新型SERS-荧光双模半导体基底

来源：两江科技评论

吉林师范大学物理学院的高铭团队开发了一种可媲美金属基底SERS活性的新型稀土掺杂半导体基底，该基底不仅制备方法简单环保，成本低廉，性能稳定，更重要的是该基底能有效去除荧光背景对SERS信号的干扰。相关研究成果以“Monitoring the Charge Transfer Process in a Nd-doped Semiconductor Based on Photoluminescence and SERS Technology”为题发表在《Light: Science & Applications》。

图片来源：Light: Science & Applications

导读

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的光谱技术，具有非侵入、无损伤、高灵敏度和快速响应等优点，被广泛应用于食品分析、环境分析、生物医学分析等领域。然而由于受到荧光背景噪声的影响，在很大程度上影响了分析效果，如何有效消除这些噪声一直是拉曼光谱领域应用研究的一个热点和难点。

有鉴于此，吉林师范大学高铭团队利用镧系（Ln）中Nd离子的特征发光，通过对其增强机理的详细研究，首次发现Nd3+离子独特的光学特性可以增强SERS信号并能有效降低荧光背底对SERS信号的干扰，实现了增强SERS性能与降低荧光背景一体化。此外，该基底将荧光与SERS信号增强整合到同一基底上，使该基底同时具有荧光的直观和快速成像的特点和SERS灵敏、定量分析的能力。该SERS-荧光双模式基底显示出巨大的生物检测和生物成像的应用潜力。
02研究背景

1928年印度科学家 C.V. Raman 首次提出拉曼光谱是光照射到物质上产生的非弹性散射光谱，拉曼光谱法是一种特异性识别分子信息的光谱方法，能够通过光谱特征峰的位置、线宽和强度反映出分子中官能团和化学键的信息，从而达到对分子的特异性检测，操作简单、方便快捷，但其灵敏度较低。

1974年Fleischmann 首次在吡啶吸附的粗糙银电极上观察到SERS现象，自此之后，SERS效应的研究工作引起人们的广泛兴趣。SERS技术作为一种非常有效的分析检测手段，具有超灵敏性、高选择性和无损检测等优点，并且能够在极其复杂的体系中确定被吸附分子的分子结构和取向等信息。因此，SERS 技术被越来越多的应用在表面科学、化学分析、生物传感、生物医学检测以及痕量分析检测等领域。
图1 a 拉曼散射图；b 局部表面等离子体共振效应的示意图；c 电磁增强机理；d 分子-半导体体系的电荷转移示意图。

在SERS测量中，当用激光照射样品时，除了能激发出拉曼散射光外，还有可能会同时激发出荧光。某些被测物的荧光背景是拉曼信号的106~108倍，导致这些物质的SERS测量有时十分困难，这限制了SERS光谱的广泛应用。因此有必要在SERS检测中对荧光采取抑制措施以准确获取高信噪比的拉曼光谱指纹信息。

近些年来，国内外的学者提出了许多抑制荧光的方法。如荧光猝灭剂法，这种方法成本低，操作简单，但荧光猝灭剂有可能影响样品的表征拉曼光谱，因而使其应用受到了较大的限制。光漂白法，但是由于检测时需要用高能量的激光长时间照射样品，很可能破坏样品的分子结构。或者利用荧光和拉曼光谱产生的时间差异来消除荧光，但对光谱仪性能要求较高。求导数方法是处理光谱最直接的方法应用广泛，但会造成高频噪声更加突出，图谱扭曲，在图谱表现上与原始图谱有差异，解读图谱具有一定难度。厦门大学任斌教授课题组以及Xiang Wang, Rubén Esteban等人通过实验检测金属本体发光谱(PLbulk)和吸附分子的表观SERS峰以及背景峰Bg，还原出表面分子的本征拉曼信息(δRaman=（SERS-Bg）PLbulk / Bg)，从而获取更真实的化学信息。该系列实验得到了很好的理论证明，并在更为复杂的纳米银聚集体和针尖增强拉曼光谱体系中得到进一步应用，但该方法仅适用于金属基底。

金属基底中电磁增强具有优越的拉曼增强效果，但在作用过程中常常忽略检测分子与基底之间的化学作用，并且随着检测分子的远离，其信号将急剧衰减；而化学增强的效果虽远不如电磁增强, 却对检测分子具有一定选择性, 其增强效果主要由检测分子本身的化学性质及其与基底之间相互作用所决定，但至今仍没有一套完美的SERS理论能够从机理上解释实验中所观察到的所有现象。机理和去除荧光背景的研究不仅是SERS研究中最基础的问题，也是后续应用研究的焦点。

荧光光谱技术是研究物质结构及分子水平物质动力学过程的重要工具，在化学、生物等学科领域有重要的应用。随着荧光测试技术的广泛应用，SERS-荧光双模探针作为一种新型光学探针被广泛的研究。近年来，SERS-荧光双模探针已成功用于乳腺癌细胞上共同表达的不同标记物的双工检测以及活鼠体内荧光成像、SERS检测和光动力治疗。

基于荧光光谱的直观和快速成像的特点以及SERS光谱具有灵敏定量分析的性能，同时综合这两种光谱检测技术的优势，将荧光与SERS信号增强整合到同一基底上，使该基底同时具有荧光成像和SERS分析能力，首先用荧光信号进行快速定位，再用SERS技术进行多目标跟踪和定量研究。SERS-荧光双模探针显示出巨大的生物检测和生物成像潜力，但基底材料表现优异荧光能力的同时会因SERS荧光背景而降低SERS信号的特异性，荧光与SERS光谱两者在本质上存在矛盾。目前多数具有双成像能力的基底存在制备过程复杂、基底稳定性差、信号强度弱等缺点，限制了其实际应用。

综上，我们引入了稀土离子来优化半导体SERS基底，在增强其SERS活性的同时有效降低了分子的荧光背景，同时该基底具有优异的荧光成像能力，具有生物监测和成像的巨大应用潜力。利用理论和实验相佐证，探究了基底和探针分子之间的电子跃迁运动，为半导体SERS机理研究奠定基础。

该研究成果以" Monitoring the Charge Transfer Process in a Nd-doped Semiconductor Based on Photoluminescence and SERS Technology" 为题在线发表在Light: Science & Applications。

本文第一作者为长春大学的杨硕博士和吉林师范大学的姚佳成硕士，通讯作者为高铭、韩东来和杨景海教授，研究过程中得到了吉林师范大学陈雷副教授，东北师范大学杨国春教授，吉林大学郑以松教授和赵冰教授的大力支持和指导。研究课题获得国家自然科学基金（61405072, 61704065, 61675090, 21776110, 61705020, 61575080）和吉林省科技发展计划项目（20200201022JC, 20190103002JH, 20180520179JH, 20180520179JH）的支持。