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研究背景

表面增強拉曼散射（SERS）是一種靈敏度高、速度快的檢測技術，因其在醫療診斷、生物監測和殘留檢測等領域的重要應用，成為了研究熱點。然而，傳統基于貴金屬等離子體的SERS平臺存在成本高、生物相容性差、穩定性不足等問題，限制了其在實際應用中的廣泛推廣。相比之下，無等離子體SERS平臺因其優異的生物相容性、高穩定性和低成本，吸引了科學家的廣泛關注。然而，目前無等離子體SERS平臺的檢測靈敏度仍然不足，難以滿足醫學診斷中對生物標志物的精準檢測以及食品中污染物的痕量識別等需求。

成果簡介

有鑒于此，佛山大學趙仕龍、滕長久、陳文駿聯合中國科學院深圳先進技術研究院和深圳理工大學成會明院士團隊、丁寶福；清華大學深圳國際研究生院劉碧錄教授等人合作在Nature Communications期刊上發表了題為“Mechanochemical activation of 2D MnPS₃ for sub-attomolar sensing”的最新論文。研究者提出了一種基于二維MnPS₃的力化學策略，用于構建具備超高靈敏度的無等離子體SERS平臺。通過制造二維MnPS₃的皺紋結構顯著提升了光與物質的相互作用，同時結合化學功能化技術，以組胺二鹽酸鹽分子作為交聯劑，促進了分析物與材料之間的電荷轉移。

研究表明，該SERS平臺實現了對亞甲基藍分子10?1?M的檢測限，具備單分子檢測能力。這一結果不僅為設計高性能無等離子體SERS平臺提供了理論指導，還為二維材料的功能化及其在生物傳感、食品安全和環境監測中的應用開辟了新路徑。

本科生桂佳寶為共同第一作者。

研究亮點

1. 實驗首次采用力化學策略結合皺紋結構與化學功能化，構建了基于二維MnPS₃的無等離子體SERS平臺，實現了單分子級別的檢測，最低檢測限達到了10?1?M（亞阿摩爾級）。

2. 實驗通過在二維MnPS₃中引入皺紋結構，顯著提高了其SERS性能，能夠檢測微量的亞甲基藍（MB）分子。實驗表明，皺紋結構通過增強光與物質的耦合作用提升了檢測靈敏度，同時保證了材料在機械變形條件下的穩定性。

3. 實驗進一步通過化學功能化策略，用組胺二鹽酸鹽（HD）修飾皺紋MnPS₃，進一步降低了檢測限。研究發現，HD分子的氨基作為交聯劑，顯著促進了MnPS₃與吸附分子之間的電荷轉移，從而強化了SERS的化學增強（CE）機制。

4. 通過原位SERS實驗驗證了提升光物質相互作用和電荷轉移的具體機制。二維MnPS₃中的豐富空位作為分析物的捕獲位點，同時，皺紋和化學修飾協同作用，為實現超高靈敏度的無等離子體SERS平臺提供了可能性。

圖文解讀

圖1：用于設計SERS平臺的力化學概念。

圖2：SERS的電荷轉移機制。

圖3：SERS的光物質相互作用機制。

圖4：SERS的化學功能化機制。

結論展望

本文提出了一種基于二維MnPS₃的無等離子體SERS平臺，并通過力化學策略實現了亞阿摩爾級的分子檢測能力。該研究通過引入褶皺結構優化光與物質的相互作用，顯著提升了SERS性能。這一機制為提高SERS平臺的靈敏度和檢測能力提供了新的思路。其次，化學功能化，尤其是使用HD分子進一步激活二維MnPS₃的SERS效應，證明了通過分子設計來增強材料電荷轉移路徑的有效性。

值得注意的是，本文成功地實現了在極低濃度下（10?1? M）檢測到MB分子，這意味著二維材料在分子級別的高靈敏度檢測中具有廣闊的應用前景。最后，研究展示了在無等離子體環境下，通過精細調控二維材料的結構和化學性質，突破了傳統SERS平臺的性能瓶頸。這一發現不僅為未來的SERS探測技術提供了新的方向，也為二維材料的性能調控和基礎物理研究提供了有力支持，具有重要的科學意義和技術應用價值。

文獻信息

Chen, W., Gui, J., Weng, X. et al. Mechanochemical activation of 2D MnPS₃?for sub-attomolar sensing.?Nat Commun?15, 10195 (2024).

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