Charge-Transfer Resonance and Electromagnetic Enhancement Synergistically Enabling MXenes with Excellent SERS Sensitivity for SARS-CoV-2 S Protein Detection

Yusi Peng, Chenglong Lin, Li Long, Tanemura Masaki, Mao Tang, Lili Yang, Jianjun Liu, Zhengren Huang, Zhiyuan Li, Xiaoying Luo, John R. Lombardi, Yong Yang*

Nano-Micro Letters (2021)13: 52

https://doi.org/10.1007/s40820-020-00565-4

本文亮点

1. 首次报道了Nb₂C和Ta₂C MXenes具有优异的SERS性能，其SERS增强因子能分别达到3.0×10⁶和1.4×10⁶，这是源于光诱导电荷转移共振增强和电磁增强的协同作用。

2. 基于Ta₂C MXene优异的SERS灵敏度，完成了新冠病毒S蛋白的SERS检测和其拉曼峰的准确识别，这有利于实现新冠病毒的实时监测和早期预警。

内容简介

表面增强拉曼散射(SERS)作为一种强大的光谱检测技术，在化学和生物分析领域引起了广泛的关注。因其高灵敏度、无损、痕量、实时快速检测等优点有望发展成一种实用的检测技术，尤其是在病毒检测、生物传感领域有着广阔的应用前景。一直以来，病毒传染严重威胁着人类健康，特别是2019年12月由新型冠状病毒引起的新冠肺炎(COVID-19)大爆发。不少国家已经报告了在污染水体中检测出了新冠病毒，并指出污染水体中病毒的检测有望揭示冠状病毒感染的真实规模，从而有效控制新冠病毒的传播。因此，对患者体液或污染水体中的新冠病毒进行灵敏检测和准确识别，是完成病毒实时监测和预警的关键。中国科学院上海硅酸盐研究所杨勇及黄政仁团队，基于MXenes材料的大比表面积、高载流子迁移率、费米能级处的高电子态密度和Nb⁵⁺和Ta⁵⁺的多配位阳离子较多的核外激发态电子在SERS领域的优势，发掘了Nb₂C和Ta₂C MXene新型SERS活性材料。通过理论模拟，预测了Nb₂C和Ta₂C MXene衬底由于电荷转移共振增强和电磁增强协同作用有望表现出优异的SERS活性，并且其最佳共振激发波长都预测为532 nm。在理论预测结果的指导下，首次报道了Nb₂C和Ta₂C MXenes具有优异的SERS灵敏度，其SERS增强因子被成功优化达到3.0×10⁶和1.4×10⁶。特别是Nb₂C对MeB分子的检出限低至10⁻⁸ M，在目前已报道的532 nm激光激发的纯MXene衬底中表现优异。并且得益于MXene材料优异的SERS灵敏度，该团队完成了对新冠病毒S蛋白的灵敏检测和拉曼峰的准确识别，其检出限可低至5×10⁻⁹ mol/L，这对于基于SERS技术的新型冠状病毒的实时监测和预警具有重要意义。

图文导读

I SERS活性的理论预测

近年来的研究表明，二维材料基SERS衬底的拉曼增强作用的机理主要表现为CM化学增强机制，CM决定了SERS的分子选择性和振动选择性。本文通过计算静态拉曼光谱、电荷差分布和分子轨道来表征CM对SERS活性的贡献。分子吸附在Nb₂C和Ta₂C团簇上可以形成过渡金属原子和非金属原子的化学键，作为电荷转移通道，促进分子和MXene团簇周围电子云的重新分布。因此当分子吸收在Nb₂C和Ta₂C簇上时，它们的HOMO-LUMO能隙显著减小到2.16 eV和2.35 eV，对应与532 nm的最佳共振激发波长。基于时域有限差分(FDTD)求解，计算了电磁场分布以表征EM对SERS活性的贡献。明显地, 在环形堆叠纳米片的边缘可以观察到强增强电场，其在XY截面上最强的电场增强因子存在如下关系:Ti₃C₂<Nb₂C<Ta₂C。综上所述，Nb₂C和Ta₂C MXene底物由于在最佳共振激发波长532 nm处的光诱导电荷转移共振增强和电磁增强的协同贡献而表现出优异的SERS活性。

图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。

图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。

II Nb₂C/Ta₂C MXenes的制备与表征

在本工作中，为了保证Nb₂C和Ta₂C MXenes的P63/mmc空间群，采用HF蚀刻Al原子和四丙基氢氧化铵(TPAOH)嵌套溶出的方法，实现了2D MXene纳米片的合成。SEM图像显示了典型的Nb₂C和Ta₂C MXenes的层状结构，其中几个剥离的纳米薄片堆叠成块状。此外，TEM图像也显示了层状结构的形成，尽管厚度相当大。多层Nb₂C和Ta₂C MXenes的HRTEM图像显示了清晰的晶格，对应于六边形结构的(100)面和(004)面，平面间距分别为0.269 nm和0.356 nm。为了促进电荷转移，增加探针分子的吸附量，采用TPAOH化学溶出法增加MXene纳米片的比表面积。TPAOH化学剥离后，Nb₂C和Ta₂C的SEM图像显示层间距离明显增大的层状形貌。此外, 与剥离之前的MXene材料相比，TEM图像也显示电子透明的薄片状结构和厚度。与TPAOH化学剥离前的SAED图像不同的是剥离后的SAED图像由于不同取向纳米片的叠加，有形成多晶衍射环的趋向。

