极其微量的, 且甲醛分子的极性很低, 难以精确检测。 通常, 甲醛的气相检测较为普遍, 人们利用气体传感器对弥散在空气中气相的甲醛分子进行捕捉, 达到检测的效果。 但是甲醛用于食品添加剂的情况屡见不鲜, 对于此种分散在液体中的甲醛, 人们采用直接和间接法进行检测。 直接法就是将甲醛样品直接与基底材料混合进行拉曼检测, 而间接法则是利用4-氨基-3-肼基-5-巯基-1, 2, 4-三唑(AHMT)作为捕捉分子, 让其与甲醛进行结合, 对新生成的产物6-巯基-5-三唑啉[4, 3-b]-s-四嗪(MTT)进行检测。 由于MTT的极性远高于甲醛, 拉曼振动模态多样, 大大降低了检测难度。 但是很少有人关注作为单位点存在的AHMT对Ag表面电荷的调控作用, 故本实验对比了有无单位点的AHMT作为捕捉分子的区别, 并在下文浅谈了其中涉及的原理。

图2(a)是均匀球状银颗粒在没有单位点的AHMT时的拉曼图谱, 当甲醛浓度到10-10 mol· L-1时, 拉曼图谱上在1 173 cm-1处[20]已经基本看不到信号了, 说明无单位点时其检测限约为10-9 mol· L-1, 并且如图2(b)所示, 1 173 cm-1处的RSD达到了11.68%。 当引入单位点的AHMT时, 如图2(c)所示, 滴加10-12 mol· L-1的甲醛溶液时, 产物MTT在1 469 cm-1处[21]的峰强依然有数千, 说明其检测限低于10-12 mol· L-1, 已经低于世卫组织要求的检测水平82 μ g· L-1(十亿分之一)[22]了。 之后将单位点AHMT修饰的Ag样品置于共聚焦拉曼光谱仪下, 在参数相同的情况下, 随机选择几个大小形状各不相同的区域, 并扫描该区域内拉曼光谱峰强度, 得到一组峰强数据, 再计算出这些数据的标准差和平均值, 并利用公式: RSD=一组数据的标准差/该组数据的均值, 计算出标准偏差RSD, 而RSD是衡量一组数据数值稳定性的重要参数。 在SERS实验中RSD越小, 说明该材料的定量化检测越易达到要求。 图2(d)计算了在1 469 cm-1处的RSD, 甲醛溶液在10-12 mol· L-1时RSD仅有8.53%。 以上结果说明存在单位点时, 甲醛检测要容易得多, 并且拥有更高的定量化能力。

图2 均匀球状银颗粒的甲醛检测拉曼图谱及检测稳定性
(a): 无AHMT的甲醛拉曼图谱; (b): 无AHMT的甲醛检测稳定性; (c): 存在AHMT的甲醛拉曼图谱; (d): 存在AHMT的甲醛检测稳定性Fig.2 HCHO Detection Raman spectrum and detection stability of uniform spherical silver particles
(a): HCHO Raman spectrum without AHMT; (b): HCHO detection stability without AHMT; (c): HCHO Raman spectrum with AHMT; (d): HCHO detection stability with AHMT

3.2.2 单位点单金属原子中心: 单原子氧化物修饰的纳米银在非特异性检测中的应用

甲醛的检测是一种特异性反应, 利用甲醛捕捉分子定性捕捉甲醛, 使得甲醛的捕捉更容易。 对于非特异性反应, 单位点调控理论一样适用。 本实验利用单原子氧化物作为单位点, 调控Ag表面的电荷, 通过模型分子罗丹明6G(R6G)和农药福美双证实了单位点调控对提升拉曼检测灵敏度的普适性。 图3(a)对比了有无单原子氧化物的Ag检测R6G的拉曼光谱, 其中611 cm-1处是R6G的特征峰[23]。 最下方黑线是纯Ag的拉曼图谱, 证明Ag是纯净无污染的。 没有经过单原子修饰的Ag, 当R6G浓度在10-12 mol· L-1时拉曼信号就很微弱了, 而引入单原子氧化物后, 其检测限降低至10-14 mol· L-1, 这说明单原子的调控明显地提升了拉曼检测灵敏度。 图3(b)是以R6G 611 cm-1处的峰强作为参考数据, 计算其RSD, 旨在说明材料的标准偏差比较低, 即使在超低浓度下— — 10-14 mol· L-1时, 依然展现出8.95%的RSD, 说明经过单位点调控表面电荷的材料具有更好的定量化检测能力。

图3 单原子氧化物修饰的球状银颗粒的拉曼图谱及检测稳定性
(a): Ag的R6G拉曼图谱; (b): Ag的R6G检测稳定性Fig.3 Raman spectrum and detection stability of spherical silver particles modified by single-tungsten-atom
(a): The R6G Raman spectrum of Ag particles; (b): The R6G detection stability of Ag particles

