作者:郭林等 来源:《化学》 发布时间:2024/7/10 23:21:16
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原子薄Ag纳米片助力BPF的单分子SERS检测

 

2024年7月10日,北京航空航天大学郭林教授及合作者,在Chem期刊上发表了一篇题为“Atomically-thin Ag nanosheets for single-molecule SERS detection of BPF”的研究成果。

该团队采用配体限域策略成功制备了厚度仅为0.58 nm的非晶态Ag纳米片,揭示了基于量子限域效应的SERS增强机制,以该纳米片作为SERS基底,实现了双酚F的单分子检测(检测限为10-17 M)。

量子限域效应在纳米材料领域中具有重要的意义,尤其是当二维材料在减薄至原子尺度时,其相对于块体材料表现出显著不同的电子结构和物化特性,在光学、电学、催化等领域具有潜在的应用。然而不同于石墨烯、MXene等本征具有层状结构的二维材料,金属材料倾向于形成紧密堆积的三维结构,如何可控制备超薄二维金属材料一直是纳米合成领域的难点。

在这项工作中,研究组采用了原子尺度配体限域合成策略,通过构建配体分子间的非共价相互作用,形成限域空间,成功制备了厚度仅为0.58 nm的非晶态Ag纳米片(图1)。光谱研究进一步证实,Ag纳米片表面存在羧酸配体,这些配体不仅有效降低了二维Ag纳米片的表面能,还可诱导形成层状超结构,从而提升结构稳定性。X射线吸收近边结构(XANES)、X射线光电子能谱(XPS)和紫外光电子能谱(UPS)等表征结果表明,非晶态Ag纳米片中Ag元素处于金属态,且电子向配体发生了转移。

双酚类化合物作为聚碳酸酯等高分子材料的生产中间体,其内分泌干扰毒性对胎儿和婴儿健康有潜在危害。因此,对其痕量和快速检测具有重要的意义。郭林教授团队以该非晶态Ag纳米片作为基底,成功实现了双酚F(BPF)分子的单分子水平快速检测,其最低检测限可达到10-17 M(图2)。进一步,对其SERS增强机制进行深入的分析。电子态模拟计算结果表明,原子级厚度的Ag纳米片由于量子限域效应导致了电子能级的劈裂,与紫外可见吸收光谱中宽化的表面等离子体共振(SPR)峰相匹配;该分裂能级改变了电磁波和基底的交互作用方式,在Ag平整表面诱导产生“热点”区域;相邻Ag纳米片的热点进一步耦合,最终实现了强电磁场增强效应;此外,原子级厚度非晶态纳米片与BPF分子之间发生了显著的静态和动态电荷转移,促进了基底和探针分子之间的能级耦合,实现了化学增强(图3)。

图1:原子级厚度Ag纳米片的合成和表征。

图2:以原子级厚度Ag纳米片为基底对BPF进行SERS检测。

图3:基于量子限域效应的物理化学协同SERS增强机制。

该研究工作拓展了原子级厚度二维金属材料的合成方法学,揭示了量子限域效应在表面增强拉曼光谱中的物理/化学协同增强机制,为原子级厚度二维金属材料的可控合成、结构调控和构效关系研究提供了借鉴。(来源:科学网)

相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.06.020

 
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