深大邵永红与张晗教授团队在Coordination Chemistry Reviews发表二维纳米材料的等离子传感应用综述论文
【成果简介】
近日，深圳大学副研究员周洁、博士后杨庭强（共同第一作者）和邵永红、张晗教授（共同通讯作者）在化学顶级刊物Coordination Chemistry Reviews（影响因子13.5，中科院JCR一区top期刊）上发表题为“Two-dimensional nanomaterial-based plasmonic sensing applications: Advances and challenges”的长篇综述。
表面等离子体激元(SPs)是由Stern和Ferrell于1960年命名的，特指在量子化能量(如光子、电子和声子)激发下材料表面电子的相干振荡。典型的SPs有两种形式:局域表面等离子体激元(LSPs)和表面等离子体激元(SPPs)，两者是等离子传感的基础。当等离子纳米材料受到波长大于纳米材料尺寸的电磁波(EM)辐射时，就引起电子在纳米材料表面的集体振荡。当表面电子的集体振荡与入射光的电场匹配时，会发生局域表面等离子体共振（LSPR）。此时，光能被纳米材料吸收，导致纳米材料表面的局部电磁场高度增强。 与LSPs不同，SPPs是指金属薄膜表面电子的传播振荡。当p偏振光以大于临界角的角度进入金属介质表面时，金属表面会发生全反射现象，产生倏逝波。金属表面的自由电子被倏逝波激发，形成表面等离子体波(SPW)。当入射光的波矢与SPW的波矢相匹配时会发生表面等离子体共振(Surface plasmon resonance, SPR)，反射光的强度大大降低。倏逝场的穿透深度通常为200nm，远大于LSPR的衰减距离。SPR和LSPR传感的基本原理在于等离子体共振条件对周围介质的折射率(RI)极为敏感。因此，当目标分析物的结合或解离导致折射率发生变化时，可以通过监测SPR和LSPR信号变化实现无标记的传感。
金属纳米颗粒(NPs)是目前研究最多的金属纳米材料，在可见光区具有明显的共振吸收带。金属NPs的共振吸收峰对周围介电环境的变化十分敏感。同时，LSPR引起的电磁场增强效应也可以引发表面增强拉曼散射(SERS)等光学现象。然而，金属NPs具有一些固有的缺点，如成本高、稳定性差、对生物分子的吸附能力差，阻碍了其在等离子传感中的应用。
近年来，二维纳米材料因其优异的物化性能引起研究者的关注，并将其应用于构建等离子传感器以解决金属NPs存在的问题。以石墨烯为例，其比表面积大的特性为分子间的相互作用提供了丰富的活性位点。此外，由于石墨烯具有良好的热稳定性和化学稳定性，还可以作为易氧化金属NPs的保护层。石墨烯良好的生物相容性也使其成为生物医学传感领域优异的候选材料。石墨烯的成功激发了研究者对其他类型二维纳米材料的探索,如过渡金属硫属化合物(TMDs)、 黑磷(BP)、过渡金属碳化物、氮化物、碳氮化物(MXene)、六角氮化硼(h-BN)、金属氧化物等等。他们被广泛应用于等离子传感领域。
【图文导读】
基于此，该综述论文分四大部分系统全面地介绍了二维纳米材料在等离子传感中的应用：
（1)二维纳米材料的结构和特性，如表1所示。
（2）二维纳米材料的合成和基于二维纳米材料的等离子传感器的制备。合成方法包括至下而上构建和至上而下构建，每种方法的优缺点如表2所示。制备方法包括将二维纳米材料沉积在基底材料上或在二维纳米材料上修饰金属纳米结构。
（3）二维纳米材料在等离子传感中的应用，包括LSPR传感、SPR传感和等离子体增强SERS传感，三个典型的示例如图1所示。
图1：（I）二维纳米材料在LSPR传感中的应用（II）二维纳米材料在SPR传感中的应用（III）二维纳米材料在SERS传感中的应用
（4）二维纳米材料在等离子传感中的应用所面临的挑战与机遇。
该综述文章第一作者是深圳大学副研究员周洁博士和博士后杨庭强，通讯作者为深圳大学物理与光电工程学院邵永红教授和二维材料光电科技联合实验室张晗特聘教授。深圳大学为第一作者单位和通讯作者单位。
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