表面增強拉曼光譜可研究納米縫隙分子層的電荷轉移效應

近場光學是光學領域的一個新型交叉學科，在生物醫學成像、數據存儲、單分子光譜、量子器件等領域有著廣泛的潛在應用。當金屬納米材料之間的縫隙逐漸減小至亞納米級別時，縫隙中的分子層可能會發生電荷轉移現象并影響納米材料的遠場和近場光學屬性。以往的研究主要集中于電荷轉移對遠場光學屬性的影響，而對近場光學屬性的研究還缺乏有效的手段。

近日，上海交通大學生物醫學工程學院葉堅教授和古宏晨教授聯合香港理工大學雷黨愿教授的團隊，提出了利用表面增強拉曼光譜來研究納米縫隙分子層中的電荷轉移效應的新方法。該成果以“Electron Transport across Plasmonic Molecular Nanogaps Interrogated with Surface-Enhanced Raman Scattering”為題發表在納米領域的權威期刊《ACS Nano》上。

表面增強拉曼光譜是一種分子的指紋散射光譜，具有高特異性和高靈敏度的特點，是一種比遠場光譜更敏感的手段，更合適用于研究電荷轉移效應。研究團隊合成了具有不同縫隙大小（0.7 – 2 nm）的內嵌導電拉曼信號分子的縫隙增強拉曼探針（Gap-Enhanced Raman Tags, GERTs），并結合遠場和近場光學的實驗測試和模擬仿真的結果證明縫隙內發生了由分子介導的電荷傳輸效應。尤其是實驗中觀測到的拉曼增強強度隨縫隙大小的變化與經典電磁場理論預測結果不符合，研究團隊使用了量子修正的理論模型，將縫隙中分子層的電荷轉移效應考慮進來，通過調節分子層的電導率，新的理論模型很好地匹配實驗中獲得的遠場光譜和拉曼測試結果。進一步研究表明，由于電荷轉移效應的存在，當縫隙增強拉曼探針的性能最優時，其最佳縫隙尺寸在1 – 2 nm之間，且與激發波長相關。這項基礎性研究成果為設計表面增強拉曼探針提供了全新的思路：（1）金屬間縫隙結構不一定越小越好；（2）金屬間縫隙結構中的拉曼信號分子不一定越多越好。同時這項成果也為將來量子器件的開發提供參考價值。

上海交通大學的博士生林俐和香港理工大學的博士后張強是該論文的共同第一作者，古宏晨教授、雷黨愿教授和葉堅教授為共同通訊作者。該研究工作得到了中組部“青年千人計劃”和國家自然科學基金委優秀青年基金和面上項目的支持。

此研究成果是葉堅課題組在縫隙增強拉曼探針領域的又一創新性突破。自2015年以來課題組已陸續在多層核殼探針的合成調控（Chemical Communications，2015）、增強機理研究（Nano Letters，2015）、分子層光學折射指數測量（Nanoscale, 2017）、超光穩定探針的合成和快速成像（ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; RSC Advances，2018）等方面取得重大進展，同時也初步開展了基于縫隙增強拉曼探針的術中前哨淋巴結顯影和定位（Biomaterials，2018）等相關醫學應用。