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中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所Yong Yang課題組---電荷轉(zhuǎn)移共振和電磁增強協(xié)同使MXenes具有優(yōu)異的SERS靈敏度,用于SARS-CoV-2 S蛋白檢測
       2019年新型冠狀病毒的爆發(fā)嚴(yán)重威脅著人類健康。快速靈敏地檢測SARSCoV-2 病毒有助于控制病毒的傳播。然而,由于其靈敏度差,將基于半導(dǎo)體的基板應(yīng)用于病毒SERS檢測是一項艱巨的挑戰(zhàn)。因此,尋找具有優(yōu)異SERS靈敏度的新型半導(dǎo)體基底是值得的。在此,我們首次報告了Nb2C和Ta2C MXenes 表現(xiàn)出優(yōu)異的SERS性能,這是由電荷轉(zhuǎn)移共振增強和電磁增強協(xié)同實現(xiàn)的。在532 nm的最佳共振激發(fā)波長下,它們的SERS靈敏度優(yōu)化到3.0×106和1.4 ×106。此外,卓越的SERS敏感性賦予Ta2C MXenes 靈敏檢測和準(zhǔn)確識別SARS-CoV-2 S蛋白的能力。此外,其檢測限低至5×10−9 M,有利于實現(xiàn)新型冠狀病毒的實時監(jiān)測和預(yù)警。這項研究不僅為探索其他新型SERS活性半導(dǎo)體基材料提供了有益的理論指導(dǎo),而且 SERS技術(shù)的實際應(yīng)用提供了潛在的候選者。
 
  
Figure 1. (a)分子4-MBA、MeB、MV和復(fù)合物Nb?C-4-MBA、Ta?C-4-MBA、Nb?C-MeB、Ta?C-MeB、Nb?C-MV、Ta?C-MV的靜態(tài)拉曼光譜。A、B、C拉曼位移下計算拉曼模型的(b) Nb?C-4-MBA、Nb?C-MeB、Nb?C-MV和(c) Ta?C基復(fù)合物的拉曼增強倍數(shù)比較。(d) 分子4-MBA, MeB, MV,以及這些分子分別吸附在Nb?C和Ta?C簇上的計算極化率。(e) 4-MBA、MeB、MV分子、Nb?C-4-MBA、Nb?C-MeB、Nb?C-MV、Ta?C-4-MBA、Ta?C-MeB、Ta?C-MV復(fù)合物的能級分布和HOMO/LUMO圖。
 
  
Figure 2. (a) MXene (Ti?C?, Nb?C和Ta?C)電場強度分布模擬模型。(b) MXene (Ti?C?, Nb?C和Ta?C)的模擬電場強度分布及相應(yīng)的SERS增強因子。顏色條代表電場強度。
 
  
Figure 3. (a) 通過兩步剝離工藝合成Nb?C和Ta?C納米片的示意圖。(b) Nb?AlC (1)和Ta?AlC (3)體結(jié)構(gòu)的SEM圖像,Nb?AlC (2)和Ta?AlC (4)體結(jié)構(gòu)的TEM圖像和相應(yīng)的SAED圖。(c) Nb?C和(d) Ta?C的SEM圖像(1)、TEM圖像(2)、HRTEM圖片(3)和相應(yīng)的SAED模式(4)。(e) 分層d-Nb?C (1)和d-Ta?C (3)的掃描電鏡圖像,TEM圖像和相應(yīng)的SAED模式。
 
 
Figure 4. (a) 以Nb?C/Ta?C NSs為底物在532 nm激發(fā)激光下對MeB和MV分子進行拉曼散射的拉曼原理圖。在532、633和785 nm不同波長激光激發(fā)下,(b) Nb?C NSs襯底上的10?? M MeB和(e) Ta?C NSs襯底上的10?? M MV的拉曼光譜。(c) Nb?C NSs和(f) Ta?C NSs襯底在532 nm激發(fā)下對10?? M 4-MBA,MeB,MV的拉曼光譜。(d) 從Nb?C NSs基底上選取20個點采集10?? M MeB的拉曼信號和對應(yīng)的1617 cm?¹的拉曼mapping圖像。
 
  
Figure 5. (a) 10??,10??,10?? M三種不同濃度的MeB在Nb?C NSs底物上的拉曼光譜。(b) Nb?C NSs基底上10??和10?? M MV的拉曼光譜。(c) Ta?C NSs襯底上10??和10?? M MeB的拉曼光譜。(d) 10??,10??,10?? M三種濃度下的MV在Ta?C NSs底物上的拉曼光譜。
 

Figure 6. (a) 633 nm激發(fā)激光下SARS-CoV-2 S蛋白的Ta?C NSs拉曼散射圖。(b)10?? M SARS-CoV-2 S蛋白在532 nm、633 nm和785 nm不同激光波長激發(fā)下的Ta?C NSs底物的拉曼光譜。(c) Phe、Trp、Tyr氨基酸分子及其對應(yīng)的Ta?C-氨基酸分子復(fù)合物的靜態(tài)拉曼光譜,以及SARS-CoV-2 S蛋白在Ta?C NSs上的實驗拉曼光譜。(d) SARS-CoV-2 S蛋白在Ta?C NSs和Au NPS底物上的拉曼光譜。(e)九種計算的拉曼模型中Ta?C -氨基酸分子復(fù)合物的拉曼增強倍數(shù)。(f) Phe、Trp、Tyr等氨基酸分子及其對應(yīng)的Ta?C-氨基酸分子配合物的計算極化率。
 
       相關(guān)研究成果由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所Yong Yang課題組于2021年發(fā)表在《Nano-Micro Letters》(https://doi.org/10.1007/s40820-020-00565-4)上。原文:Charge-Transfer Resonance and Electromagnetic Enhancement Synergistically Enabling MXenes with Excellent SERS Sensitivity for SARS-CoV-2 S Protein Detection。

轉(zhuǎn)自《石墨烯雜志》公眾號

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