中國科學院上海硅酸鹽研究所Yong Yang課題組---電荷轉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)嚴重威脅著人類健康?？焖凫`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，將基于半導體的基板應用于病毒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)測和預警。這項研究不僅為探索其他新型SERS活性半導體基材料提供了有益的理論指導，而且 SERS技術的實際應用提供了潛在的候選者。

Figure 1. (a)分子4-MBA、MeB、MV和復合物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)體結構的SEM圖像，Nb?AlC (2)和Ta?AlC (4)體結構的TEM圖像和相應的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的Ta?C-氨基酸分子復合物的靜態(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 -氨基酸分子復合物的拉曼增強倍數(shù)。(f) Phe、Trp、Tyr等氨基酸分子及其對應的Ta?C-氨基酸分子配合物的計算極化率。

相關研究成果由中國科學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。

轉自《石墨烯雜志》公眾號



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