近期，我课题组人员针对气态小分子的表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)检测中的关键问题，利用化学转化的思想，提出新的检测策略，实现了若干典型有害气态小分子的快速、灵敏检测。相关结果以“Ultrathin Layer Solid Transformation-Enabled Surface Enhanced Raman Spectroscopy for Trace Harmful Small Gaseous Molecule Detection”为题发表在Nanoscale Horizons (2020, 5, 739)期刊上。

痕量的有害小分子的高效检测对公共安全、生态环境、人体健康等方面具有重要的意义，现有的大部分技术要么不够快速、经济，要么不够灵敏和精确。SERS技术由于其简单的操作、高的灵敏度和指纹式识别的特点，能够实现目标物的快速、灵敏、可靠检测。但是，由于过小的拉曼散射截面，SERS技术对有害小分子的检测一直不如人意，属于相关领域的一个瓶颈问题。针对这一现状，蔡伟平研究员课题组提出一种新的策略：薄层固态转变助力(Ultrathin layer solid transformation-enabled, ULSTE)-SERS。该策略通过再传统的贵金属SERS衬底上包覆上一层超薄（数纳米）的无机敏感层，来与目标小分子进行化学相互作用，并原位转化成一个新的、具有较大拉曼散射截面的固体物质，再通过贵金属的SERS效应识别出新固体层，从而实现小分子的SERS检测。ULSTE-SERS具有检测速度快、灵敏度高的特点（以超薄氧化铜层包裹的金纳米颗粒基底对硫化氢气体的检测为例，ppt浓度的硫化氢分子可在10分钟内被检测到）。这样的检测效率归因于它同时满足高效SERS分析中的两个关键因素：高的衬底与目标分子的亲和力，和大的直接检测物的拉曼散射截面。另外，研究人员还进一步说明了ULSTE-SERS具有良好的通用性，通过选择合适的无机敏感层的材料种类，可实现多种气态分子（如硫化氢、甲硫醇、氯化氢等）的高效检测；还说明了ULSTE-SERS衬底的结构多样性等。

这项工作提出的ULSTE-SERS的策略，可以实现对有害小分子的高效SERS检测，具有很高的实用价值。此外，它还提供了一种灵活、有效的方法来研究无机物和气体分子的界面相互作用的动态过程。这对于深入了解小分子催化和传感的机理具有重要意义。

该项工作得到了国家自然科学的基金、科技部重点研究开发计划、以及中国博士后科学基金会资助。

文章链接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2020/nh/c9nh00799g?page=search

图1. ULSTE-SERS策略的示意图。

图2. 采用ULSTE-SERS策略对硫化氢气体小分子的了检测。(a)：暴露在硫化氢气体(100 ppb,500 mL)中前(I)后(II)的氧化铜包金颗粒膜的拉曼光谱，以及暴露在硫化氢气体(100 ppb,500 mL)中后的金颗粒膜(III)和氧化铜颗粒膜(IV)的拉曼光谱。(b)：SERS强度分布图。(c)：b中区域内点的SERS强度分布。(d-f)：暴露在硫化氢中后的氧化铜包金颗粒的表征分析。(d)：能量散射谱；(e)：元素分布。(f)：高分辨透射电镜图像。