2024年7月10日，北京航空航天大学郭林教授及合作者，在Chem期刊上发表了一篇题为“Atomically-thin Ag nanosheets for single-molecule SERS detection of BPF”的研究成果。

该团队采用配体限域策略成功制备了厚度仅为0.58 nm的非晶态Ag纳米片，揭示了基于量子限域效应的SERS增强机制，以该纳米片作为SERS基底，实现了双酚F的单分子检测（检测限为10^-17 M）。

量子限域效应在纳米材料领域中具有重要的意义，尤其是当二维材料在减薄至原子尺度时，其相对于块体材料表现出显著不同的电子结构和物化特性，在光学、电学、催化等领域具有潜在的应用。然而不同于石墨烯、MXene等本征具有层状结构的二维材料，金属材料倾向于形成紧密堆积的三维结构，如何可控制备超薄二维金属材料一直是纳米合成领域的难点。

在这项工作中，研究组采用了原子尺度配体限域合成策略，通过构建配体分子间的非共价相互作用，形成限域空间，成功制备了厚度仅为0.58 nm的非晶态Ag纳米片（图1）。光谱研究进一步证实，Ag纳米片表面存在羧酸配体，这些配体不仅有效降低了二维Ag纳米片的表面能，还可诱导形成层状超结构，从而提升结构稳定性。X射线吸收近边结构（XANES）、X射线光电子能谱（XPS）和紫外光电子能谱（UPS）等表征结果表明，非晶态Ag纳米片中Ag元素处于金属态，且电子向配体发生了转移。

双酚类化合物作为聚碳酸酯等高分子材料的生产中间体，其内分泌干扰毒性对胎儿和婴儿健康有潜在危害。因此，对其痕量和快速检测具有重要的意义。郭林教授团队以该非晶态Ag纳米片作为基底，成功实现了双酚F（BPF）分子的单分子水平快速检测，其最低检测限可达到10^-17 M（图2）。进一步，对其SERS增强机制进行深入的分析。电子态模拟计算结果表明，原子级厚度的Ag纳米片由于量子限域效应导致了电子能级的劈裂，与紫外可见吸收光谱中宽化的表面等离子体共振（SPR）峰相匹配；该分裂能级改变了电磁波和基底的交互作用方式，在Ag平整表面诱导产生“热点”区域；相邻Ag纳米片的热点进一步耦合，最终实现了强电磁场增强效应；此外，原子级厚度非晶态纳米片与BPF分子之间发生了显著的静态和动态电荷转移，促进了基底和探针分子之间的能级耦合，实现了化学增强（图3）。

图1：原子级厚度Ag纳米片的合成和表征。

图2：以原子级厚度Ag纳米片为基底对BPF进行SERS检测。

图3：基于量子限域效应的物理化学协同SERS增强机制。

该研究工作拓展了原子级厚度二维金属材料的合成方法学，揭示了量子限域效应在表面增强拉曼光谱中的物理/化学协同增强机制，为原子级厚度二维金属材料的可控合成、结构调控和构效关系研究提供了借鉴。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.06.020