之后我们尝试了对农药残留的检测。 农药在农业生产中起到了不可替代的作用, 其中福美双(thiram)由于其高效低毒的优势, 在农业生产以及科学实验中都能见到它的身影。 然而一方面, 过量残留的福美双对皮肤和黏膜有刺激性作用, 且在人体内有积蓄性, 所以其危害不可小觑。 另一方面, 其分子极性较低, 检测较为困难, 而单位点的调控让拉曼检测灵敏度的提升成为可能。 经前人研究, 其特征峰在1 382, 1 440以及1 513 cm-1处[22], 其检测限低至10-11 mol· L-1, 如图4(a)所示。 即使是在10-10 mol· L-1时, 其拉曼峰强依然有1 000左右, 而经单原子氧化物调控之前, 在10-10 mol· L-1时基本看不到信号, 检测限仅有10-9 mol· L-1, 再次说明经单位点调控的材料具有高灵敏的特性。 之后, 选用1 382 cm-1处的峰作为计算数值, 计算了浓度为10-8~10-11 mol· L-1的福美双RSD, 如图4(b)所示, 在浓度为10-8~10-11 mol· L-1时, 其RSD分别为2.45%, 3.44%, 7.54%和12.79%, 证明单位点调控在农残检测领域, 也拥有较好的信号提升效果和较高的检测稳定性。

图4 单原子氧化物修饰的球状银颗粒福美双(thiram)拉曼图谱及检测稳定性
(a): Ag的福美双的拉曼图谱; (b): Ag的福美双检斥稳定性Fig.4 The Thiram Raman spectra and detection stability of spherical silver particles modified by single-tungsten-atom
(a): The Raman spectrum of Ag particles; (b): The thiram detection stability of Ag particles

3.3 单位点表面电荷调控的普适性机理研究

为分析单位点调控引起检测限降低的原理, 利用紫外-可见吸收光谱和Zeta电位辅助研究拉曼信号增强的原因。 紫外-可见吸收光谱图中的吸收峰位置变化, 可以有效地衡量样品的极性。 如发生移动, 说明样品极性可能发生了变化。 图5(a)对比了存在和不存在AHMT的Ag溶胶的光吸收图谱, 发现引入AHMT其吸收峰位置存在强烈的红移现象, 红移量可达70 nm, 说明AHMT的引入可能改变了银溶胶的极性, 并且引入AHMT使得Ag颗粒间形成的热点附近有更高的折射率环境[24], 影响了Ag颗粒表面的电场, 使其更有利于对极性低的甲醛分子的捕捉, 从而大大降低检测难度, 并提高定量化检测能力。

图5 紫外-可见吸收(UV-Vis)图谱及原子示意图
(a): 有无AHMT Ag颗粒的紫外-可见吸收图谱; (b): 无单位点的原子示意图; (c): 存在单位点的原子示意图Fig.5 UV-visible absorption spectrum and schematic diagram of Ag-HCHO
(a): UV-visible absorption spectrum with and without single sites on Ag particles; (b): Diagram of Ag particles without single sites; (c): Diagram of Ag particles with AHMT

图5(b, c)原子示意图简要地说明了引入单位点后Ag表面的变化。 引入单位点之前, 仅仅依靠Ag颗粒之间热点产生的表面电场对分子的捕捉, 不足以让低浓度的分子被检测到, 还会使得大量未被捕捉的分子堆积在Ag的表面及热点中, 无法使得更多的分子被捕捉到, 造成检测能力差; 引入单位点后, 不仅调控了Ag的表面电位, 有利于甲醛的捕捉, 而且AHMT作为新的捕捉位点, 大大分担了Ag热点的捕捉量, 使得更多的甲醛分子得到捕捉, 提高检测水平和稳定性。

表1对比了各种溶液以及溶胶的表面电位, 其中将空白Ag溶胶和引入AHMT的Ag溶胶对比, 发现引入AHMT会显著降低Ag溶胶的Zeta电位, 使其“ 更负” , 而甲醛水溶液的Zeta电位为正, 这是由于甲醛分子在水溶液中以带正电的水合物状态存在, AHMT的引入, 使得甲醛更易吸附在Ag的表面, 更有利于拉曼的检测。 同样地, 单原子氧化物水溶液的Zeta电位也为负, 使得材料的Zeta电位“ 更负” , 也更有利于带正电的R6G分子和福美双的捕捉, 提升拉曼检测灵敏度。 而由于R6G为离子化合物, 在水溶液中电离产物为氯离子和有机阳离子, 而带负电的Ag将带正电的有机阳离子捕获, 达到检测R6G的目的, 所以具有超低的检测限和稳定的检测能力。

表1 各种溶胶、 溶液的Zeta电位 Table 1 The Zeta potential of various sols and solutions

进一步, 通过对比发现, R6G和福美双的检测限差距较大, 这是由于R6G水溶液的Zeta电位呈现明显的正电状态, 其Zeta电位高于福美双, 更有利于与基底材料Ag结合, 故检测限更低。 这再次说明了, 表面电荷对特检测分子的捕捉, 以及拉曼信号的强度, 具有很大的影响, 这种影响是普适的, 并且可以通过单位点调控表面电荷实现。

