上海硅酸鹽所設(shè)計能檢測痕量生物染料分子的新型半導(dǎo)體材料

　　3月15日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員楊勇、黃政仁、劉建軍等完成的研究論文Niobium pentoxide: a promising surface-enhanced Raman scattering active semiconductor substrate 在研究所與自然出版集團(tuán)合作創(chuàng)辦的npj Computational Materials英文刊上發(fā)表(npj Computational Materials, 3:11 (2017)）。他們報道了一種能檢測痕量生物染料分子的新型半導(dǎo)體材料。

　　粗糙襯底上的納米尺寸效應(yīng)能增加光場，利用這種增強(qiáng)的光學(xué)信號來檢測特定分子的技術(shù)叫表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)。但之前只有少數(shù)幾種貴金屬材料，如金、銀等，才能將信號強(qiáng)度提高到實(shí)用水平。該論文作者發(fā)現(xiàn)Nb2O5可以顯著增強(qiáng)生物醫(yī)藥領(lǐng)域染料分子的拉曼信號，高靈敏檢測亞甲基藍(lán)、甲基紫以及甲基藍(lán)等染料分子。在633和780 nm光激發(fā)下，對亞甲基藍(lán)染料檢測時，其拉曼信號增強(qiáng)了107倍以上，可與具有“熱點(diǎn)效應(yīng)”的金屬納米結(jié)構(gòu)相媲美，染料分子檢測下限可達(dá)10-6mol/L，是目前發(fā)現(xiàn)的靈敏度最高的SERS半導(dǎo)體襯底材料。通過密度泛函理論和有限元計算表明，Nb2O5如此之高的SERS活性，可歸因于光誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移的化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制和電磁場增強(qiáng)機(jī)制的協(xié)同作用。在分子Nb2O5體系中，Nb2O5和表面吸附的染料分子共同產(chǎn)生了新的分子最高占據(jù)軌道和最低未占據(jù)軌道，因此在長波長的激發(fā)光下，電子仍能夠輕易躍遷。除此之外，電磁增強(qiáng)也為增強(qiáng)因子貢獻(xiàn)了兩個數(shù)量級。該研究表明，Nb2O5納米粒子作為一種新型半導(dǎo)體SERS材料，有望取代貴金屬在生物相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮巨大的應(yīng)用潛力。

　　npj Computational Materials 英文刊關(guān)注于計算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的研究結(jié)果，發(fā)表計算預(yù)測-試驗(yàn)驗(yàn)證、計算指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、計算與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合以及運(yùn)用計算理論或模型解釋新材料性能與機(jī)制等方面的研究工作。該刊首次發(fā)表的這一成果，以發(fā)現(xiàn)Nb2O5半導(dǎo)體襯底材料具有最高的SERS靈敏度為實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，從計算模擬的角度對該材料所具有的優(yōu)異性能做出了理論上的解釋。上海硅酸鹽所研究成果中有諸多新材料、新性能的重要發(fā)現(xiàn)，通過與理論、計算方法的結(jié)合，能夠?qū)π虏牧辖Y(jié)構(gòu)與性能的認(rèn)識更加深入，將能極大地深化原有成果的意義。

Nb2O5納米粒子的XRD圖譜、透射與高分辨形貌，及選取電子衍射圖 

純Nb2O5粉末、吸附甲基藍(lán)的Nb2O5粉末和MeB水溶液的紫外-可見光吸收光譜(a)，及他們的分子軌道(b~d)