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有机半导体也能实现高SERS活性

( 2017-09-10 )

SERS(表面增强拉曼光谱)作为一种超高灵敏度、超快速的无损检测光谱技术,在食品安全、环境监测等痕量有毒有害物质检测领域发挥越来越多的作用。

 

众所周知,SERS增强机理主要分为两种。一种是电磁场增强机理,依靠纳米结构的金、银、铜等金属的局域表面等离子共振实现拉曼信号的增强。另一种是化学增强机理,依靠增强基底与分子间的电荷转移实现拉曼信号的增强。

 


图1. 增强机理

Zhongqun Tian et al. Nanostructure-based plasmonenhanced Raman spectroscopy for surface analysis of materials. Nature Reviews Materials 2016.


目前而言,大部分SERS检测体系还是以电磁场增强机理为主,需要设计具有不同形貌和尺寸的币族金属纳米结构。如何开发不需要金属的高活性SERS基底材料,则成了一项更为艰巨的任务。

 

有鉴于此,George C. Schatz, Antonio Facchetti, Hakan Usta, Gokhan Demirel等人合作开发了一种具有高SERS活性的有机半导体材料。

 


图2. 纳米结构的DFH-4T薄膜

 

研究人员通过气相沉积技术,利用一种π-共轭的有机半导体α,ω-diperfluorohexylquaterthiophene (DFH-4T),设计制备了一种类似常春藤的超疏水纳米结构薄膜。这种不含金属的有机半导体分子薄膜对亚甲基蓝可以实现3.4×103的拉满信号增强。

 


图3. 纳米结构DFH-4T薄膜的SERS增强

 


图4. 纳米结构DH-4T薄膜的SERS增强

 

量子力学计算和对比实验表明,π-共轭的核心氟碳取代以及独特的DFH-4T薄膜形貌对SERS增强起到主导作用。

 

   进一步,研究人员在DFH-4T薄膜表面涂覆一层金膜,实现了1010左右的增强系数,可以检测到<10-21摩尔级别的待测物。



图5. Au@ DFH-4T薄膜的SERS增强


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