本科生就能在頂刊發表共同一作論文，放在全世界範圍內恐怕都並非一種常見現象。而在前不久，佛山大學陳文駿教授和自己的本科學生桂佳寶，分別以第一作者和共同一作身份，發表了一篇Nature子刊論文。
研究中，該課題組提出一種機械-化學活化策略，並以二維硫代亞磷酸錳為基礎，設計製造了一種無等離激元表面增強拉曼散射。
使用這種策略的時候，首先要透過在二維硫代亞磷酸錳表面構建褶皺結構，以便大幅增強光與物質之間的相互作用。隨後透過氨基等化學基團修飾方法，來顯著提高感測器與待檢測分子之間的電荷轉移效率。
在這兩種方法的協同作用之下，可以極大提升表面增強拉曼散射感測器的效能。實驗結果顯示：在本次機械-化學活化策略的幫助之下，能夠針對生物化學分子實現濃度低至 10-19 M（亞阿摩爾級）的探測極限。
基於這一成果該團隊已經提交多項國家發明專利申請，其中兩項在提交申請兩個月左右就已得到授權，這證明本次技術具有較好的實用價值。
在應用前景上：
其一，鑑於表面增強拉曼散射感測器具有良好的柔性，因此可以直接貼附在表面規則或表面不規則的蔬菜和水果上，利用拉曼光譜儀針對農殘物進行高精度的快速檢測。
其二，對於食品發酵後所產生的危害物質以及對於水體或水產品中存在的危害物質，表面增強拉曼散射技術均有望用對其進行檢測。
在論文中，課題組介紹了一種名為亞甲基藍分子的待檢測物，它其實是一種水產養殖中常用的魚藥。不過，過量的亞甲基藍會對魚類產生毒性，人類在食用這種魚之後也會受到健康危害。
而表面增強拉曼散射感測器也能針對水生物中的亞甲基藍含量進行檢測，這說明該感測器在食品安全和環境監測領域極具潛力。
其三，該團隊目前正與醫學領域的合作者探討將表面增強拉曼散射感測器用於氨基酸快速檢測的可能性，以期將其用於輔助醫學診斷和治療。
設計二維材料基的無等離激元表面增強拉曼散射感測器
據陳文駿介紹，量子資訊科學技術的進步，推動了奈米科學和奈米技術的發展。而二維材料具有高活性的邊界、原子缺陷和等離激元邊緣，透過引入新奇的物理性質和化學性質，其能為量子資訊科學的研究提供新平臺。
在本次研究之中，該團隊主要關注的是：
首先，量子特效能夠賦予二維材料以超高的光-物質相互作用效率，並已於近期被用於單聲子發射。
其次，在具有量子效應的二維材料體系中，存在著電荷轉移和電荷交叉，這讓其有望用於量子感測。
對於這兩個優勢來說，它們恰好符合二維材料基的無等離激元表面增強拉曼散射感測器的設計理念。
陳文駿表示，無等離激元表面增強拉曼散射技術具備高穩定性、高生物相容性以及高痕量檢測能力，在醫學診斷、生物監測和殘留物檢測等領域極具應用前景。
此前，針對基於二維材料的無等離激元表面增強拉曼散射感測器檢測效能進行最佳化時，要麼利用調控二維材料的化學組分和相的方法，要麼利用構築異質結構的方法。
同時，表面增強拉曼散射感測器的製備過程非常複雜，檢測靈敏度也比較低，這極大限制了它們的實際應用。
另外，人們常常使用能帶理論來解釋表面增強拉曼散射感測器的工作機制，但這隻考慮了二維材料和待檢測物之間的相互作用，以至於忽視了光-物質耦合作用對於表面增強拉曼散射效能的影響。
基於此，在二維材料的量子性質的啟發之下，該團隊嘗試從不同角度出發，來設計二維材料基的無等離激元表面增強拉曼散射感測器，並希望針對其檢測效能加以最佳化。
重拾被遺忘在角落裡的材料
研究中，課題組所使用的硫代亞磷酸錳是較早之前合成的。合成之後，他們將其存放在真空狀態的石英管裡。
啟動本次研究之後，他們透過查閱文獻得知二維硫代亞磷酸錳中的邊緣和缺陷，具有很高的活性和等離激元效應。同時，硫代亞磷酸錳也是一種能被用於光催化的材料。
於是，他們想到了這份被遺忘在角落裡的材料，並決定將其作為構築無等離激元表面增強拉曼散射基底的材料。
隨後他們把石英管敲碎，透過微機械剝離法獲得二維狀態的硫代亞磷酸錳，透過對其進行表徵和測試，初步明確它能夠適用於表面增強拉曼散射基底的製備。
在提高表面增強拉曼散射的效能時，此前要麼是使用調控二維材料化學成分的方法，要麼是使用其它材料來構築異質結。但是，對於提高二維硫代亞磷酸錳的效能來說，之前已有學者使用過這種方法。
那麼，二維硫代亞磷酸錳的效能是否還有提升的空間？陳文駿表示，對於表面增強拉曼散射效應來說，這是一個由光、待檢測分子、表面增強拉曼散射三者之間相互作用的結果。
而之前在無等離激元表面增強拉曼散射基底的研究中，人們更加關注表面增強拉曼散射基底和待檢測分子二者之間的相互作用。
那麼，是否可以從光的角度出發，透過提高光-物質作用，來最佳化二維硫代亞磷酸錳的表面增強拉曼散射效能？
這時，受到另一篇前人論文的啟發，他們瞭解到透過在二維材料中構築懸空的、具有應變梯度的褶皺結構，能夠增強光與物質之間的相互作用。
而此前陳文駿在讀博期間，主要研究的便是二維材料的褶皺結構，因此操作起來非常得心應手。
