红外光谱被称为分子的指纹

每一种物质都具有特异的红外吸收光谱

无论是检测食物中有没有添加剂

还是确定皮肤的健康状况

又或者是鉴定宝石的真伪

红外光谱都能够起到快速无损检测的作用

红外光谱学是通过中红外光谱与化学物质中的共价键发生相互作用来达到检测物质成分的目的。由于主要的功能团和分子骨架的振动波长在2.5到20微米左右，因此这个频段也被称为官能团区和分子指纹区。然而，在这个波段中光的波长远大于化学键的尺寸，导致了很弱的光与物质相互作用。

等离激元“拉满”红外光谱“技能”

为了增强化学分子红外吸收峰，等离激元表面增强红外吸收（SEIRA, surface-enhanced infrared absorption）是一种常用的红外增强技术。由于金属与电场的强耦合作用，等离激元结构可以将光场聚集在亚波长范围内，将局域场的强度提升数个量级。然而由于等离激元结构的尺寸通常只有亚微米甚至纳米量级，需要高精度的光刻甚至电子束光刻技术，这两种制造技术都需要几百万甚至上千万的设备，导致样品面积小且造价昂贵，阻碍了SEIRA衬底的实际应用。

▲ 图1 SEIRA衬底的制备流程及对十八硫醇单分子层的检测

针对这一技术瓶颈，浙江大学ZJUI胡欢研究员与微纳电子学院徐杨教授、光电学院马云贵教授合作带领团队研发出一种大规模低成本的制造方法，并采用了更加高效的垂直耦合纳米结构。该工作近日在国际知名传感器类期刊《Sensors and Actuators B: Chemical 》（中科院一区杂志，影响因子9.221）发表。文章第一作者为ZJUI博士生吴少雄， 唯一通讯作者为胡欢研究员。（原文链接请点击文末“阅读原文”获取）

该工作引入了一个垂直耦合的等离激元纳米光腔，这种结构具有高均匀性且易于大规模制备。通过纳米小球光刻方法，能够低成本的制备四英寸硅片尺寸的样品。通过调节纳米小球的尺寸，能改变等离激元结构的共振频率，使得SEIRA衬底的频段能够覆盖整个功能团区和分子指纹区。进一步优化调节等离激元结构的耦合深度，局域光场的强度能够增强接近800倍。实验证明，通过这种等离激元纳米腔的增强，能够实现对十八硫醇单分子层的探测，吸收增强系数能提升2100倍。

▲ 图2 金属纳米粒子增强纳米腔的局域电场

自组装金属纳米粒子聚集“光热”

该研究的另一个创新点在于在垂直耦合的纳米腔中引入了自组装的金属纳米粒子。仿真结果显示，这些密集分布在纳米腔壁上的金属纳米粒子能够更大程度地聚集光场，每一个纳米粒子都是一个新的“热点”源。这些密集分布的“热点”极大的提高了纳米腔中的平均电场强度，使得十八硫醇单分子层的吸收强度能够达到1.45%。

▲ 图3 SEIRA和平面金衬底对十八硫醇单分子层检测的对比

该研究充分发挥大面积衬底的优势，将光场面积提升到1平方毫米。在这种条件下，十八硫醇单分子中极小量的甲基CH3-键也能被探测到。实验结果表明，该SEIRA衬底的浓度检测极限能够达到10 nM，相比平面金衬底提升了四个数量级。在未来的研究中，只需要对SEIRA衬底进行适当的表面化学修饰，就有望用于生物目标检测，如病毒、生物标记蛋白和外泌体等，在疾病检测、环境检测领域有很强应用潜力。目前，该技术也已申请国家发明专利，具备广阔的产业化应用前景。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0925400523002757