华南理工大学李志远教授团队提出了库仑力驱动自发“分子-热点”配对机制，实现了对罗丹明B (RhB)、罗丹明6G (R6G) 和结晶紫 (CV) 三种典型拉曼分子的通用检测，具有检测灵敏度低 (10-16 M)、检测速度快 (50 ms)、稳定性好、大面积均匀等突出优势，为物理-化学协同增强型SM-SERS技术的实际应用提供了重要支撑。

拉曼光谱技术基于光的非弹性散射原理，通过检测分子、固体和二维材料中振动、旋转等低频模式的光谱特征，实现对物质的精确分析和鉴定。该技术具有无需标记、信息丰富、非破坏性等优势，在化学、生物、医学、环境等多个领域展现出广泛的应用前景。然而，拉曼散射作为高阶光-物质相互作用过程，其固有散射截面极小，信号强度远低于荧光和瑞利散射，这一根本性限制严重制约了其检测灵敏度的提升。发展单分子拉曼光谱技术 (SM-RS)，使拉曼信号强度达到与荧光信号相当的水平，成为该领域的重要目标。单分子拉曼光谱技术不仅代表传统拉曼技术的超高灵敏度版本，更为观察单个分子的细微光谱现象提供了独特窗口。通过避免统计平均效应的干扰，该技术能够揭示单分子层面的动态行为和光谱特征，为分子科学研究提供前所未有的精度和深度。

表面增强拉曼光谱技术 (SERS) 的发展为实现单分子拉曼检测提供了重要途径。其中，电磁增强效应利用金属纳米结构中的局域表面等离激元共振现象，在纳米尺度“热点”区域产生强烈的局域电场增强 (EME)，可实现10~11个数量级的信号放大。化学增强效应 (CME) 则通过分子与基底间的电荷转移和化学键合作用，显著增大分子的拉曼散射截面。尽管这些机制各自都能提供显著的信号增强，但单一机制通常难以达到理想单分子检测所需的14~15个数量级的巨大增强因子。幸运的是，当这些策略中的两种或两种以上共同、协同和建设性地发挥作用时，将为技术的飞速发展带来新的契机。

华南理工大学李志远教授团队在前期工作中构建了WS2-Au纳米间隙体系，发现等离激元热点贡献的电磁增强可达9~11个数量级，而二维材料WS2单层提供的化学增强可额外贡献4~5个数量级，电磁场增强与化学增强的协同作用为实现单分子拉曼光谱检测奠定了重要基础 [PhotoniX 5, 3 (2024)]。然而，关于这种EME-CME协同增强型SM-SERS的作用机理、适用范围、检测稳定性以及增强均匀性等核心科学问题仍有待深入探索。

针对这些关键问题，李志远教授团队在本工作中提出库仑力驱动自发“分子-热点”配对机制，该机制是实现SM-SERS方案的核心要素，使得WS2二维材料的巨大化学增强 (CME)与等离激元纳米间隙的巨大电磁增强 (EME) 能够高效协同作用。进一步，利用近红外激光 (785 nm) 激发拉曼信号可有效抑制荧光背景信号的影响。该SM-SERS基底由三个关键组分构成 (图1(a))：金纳米球颗粒(图1(b))位于金薄膜反射镜上形成的等离激元纳米间隙，中间夹有厚度为2 nm的SiO2分离层以优化电磁增强；夹在SiO2和金纳米颗粒之间的二维单层WS2单晶片 (图1(c)) 提供化学增强；拉曼分析物分子与WS2薄片紧密结合，同时位于等离激元热点中，实现电磁-化学作用协同增强。

图1 SM-SERS基底的基本结构和工作机理。(a) SM-SERS信号快速形成示意图；(b) SM-SERS衬底的SEM图像；(c) 样品在微拉曼光谱仪下的光学图像，红色框中突出显示的区域表示金纳米颗粒与WS2二维材料结合的区域；(d) 金纳米颗粒胶体、RhB 溶液、R6G 溶液和 CV 溶液的 Zeta电势；(e) 金纳米颗粒被滴加后，被静电力吸引向带正电分子骨架趋近的示意图

主要研究亮点如下：

1)库仑力驱动自发“分子-热点”配对

该研究通过Zeta电位测量 (图1(d)) 首次证实了分子-热点自发配对的电荷库仑力驱动机制。实验发现RhB、R6G和CV分子呈正电性，而金纳米颗粒呈负电性，两者间的库仑引力驱动金纳米颗粒精确定位于已结合在WS2单晶片的分子正上方，自发形成最优等离激元纳米间隙构型(图1(e))。这种电荷库仑力驱动的自组装机制为电磁-化学协同增强的SM-SERS提供了关键的物理基础，将大大提高协同SM-SERS活性位点的通用性、均匀性、鲁棒性和稳定性。

2)近红外激光有效抑制荧光干扰，显著提升检测性能

研究采用785 nm近红外激光作为激发源，巧妙地避开了RhB、R6G和CV分子在可见光激发下产生的强荧光背景干扰。相比于532 nm激光激发，785 nm激发不仅消除了荧光基线污染，还使拉曼信号强度提高约100倍，信噪比得到显著改善 (图2)。这种荧光抑制策略与电磁增强和化学增强的协同作用相结合，为实现超低浓度的单分子检测提供了关键的技术保障，成为推进SERS向SM-SERS领域发展的重要补充途径。

图2 785 nm和 532 nm激光激发下的拉曼光谱。(a)不同激发波长和积分时间下10-14 M RhB样品的拉曼光谱；(b) 10-14 M RhB样品在532 nm激发波长下，减去基线后0.5 s积分时间下的拉曼光谱

3)大面积均匀分布的快速单分子检测能力

通过在5 mm×5 mm大面积基底上进行系统性的拉曼成像研究，验证了SM-SERS活性位点在宏观尺度上的均匀分布特性。在10-16 M的极低浓度下，每个60 μm×90 μm微区内可稳定观察到3~4个拉曼活性位点，在10-14 M浓度下增加到10~20个活性位点，展现出良好的浓度响应特性。通过对不同浓度(10-16 M至10-12 M)的系统研究发现 (图3)，在单分子检测范围内，所有拉曼活性位点均表现出相似的信号强度水平，证实了真正的单分子检测能力。该方案成功实现了对罗丹明B (RhB)、罗丹明6G (R6G)和结晶紫(CV)三种典型拉曼分子的通用检测，具有检测灵敏度低(10-16 M)、检测速度快(50 ms)、稳定性好、大面积均匀等突出优势，为协同增强SM-SERS的实际应用提供了重要支撑。

图3 RhB分子的大规模高均匀性SERS拉曼成像

该工作以“Coulomb attraction driven spontaneous molecule-hotspot paring enables universal, fast, and large-scale uniform single-molecule Raman spectroscopy”为题发表在Opto-Electronic Advances 2025年第7期。论文共同第一作者为华南理工大学洪丽红博士、杨海遥博士，共同作者包括张简智、高子涵，通讯作者为华南理工大学李志远教授。

研究团队简介

李志远，本文通讯作者，国家杰出青年基金获得者，华南理工大学物理与光电学院教授，副院长，人工光、声微结构物理实验室主任，从事微纳光子学、非线性光学、激光技术、拓扑光子学和量子物理中的理论、实验和应用研究近30年，已在PRL、Science Adv.、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.、JACS、Adv. Mater.、Nano Lett.、ACS Nano、Light、OEA、PhotoniX、Adv. Photon.等物理学、光学、化学和材料学期刊上发表SCI论文近530篇，被SCI引用34,000次，H-index为90。