本科生就能在顶刊发表共同一作论文，放在全世界范围内恐怕都并非一种常见现象。而在前不久，佛山大学陈文骏教授和自己的本科学生桂佳宝，分别以第一作者和共同一作身份，发表了一篇Nature子刊论文。
研究中，该课题组提出一种机械-化学活化策略，并以二维硫代亚磷酸锰为基础，设计制造了一种无等离激元表面增强拉曼散射传感器。
使用这种策略的时候，首先要通过在二维硫代亚磷酸锰表面构建褶皱结构，以便大幅增强光与物质之间的相互作用。随后通过氨基等化学基团修饰方法，来显著提高传感器与待检测分子之间的电荷转移效率。
在这两种方法的协同作用之下，可以极大提升表面增强拉曼散射传感器的性能。实验结果显示：在本次机械-化学活化策略的帮助之下，能够针对生物化学分子实现浓度低至 10-19 M（亚阿摩尔级）的探测极限。
基于这一成果该团队已经提交多项国家发明专利申请，其中两项在提交申请两个月左右就已得到授权，这证明本次技术具有较好的实用价值。
在应用前景上：
其一，鉴于表面增强拉曼散射传感器具有良好的柔性，因此可以直接贴附在表面规则或表面不规则的蔬菜和水果上，利用拉曼光谱仪针对农残物进行高精度的快速检测。
其二，对于食品发酵后所产生的危害物质以及对于水体或水产品中存在的危害物质，表面增强拉曼散射技术均有望用对其进行检测。
在论文中，课题组介绍了一种名为亚甲基蓝分子的待检测物，它其实是一种水产养殖中常用的鱼药。不过，过量的亚甲基蓝会对鱼类产生毒性，人类在食用这种鱼之后也会受到健康危害。
而表面增强拉曼散射传感器也能针对水生物中的亚甲基蓝含量进行检测，这说明该传感器在食品安全和环境监测领域极具潜力。
其三，该团队目前正与医学领域的合作者探讨将表面增强拉曼散射传感器用于氨基酸快速检测的可能性，以期将其用于辅助医学诊断和治疗。
设计二维材料基的无等离激元表面增强拉曼散射传感器
据陈文骏介绍，量子信息科学技术的进步，推动了纳米科学和纳米技术的发展。而二维材料具有高活性的边界、原子缺陷和等离激元边缘，通过引入新奇的物理性质和化学性质，其能为量子信息科学的研究提供新平台。
在本次研究之中，该团队主要关注的是：
首先，量子特性能够赋予二维材料以超高的光-物质相互作用效率，并已于近期被用于单声子发射。
其次，在具有量子效应的二维材料体系中，存在着电荷转移和电荷交叉，这让其有望用于量子传感。
对于这两个优势来说，它们恰好符合二维材料基的无等离激元表面增强拉曼散射传感器的设计理念。
陈文骏表示，无等离激元表面增强拉曼散射技术具备高稳定性、高生物兼容性以及高痕量检测能力，在医学诊断、生物监测和残留物检测等领域极具应用前景。
此前，针对基于二维材料的无等离激元表面增强拉曼散射传感器检测性能进行优化时，要么利用调控二维材料的化学组分和相的方法，要么利用构筑异质结构的方法。
同时，表面增强拉曼散射传感器的制备过程非常复杂，检测灵敏度也比较低，这极大限制了它们的实际应用。
另外，人们常常使用能带理论来解释表面增强拉曼散射传感器的工作机制，但这只考虑了二维材料和待检测物之间的相互作用，以至于忽视了光-物质耦合作用对于表面增强拉曼散射性能的影响。
基于此，在二维材料的量子性质的启发之下，该团队尝试从不同角度出发，来设计二维材料基的无等离激元表面增强拉曼散射传感器，并希望针对其检测性能加以优化。
重拾被遗忘在角落里的材料
研究中，课题组所使用的硫代亚磷酸锰是较早之前合成的。合成之后，他们将其存放在真空状态的石英管里。
启动本次研究之后，他们通过查阅文献得知二维硫代亚磷酸锰中的边缘和缺陷，具有很高的活性和等离激元效应。同时，硫代亚磷酸锰也是一种能被用于光催化的材料。
于是，他们想到了这份被遗忘在角落里的材料，并决定将其作为构筑无等离激元表面增强拉曼散射基底的材料。
随后他们把石英管敲碎，通过微机械剥离法获得二维状态的硫代亚磷酸锰，通过对其进行表征和测试，初步明确它能够适用于表面增强拉曼散射基底的制备。
在提高表面增强拉曼散射的性能时，此前要么是使用调控二维材料化学成分的方法，要么是使用其它材料来构筑异质结。但是，对于提高二维硫代亚磷酸锰的性能来说，之前已有学者使用过这种方法。
那么，二维硫代亚磷酸锰的性能是否还有提升的空间？陈文骏表示，对于表面增强拉曼散射效应来说，这是一个由光、待检测分子、表面增强拉曼散射三者之间相互作用的结果。
而之前在无等离激元表面增强拉曼散射基底的研究中，人们更加关注表面增强拉曼散射基底和待检测分子二者之间的相互作用。
那么，是否可以从光的角度出发，通过提高光-物质作用，来优化二维硫代亚磷酸锰的表面增强拉曼散射性能？