實驗結果也證明：在二維硫代亞磷酸錳褶皺區域之中，待檢測分子的拉曼特徵峰的強度是平面區域的數倍，探測極限也能降低四個數量級，其效能也略優於其它文獻報道的表面增強拉曼散射基底。
“本以為研究進行到這裡，即將進入資料整理和論文撰寫的階段，沒想到透過一次討論又讓我們有了新的突破。”陳文駿說。
對於白酒和醬油等日常飲品和日常調料來說，它們都是透過發酵方式製備而來的食物。而當陳文駿等人和食品工程領域的學者進行討論之後，雙方決定探索表面增強拉曼散射感測器能否用於檢測上述食物中的有害殘留物。
討論之後，上述合作者給陳文駿提供了一些待檢測物，這些待檢測物中含有組胺和酪胺的化學物質。
針對組胺和酪胺開展實驗時，他們並沒有重新制備表面增強拉曼散射基底，而是使用一個已經吸附過低濃度亞甲基藍分子的表面增強拉曼散射基底（這意味著無法檢測到任何亞甲基藍分子的拉曼訊號），然後再用其吸附高濃度的組胺分子，藉此觀察能否檢測到組胺分子的拉曼特徵峰。
實驗結果令人非常驚訝：所收集到的拉曼訊號完全屬於亞甲基藍分子，也就是說他們沒有收集到任何組胺分子的訊號。
“那麼，這個現象是偶然發生的嗎？亦或是人為操作錯誤導致的嗎？為此，我們又開展了一系列的實驗。”陳文駿說。
藉此發現：當使用組胺或酪胺等含有氨基的分子，針對二維硫代亞磷酸錳進行化學修飾之後，能夠顯著提升二維硫代亞磷酸錳的表面增強拉曼散射效能，從而能讓表面增強拉曼散射感測器的探測極限達到亞阿摩爾級。
至此，本次研究正式劃上句號，他們終於可以進入資料整理和論文撰寫的最後步驟。
最終，相關論文以《二維硫代亞磷酸錳的機械化學活化用於亞阿摩爾感測》（Mechanochemical activation of 2D MnPS3 for sub-attomolar sensing）為題發在Nature Communications[1]。
陳文駿是第一作者兼共同通訊，佛山大學本科生桂佳寶是共同一作。
佛山大學的滕長久教授和趙仕龍教授、中國科學院院士&中科院深圳先進院碳中和所所長&深圳理工大學材能學院榮譽院長兼講席教授成會明擔任共同通訊作者。
本科生的天馬行空
陳文駿表示：“這是我第一次帶著本科生從事科研工作。相比而言本科生的研究履歷更少，因此帶本科生去發現問題和設計實驗，既充滿挑戰又富有意義。”
作為一名本科生，桂佳寶有時會有一些天馬行空的想法，而這也會反過來啟發陳文駿。
“這種感覺非常奇妙。當然，由於實驗失敗或階段性成果並未受到重視，桂佳寶也會產生挫敗感，甚至會對課題意義產生懷疑。這也讓我意識到作為一名導師，還要學會引導學生正確看待失敗並找到克服困難的方法。”陳文駿補充稱。
未來：
首先，課題組希望釐清本次新方法和新現象的背後機制。儘管該團隊已經揭示瞭如下規律：即機械-化學活化方法之所以能提高無等離激元表面增強拉曼散射效能，是基於褶皺結構增強光-物質作用以及基於氨基化學修飾促進電荷轉移的機制。但是，課題組仍然需要繼續進行更加深入的研究。
比如，不同褶皺結構的特徵形貌如何影響表面增強拉曼散射效能？光-物質作用如何進行定量以及如何與其效能進行關聯？該方法是否適用於其它二維材料、修飾基團和待探測物？
只有將這些問題都加以逐一解決，才能進一步揭開這種新技術的神秘面紗，從而建立更完備的理論體系以及豐富它的普適性。
其次，課題組希望使用表面增強拉曼散射技術解決一些實際問題，以及拓展表面增強拉曼散射技術的應用領域。
在生物醫學、食品安全和環境監測等領域，表面增強拉曼散射技術都具有重大的應用價值。
然而在這些應用場景之中，待檢測分子所存在的環境較為複雜，因此必須透過一些化學手段或生物學手段將待檢測分子提取出來後再進行檢測，故面臨著較大的時間成本。
基於此，他們後續將研究如何透過機械-化學活化方法來實現小分子在複雜系統中的快速檢測。
再次，如何透過提取拉曼光譜的資訊，以便針對未知含量或未知濃度的待檢測分子進行定量，是領域之內亟待解決的難題。
舉例來說：假如有一瓶濃度為 10-19 M 的亞甲基藍溶液，如能使用表面增強拉曼散射技術進行檢測，這隻能證明該技術具備很高的檢測精度，即具有檢測超低濃度分子的能力。
但是，假如有一瓶濃度待定的亞甲基藍溶液，當使用表面增強拉曼散射技術測到拉曼光譜之後，又該如何根據拉曼光譜反推出它的濃度？這也是該團隊的後續研究重點。
參考資料：
1.Chen, W., Gui, J., Weng, X.et al. Mechanochemical activation of 2D MnPS3 for sub-attomolar sensing.Nat Commun15, 10195 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54608-0
排版：溪樹
