近日，大发888官方下载,大发官网老虎机888物理与光电学院李志远教授团队在光学领域国际顶刊PhotoniX上在线发表了题为“Observation of Single-Molecule Raman Spectroscopy Enabled by Synergic Electromagnetic and Chemical Enhancement”的研究成果。本成果通过电磁增强机制（EME）和化学增强机制（CME）协同工作，实现了单分子拉曼光谱观测，为本领域的研究开辟了十分广阔的前景。
拉曼光谱学有着悠久的历史，是当代分析化学的一个标准技术。拉曼散射携带了分子结构中许多关键的特征信息，是分子独一无二的指纹谱，然而过于微弱的信号强度掣肘了拉曼散射用于实际的光谱应用。上世纪六十年代，激光器的发展提供了更强的激发光源，使较高分子浓度下的拉曼光谱采集成为了现实，但与吸收和荧光等其他光谱相比，其强度仍然很弱，无法达到单分子级别的探测。过高的检测限和激发光能量限制了利用拉曼光谱技术对分子的各种物理化学过程进行连续、快速及原位表征的能力。
1974年，表面增强拉曼效应（SERS）的发现为解决这种困境带来了曙光，经过近五十年的发展，研究取得了巨大进步，但是距离终极目标——将拉曼信号增强到可媲美荧光强度的水平，以实现快速可靠的单分子识别及检测，仍然有相当大的距离。为实现这一目标，还需要继续探索新拉曼增强机制。
业界公认，SERS的增强来源可以总结为两种机制：电磁增强机制（EME）和化学增强机制（CME）。电磁增强机制源自于贵金属的纳米结构之间形成的等离激元共振，可以呈数量级地增强局域内的电磁场强度，形成所谓的“热点”。“热点”的强度取决于金属的成分、纳米结构和尺寸以及结构中间隔的距离，是一种与待测分子无关的远程效应。目前，基于这种机制的增强已经可以达到10个数量级左右。而化学增强机制被认为是待测分子与其吸附的表面之间发生了电荷传递，提升了参与拉曼散射的电子态的数量。化学增强机制是来源于分子和与其直接接触的表面之间的短程效应，分子和表面材料的能级都会对其造成影响。近来获得广泛关注的半导体二维材料——过渡金属硫族化物由于其直接带隙特性，有相当的潜力作为拉曼光谱的化学增强基底，与能级匹配的分子搭配工作，可以提供3至5个数量级的拉曼增强。这两种增强机制相互平行、独立工作。李志远教授团队深入研究了这两种增强机制，探索了如何最大化每种机制的效用，并提出它们之间的最优协同作用可能是实现单分子拉曼检测的有效途径。
基于这个朴素的加和理念，团队在计算机模拟的辅助下，用金纳米颗粒和镀层金膜并覆盖了一层二氧化硅的硅片搭建了一个简单的等离激元光学纳腔，筛选了罗丹明B（RhB）和二维材料二硫化钨作为匹配的待测分子和吸附表面，将两者组合在一起，形成了电磁和化学增强机制协同工作的拉曼增强基底。团队用这种基底和一系列对照样品进行了拉曼光谱测试，实验结果显示，处于这种增强基底中的RhB分子，即使浓度低至10e-18 mol/L，其拉曼光谱仍然清晰可见，可检测并定位到单个分子的拉曼信号。
在增强因子和检测极限这两个根本性指标上，本项实验比起已有文献报道的最好结果均有大幅度的提升，充分展示了电磁增强和化学增强协同工作的拉曼增强机制的强大威力。此外，这种单分子拉曼基底结构简单，并且各部分都很容易进行替换和调整，具有很强的可扩展性，对不同分子和应用进行进一步研究的前景十分广阔。
文章的通讯作者为大发888官方下载,大发官网老虎机888李志远教授，博士研究生杨海遥为文章的第一作者。
论文链接：
https://photonix.springeropen.com/articles/10.1186/s43074-024-00119-6