这时，受到另一篇前人论文的启发，他们了解到通过在二维材料中构筑悬空的、具有应变梯度的褶皱结构，能够增强光与物质之间的相互作用。
而此前陈文骏在读博期间，主要研究的便是二维材料的褶皱结构，因此操作起来非常得心应手。
实验结果也证明：在二维硫代亚磷酸锰褶皱区域之中，待检测分子的拉曼特征峰的强度是平面区域的数倍，探测极限也能降低四个数量级，其性能也略优于其它文献报道的表面增强拉曼散射基底。
“本以为研究进行到这里，即将进入数据整理和论文撰写的阶段，没想到通过一次讨论又让我们有了新的突破。”陈文骏说。
对于白酒和酱油等日常饮品和日常调料来说，它们都是通过发酵方式制备而来的食物。而当陈文骏等人和食品工程领域的学者进行讨论之后，双方决定探索表面增强拉曼散射传感器能否用于检测上述食物中的有害残留物。
讨论之后，上述合作者给陈文骏提供了一些待检测物，这些待检测物中含有组胺和酪胺的化学物质。
针对组胺和酪胺开展实验时，他们并没有重新制备表面增强拉曼散射基底，而是使用一个已经吸附过低浓度亚甲基蓝分子的表面增强拉曼散射基底（这意味着无法检测到任何亚甲基蓝分子的拉曼信号），然后再用其吸附高浓度的组胺分子，借此观察能否检测到组胺分子的拉曼特征峰。
实验结果令人非常惊讶：所收集到的拉曼信号完全属于亚甲基蓝分子，也就是说他们没有收集到任何组胺分子的信号。
“那么，这个现象是偶然发生的吗？亦或是人为操作错误导致的吗？为此，我们又开展了一系列的实验。”陈文骏说。
借此发现：当使用组胺或酪胺等含有氨基的分子，针对二维硫代亚磷酸锰进行化学修饰之后，能够显著提升二维硫代亚磷酸锰的表面增强拉曼散射性能，从而能让表面增强拉曼散射传感器的探测极限达到亚阿摩尔级。
至此，本次研究正式划上句号，他们终于可以进入数据整理和论文撰写的最后步骤。
最终，相关论文以《二维硫代亚磷酸锰的机械化学活化用于亚阿摩尔传感》（Mechanochemical activation of 2D MnPS3 for sub-attomolar sensing）为题发在Nature Communications[1]。
陈文骏是第一作者兼共同通讯，佛山大学本科生桂佳宝是共同一作。
佛山大学的滕长久教授和赵仕龙教授、中国科学院院士&中科院深圳先进院碳中和所所长&深圳理工大学材能学院荣誉院长兼讲席教授成会明担任共同通讯作者。
本科生的天马行空
陈文骏表示：“这是我第一次带着本科生从事科研工作。相比而言本科生的研究履历更少，因此带本科生去发现问题和设计实验，既充满挑战又富有意义。”
作为一名本科生，桂佳宝有时会有一些天马行空的想法，而这也会反过来启发陈文骏。
“这种感觉非常奇妙。当然，由于实验失败或阶段性成果并未受到重视，桂佳宝也会产生挫败感，甚至会对课题意义产生怀疑。这也让我意识到作为一名导师，还要学会引导学生正确看待失败并找到克服困难的方法。”陈文骏补充称。
未来：
首先，课题组希望厘清本次新方法和新现象的背后机制。尽管该团队已经揭示了如下规律：即机械-化学活化方法之所以能提高无等离激元表面增强拉曼散射性能，是基于褶皱结构增强光-物质作用以及基于氨基化学修饰促进电荷转移的机制。但是，课题组仍然需要继续进行更加深入的研究。
比如，不同褶皱结构的特征形貌如何影响表面增强拉曼散射性能？光-物质作用如何进行定量以及如何与其性能进行关联？该方法是否适用于其它二维材料、修饰基团和待探测物？
只有将这些问题都加以逐一解决，才能进一步揭开这种新技术的神秘面纱，从而建立更完备的理论体系以及丰富它的普适性。
其次，课题组希望使用表面增强拉曼散射技术解决一些实际问题，以及拓展表面增强拉曼散射技术的应用领域。
在生物医学、食品安全和环境监测等领域，表面增强拉曼散射技术都具有重大的应用价值。
然而在这些应用场景之中，待检测分子所存在的环境较为复杂，因此必须通过一些化学手段或生物学手段将待检测分子提取出来后再进行检测，故面临着较大的时间成本。
基于此，他们后续将研究如何通过机械-化学活化方法来实现小分子在复杂系统中的快速检测。
再次，如何通过提取拉曼光谱的信息，以便针对未知含量或未知浓度的待检测分子进行定量，是领域之内亟待解决的难题。
举例来说：假如有一瓶浓度为 10-19 M 的亚甲基蓝溶液，如能使用表面增强拉曼散射技术进行检测，这只能证明该技术具备很高的检测精度，即具有检测超低浓度分子的能力。
但是，假如有一瓶浓度待定的亚甲基蓝溶液，当使用表面增强拉曼散射技术测到拉曼光谱之后，又该如何根据拉曼光谱反推出它的浓度？这也是该团队的后续研究重点。
参考资料：
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：溪树