图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。

III Nb₂C/Ta₂C MXenes SERS活性的实验探究

在理论计算的指导下研究了Nb₂C和Ta₂C MXenes的SERS性能。首先, 为了验证Nb₂C MXene对MeB分子和Ta₂C MXene对MV分子在最佳共振激发波长辐下的更高的SERS灵敏度, 本工作研究了分子在MXene衬底上受不同激发波长532，633和785 nm辐射的拉曼增强效果。结果发现，Nb₂C MXene衬底上的MeB分子和Ta₂C MXene衬底上的MV分子在532 nm的激发激光下的拉曼增强效果明显强于另外两个激发波段(633和785 nm)的激发，这与理论预测结果一致。Nb₂C MXene底物对MeB分子表现出更强的SERS增强，而Ta₂C-MV络合物的拉曼强度明显高于其他两个分子。这一结论与静态拉曼光谱的计算结果一致。另外，根据Nb₂C MXene衬底上10⁻⁵ M MeB分子在1617 cm⁻1处的拉曼mapping图，其相对标准差(RSD)为6.0%，表明分子拉曼信号的增强效果具有良好的均匀性。

图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。

IV Nb₂C/Ta₂C MXenes SERS灵敏度的实验探究

为了探究MXene底物的SERS灵敏度，本工作检测了不同浓度的探针分子吸附到底物上后的拉曼光谱。对于MeB分子，即使将摩尔浓度稀释到10⁻⁸ M，吸附在Nb₂C MXene底物上仍能检测到微弱的拉曼信号。当MV溶液浓度稀释至10⁻⁷ M时，吸附在Ta₂C MXene底物上，拉曼信号得到极大增强。在532 nm激光激发下, 10⁻⁷ M MeB和10⁻⁶ M MV分子在Nb₂C MXene衬底上的SERS增强因子EFs为3.0×10⁶和1.5×10⁵。对于Ta₂C MXene底物，10⁻⁶ M MeB和10⁻⁷ M MV的SERS增强因子分别为3.8×10⁵和1.4×10⁶。此外，一个令人惊讶的结果是MV在Ta₂C MXene和MeB在Nb₂C MXene衬底上都拥有较低的检出限10⁻⁷ M和10⁻⁸ M, 在目前已报道的SERS活性半导体衬底中处于较优异的水平，展现了实际应用的潜力。此外，本工作也是首次报道Nb₂C和Ta₂C MXene底物表现出优异的SERS灵敏度。

图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。

V SARS-CoV-2 S蛋白的SERS检测

得益于Nb₂C和Ta₂C MXenes优异的SERS灵敏度，不仅可以应用于水环境中有机污染物的检测，还可以考虑用于病毒颗粒的快速检测。如图6a所示，将稀释后的SARS-CoV-2 S蛋白分子吸附在Nb₂C和Ta₂C MXenes上进行拉曼检测。然而，由于Nb₂C和Ta₂C MXenes底物对分子的SERS增强作用的选择性，Ta₂C MXene对SARS-CoV-2 S蛋白的SERS增强更为优异。并且其检出限低至5×10⁻⁹ mol/L，有利于通过SERS技术检测SARS-CoV-2 S蛋白来控制新型冠状病毒在环境中的传播。为了更准确地识别Ta₂C MXene底物上的SARS-CoV-2 S蛋白的拉曼峰，本工作以Au纳米颗粒底物上的SARS-CoV-2 S蛋白的拉曼光谱作为参考。分析结果表明，Ta₂C MXene底物和金纳米颗粒上的SARS-CoV-2 S蛋白的拉曼峰可以完全匹配。然而，由于SERS增强机制的不同以及两个SERS衬底之间电荷转移量的不同，会导致一些拉曼峰发生位移。拉曼振型分析结果表明，SARS-CoV-2 S蛋白拉曼峰的显著增强主要归因于Tyr、Trp和Phe三种氨基酸的拉曼振动模式。此外，从SARS-CoV-2 S蛋白基因序列中氨基酸的数量可以看出，Tyr、Trp和Phe 3个氨基酸含量较为丰富。因此，可以通过DFT计算氨基酸及其对应的Ta₂C-氨基酸配合物的静态拉曼光谱和极化率来验证拉曼峰的振动模式，并分析Ta₂C MXene对Phe、Trp、Tyr等氨基酸的SERS增强效应。从静态拉曼光谱(图6d)可以看出，Ta₂C-Phe、Ta₂C -Trp、Ta₂C -Tyr配合物的拉曼振动模态完全匹配实验拉曼峰，从理论上验证了SARS-CoV-2 S蛋白拉曼峰识别的准确性。总之，利用Ta₂C MXene底物完成了对SARS-CoV-2 S蛋白的敏感检测和拉曼峰的准确识别，这对于基于SERS技术的新型冠状病毒的实时监测和预警具有重要意义。

图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。

作者简介

杨勇

本文通讯作者

中国科学院上海硅酸盐研究所 研究员

▍主要研究领域

(1)用于能源和环境的纳米材料与纳米传感器件：贵金属和半导体纳米材料和结构的设计和制备，纳米材料的光学和催化特性研究；(2)光学薄膜及其应用；(3)陶瓷及无机材料表面改性。

▍主要研究成果

迄今已在国内外学术刊物如Advanced Science, Nano Energy等刊物上发表SCI收录论文100多篇，受邀为3本外文书籍(英文和日文)各撰写一章。多次受邀参加国际学术会议作邀请报告，取得日本和中国多项授权专利。作为课题负责人承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等重大项目，以及中科院“杰出人才”计划和上海市浦江人才计划等项目。

▍Email: yangyong@mail.sic.ac.cn

▍个人主页

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撰稿：原文作者

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc)，包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、PubMed Central、DOAJ、CSCD、知网、万方、维普、超星等数据库收录。2020 JCR影响因子IF=16.419，在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前10%)。2020 CiteScore=15.9，材料学科领域排名第4 (4/123)。中科院期刊分区：材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820)，欢迎关注和投稿。