4 结论

提出了“ 单位点” 调节表面电荷来提升拉曼检测灵敏度的方法, 调控了Ag的表面电荷, 有利于其对带正电的甲醛分子的捕捉, 降低了检测限, 提高了定量化检测水平, 使得甲醛检测限由10-9 mol· L-1降低为10-12 mol· L-1, 较世卫组织要求的82 μ g· L-1(十亿分之一)更低。 单位点调控理论不仅仅对特异性反应适用, 对于其他模板和非模板分子皆有提升。 R6G检测限从10-12 mol· L-1降低至10-14 mol· L-1, 而农药福美双检测限则由10-9 mol· L-1降至10-11 mol· L-1。 通过紫外-可见光谱以及Zeta电位协助研究表面电荷的影响, 研究了该理论的机理, 进一步证实了该理论的合理性和普适性。

深层机理方面, 单位点与基底材料之间存在电荷转移, 因而, 存在化学增强(CM)过程。 同时, 在贵金属Ag表面有显著的电磁场增强(EM), 两种增强机制在单位点体系协同, 需要进一步通过实验、 理论等研究不同单位点的新机制、 新物理; 另一方面, 单位点可能作为一种新的振动模态, 与基底中存在表面等离子体共振(SPR)、 待测分子的共振协同作用, 使得拉曼散射共振更强, 从而提升拉曼检测灵敏度。 本文实验结论都证实了单位点调控在拉曼检测中的可行性、 必要性, 使单位点在该领域的深入研究成为可能。

参考文献
[1] Yao Y C, Hu S L, Chen W X, et al. Nature Catalysis, 2019, 2: 304. [本文引用:1]
[2] Zhang Z P, Sun J T, Wang F, et al. Angew. Chem. Int. Ed. , 2018, 57(29): 9038. [本文引用:1]
[3] Pan Y, Lin R, Chen Y J, et al. J. Am. Chem. Soc. , 2018, 140(12): 4218. [本文引用:1]
[4] Wang C, Wang K W, Feng Y B, et al. Adv. Mater. , 2021, 33(13): 2003327. [本文引用:1]
[5] Lu C, Fang R Y, Chen X. Adv. Mater. , 2020, 32(16): 1906548. [本文引用:1]
[6] Fan M K, Andrade G, Brolo A. Anal. Chim. Acta, 2011, 693(1-2): 7. [本文引用:1]
[7] Lee M R, Lee H K, Yang Y J, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9(45): 39584. [本文引用:1]
[8] Phan-Quang G, Lee H K, Teng H W, et al. Angew. Chem. Int. Ed. , 2018, 57(20): 5792. [本文引用:1]
[9] Oh M, De R, Yim S. J. Raman Spectroscopy, 2018, 49(5): 800. [本文引用:1]
[10] Wang B, Zhang L, Zhou X. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2014, 121: 63. [本文引用:1]
[11] Liu B, Ren S K, Xing Y K, et al. Chemnanomat, 2017, 3(10): 760. [本文引用:1]
[12] Yang K, Zong S F, Zhang Y Z, et al. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2020, 12(1): 1395. [本文引用:1]
[13] Griffiths J, de Nijs B, Chikkaraddy R, et al. ACS Photonics, 2021, 8(10): 2868. [本文引用:1]
[14] Carnegie C, Griffiths J, Nijs B, et al. J. Phys. Chem. Lett. , 2018, 9(24): 7146. [本文引用:1]
[15] Yang J M, Jin L, Pan Z Q, et al. Anal. Chem. , 2019, 91(9): 6275. [本文引用:1]
[16] Zeng Z C, Huang S C, Wu D Y, et al. J. Am. Chem. Soc. , 2015, 137(37): 11928. [本文引用:1]
[17] Wang C, Li A, Li C, et al. Adv. Mater. , 2019, 31(52): 1903491. [本文引用:1]
[18] Zhou L, Zhou J, Lai W, et al. Nat. Commun. , 2020, 11: 1785. [本文引用:1]
[19] Liu Q Y, Chen P, Ye Y Q, et al. Adv. Mater. Interfaces, 2019, 6(16): 1900659. [本文引用:1]
[20] Zheng C C, Zhang L Y, Wang F Y, et al. Talanta, 2018, 188: 630. [本文引用:1]
[21] Ma P Y, Liang F H, Wang D, et al. Microchim Acta, 2015, 182: 863. [本文引用:1]
[22] Allouch A, Guglielmino M, Bernhardt P, et al. Sensors and Actuators B: Chemical, 2013, 181: 551. [本文引用:2]
[23] Zhang Q Q, Li X S, Ma Q, et al. Nat. Commun. , 2017, 8: 14903. [本文引用:1]
[24] Fan J, Wu C H, Bao K, et al. Science, 2010, 328(5982): 1135. [本文引用:1]