中科院上海硅酸盐研究所---电荷转移共振和电磁增强协同使MXenes具有优异的SERS灵敏度用于SARS-CoV-2 S蛋白检测
2019年新型冠状病毒的爆发严重威胁着人类健康。快速灵敏地检测SARSCoV-2 病毒有助于控制病毒的传播。然而，由于其灵敏度差，将基于半导体的基板应用于病毒SERS检测是一项艰巨的挑战。因此，寻找具有优异SERS灵敏度的新型半导体基底是值得的。在此，我们首次报告了Nb2C和Ta2C MXenes 表现出优异的SERS性能，这是由电荷转移共振增强和电磁增强协同实现的。在532 nm的最佳共振激发波长下，它们的SERS灵敏度优化到3.0×106和1.4 ×106。此外，卓越的SERS敏感性赋予Ta2C MXenes 灵敏检测和准确识别SARS-CoV-2 S蛋白的能力。此外，其检测限低至5×10−9 M，有利于实现新型冠状病毒的实时监测和预警。这项研究不仅为探索其他新型SERS活性半导体基材料提供了有益的理论指导，而且 SERS技术的实际应用提供了潜在的候选者。
Figure 1. (a)分子4-MBA、MeB、MV和复合物Nb₂C-4-MBA、Ta₂C-4-MBA、Nb₂C-MeB、Ta₂C-MeB、Nb₂C-MV、Ta₂C-MV的静态拉曼光谱。A、B、C拉曼位移下计算拉曼模型的(b) Nb₂C-4-MBA、Nb₂C-MeB、Nb₂C-MV和(c) Ta₂C基复合物的拉曼增强倍数比较。(d) 分子4-MBA, MeB, MV，以及这些分子分别吸附在Nb₂C和Ta₂C簇上的计算极化率。(e) 4-MBA、MeB、MV分子、Nb₂C-4-MBA、Nb₂C-MeB、Nb₂C-MV、Ta₂C-4-MBA、Ta₂C-MeB、Ta₂C-MV复合物的能级分布和HOMO/LUMO图。
Figure 2. (a) MXene (Ti₃C₂, Nb₂C和Ta₂C)电场强度分布模拟模型。(b) MXene (Ti₃C₂, Nb₂C和Ta₂C)的模拟电场强度分布及相应的SERS增强因子。颜色条代表电场强度。
Figure 3. (a) 通过两步剥离工艺合成Nb₂C和Ta₂C纳米片的示意图。(b) Nb₂AlC (1)和Ta₂AlC (3)体结构的SEM图像，Nb₂AlC (2)和Ta₂AlC (4)体结构的TEM图像和相应的SAED图。(c) Nb₂C和(d) Ta₂C的SEM图像(1)、TEM图像(2)、HRTEM图片(3)和相应的SAED模式(4)。(e) 分层d-Nb₂C (1)和d-Ta₂C (3)的扫描电镜图像，TEM图像和相应的SAED模式。
Figure 4. (a) 以Nb₂C/Ta₂C NSs为底物在532 nm激发激光下对MeB和MV分子进行拉曼散射的拉曼原理图。在532、633和785 nm不同波长激光激发下，(b) Nb₂C NSs衬底上的10⁻⁵ M MeB和(e) Ta₂C NSs衬底上的10⁻⁵ M MV的拉曼光谱。(c) Nb₂C NSs和(f) Ta₂C NSs衬底在532 nm激发下对10⁻⁵ M 4-MBA，MeB，MV的拉曼光谱。(d) 从Nb₂C NSs基底上选取20个点采集10⁻⁵ M MeB的拉曼信号和对应的1617 cm⁻¹的拉曼mapping图像。
Figure 5. (a) 10⁻⁶，10⁻⁷，10⁻⁸ M三种不同浓度的MeB在Nb₂C NSs底物上的拉曼光谱。(b) Nb₂C NSs基底上10⁻⁵和10⁻⁶ M MV的拉曼光谱。(c) Ta₂C NSs衬底上10⁻⁵和10⁻⁶ M MeB的拉曼光谱。(d) 10⁻⁵，10⁻⁶，10⁻⁷ M三种浓度下的MV在Ta₂C NSs底物上的拉曼光谱。
Figure 6. (a) 633 nm激发激光下SARS-CoV-2 S蛋白的Ta₂C NSs拉曼散射图。(b)10⁻⁹ M SARS-CoV-2 S蛋白在532 nm、633 nm和785 nm不同激光波长激发下的Ta₂C NSs底物的拉曼光谱。(c) Phe、Trp、Tyr氨基酸分子及其对应的Ta₂C-氨基酸分子复合物的静态拉曼光谱，以及SARS-CoV-2 S蛋白在Ta₂C NSs上的实验拉曼光谱。(d) SARS-CoV-2 S蛋白在Ta₂C NSs和Au NPS底物上的拉曼光谱。(e)九种计算的拉曼模型中Ta₂C -氨基酸分子复合物的拉曼增强倍数。(f) Phe、Trp、Tyr等氨基酸分子及其对应的Ta₂C-氨基酸分子配合物的计算极化率。
相关研究成果由中国科学院上海硅酸盐研究所Yong Yang课题组于2021年发表在《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。