科學家新研發耐高壓固態納米材料

 SERS基底的制備工藝示意圖(a);和SERS增強機制(b)   海洋所供圖

 SERS基底的SEM圖像（表面銀納米顆粒分布形似七星瓢蟲背部圖案）  海洋所供圖

日前，中科院海洋研究所和中科院物理研究所合作，制備出類似七星瓢蟲斑點樣的銀納米顆粒的表面增強拉曼散射（SERS）基底。該基底在模擬高壓下實現了10-6 M 磷酸乙醇胺分子的檢測，具有良好的靈敏度和耐壓性，為未來深海原位檢測低濃度的微生物代謝產物提供了新手段。國際學術期刊《表面與界面》近日在線報道了這一最新成果。

據了解，由于深海環境極端復雜，深海原位探測一直面臨著巨大挑戰。海洋研究所研究組在之前的工作中，利用自主研發的深海拉曼探針系統，成功實現了各項原位檢測。原位檢測對象包括高達450℃的高溫熱液噴口流體溫度，如CO2、SO42-/HSO4-和H2的成分、礦物和上覆生物群落水的物理化學參數。

然而，研究組發現，仍然缺乏對深海原位一些大分子的相關檢測手段，尤其是深海極端環境下生存的各種微生物的相關代謝產物和中間體的檢測手段。同時，在國際上深海微生物細胞外代謝產物也無原位檢測方法，傳統的檢測方法，如測色法、液相色譜-質譜(LC-MS)和核磁共振(NMR)等，不能同時檢測多組分。并且，傳統的檢測方法耗時、成本高，而靈敏度低。激光拉曼檢測限只能達到毫摩爾級，嚴重阻礙了激光拉曼技術對低濃度深海微生物代謝產物或中間體的檢測。因此，深海細胞外代謝產物的原位探測十分困難，面臨巨大的挑戰。

表面增強拉曼散射(SERS)主要來源于貴金屬(銀、金)納米顆粒附近局部電磁場的增強，因此，它具有超靈敏、快速檢測微量分子的能力，檢測限可以達到納摩爾，甚至皮摩爾級。然而，目前廣泛應用的SERS基底大部分是液態溶膠材料，固態SERS基底也有易氧化，高壓易脫落的缺點，深海原位探測中無法應用。

鑒于此，研究團隊利用高溫退火工藝對鍍銀膜的石英進行熱處理，成功制備類似七星瓢蟲斑點樣的銀納米顆粒SERS基底材料，表現出良好的晶體取向，在11 MPa下實現10-6 M 磷酸乙醇胺的檢測。研發的SERS基底材料具有強抗氧化性，且可耐受深海高壓環境，保障了2022年南海冷泉生態系統原位探測航次的成功，在滿足深海原位探測需求的同時，也適用于極端工業環境的檢測。

研究得到了國家自然科學基金、中國科學院A類戰略性先導專項、中國科學院海洋大科學研究中心重點部署項目、泰山青年學者計劃等項目聯合資助和中科院物理所協同極端條件用戶設施(SECUF)的支持。