Fund Project:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 22004016) and the Fundamental Research Funds for the Central Universities, China (Grant Nos. 2242021R41069, 2242021R10100).
Received Date:01 September 2020
Accepted Date:21 January 2021
Available Online:24 June 2021
Published Online:05 July 2021
Abstract:Single-molecule detection (SMD), which represents the detection limit in molecular spectroscopy, has opened a new research realm in the fields of catalysis, DNA sequencing and protein analysis. Meanwhile, it provides new insights into the understanding of the molecule behaviors in a complex system. Specifically, SMD enables the quantitatively identifying of molecules accurate to single digit, provides the molecular distribution state under specific environments, and permits the in-situ observation of signal fluctuations of a single-molecule under chemical stimulus. Single-molecule surface-enhanced Raman spectroscopy (SM-SERS) is a new subject in SMD which features specific recognition of molecules by identifying the molecular chemical bonds. It is a non-destructive technology which reflects the vibration energy and rotational energy information of molecules. This technique employs metallic nanostructures to form surface plasmon resonances (SRP) under external excitation. The SPRs generate strong local electromagnetic fields ("hot spots") around metal surface to amplify the Raman signal of probe molecules in the vicinity of plasmonic materials. The giant field enhancement endows SERS superior sensitivity in trace molecule detection down to a single-molecule level. The SM-SERS offers a facile method to track the evolution of a single molecule, revealing the reaction pathways, adsorption state and distributions, and charge exchanges between the molecule and surrounding environment. Though SM-SERS has been proposed more than 20 years ago, the acquisition of SM-SERS spectra remains a bottleneck in this field due to the disability in judging the origins of these spectra. On the other hand, the lack of knowledge in analyzing SM-SERS spectra also limits the development of SM-SERS as the origins of molecule behavior at a micro level is basically unknown to the public. This review paper covers the development of SM-SERS, the past and current methods of verifying SM-SERS including the non-statistical and the bi-analyte statistical methods, the investigation into the understanding of the fluctuation characteristics of SM-SERS, as well as the related mechanisms with regard to the unique phenomena in SM-SERS such as molecule diffusion, spectral blinking and broadening. We hope this review can help the readers to relate the characteristics in SM-SERS with the origins of molecular variations during the detection, in this way to get a clear and in-depth understanding of the roadmap for SM-SERS. Keywords:single-molecule detection/ surface-enhanced Raman spectroscopy/ surface plasmon/ bi-analyte
其中, ωR和ω0分别表示单个分子偶极子的振荡频率以及激发光的频率, $ {{\alpha }}' $表示拉曼张量, G(Ω)是拉曼张量$ {{\alpha }}' $经变换后的旋转矩阵, Ω是探针分子的取向, rm表示分子与“热点”中心处O (电磁场最强的区域)的距离. 为了更好的理解分子漂移产生的SERS强度波动, 我们用图6来解释这一原因. 当单个分子吸附在热点区域内, 分子发生横向漂移(rm变化)使分子位置发生几个纳米的变化从而导致分子SERS强度发生几个量级的变化. 图 6 单个分子在热点区域内发生漂移示意图, 其中Eλ是入射光的电场, $ {{K}}' $表示波矢, O是“热点”中心 Figure6. The schematic diagram of the diffusion of a single-molecule in the hot spot area. Where Eλ is the electric field of the incident light, $ {{K}}' $ is the wave vector and O is the "hot spots" center.
Stranahan等[58]结合超分辨成像技术在银二聚体中绘制出SERS质心的二维分布图以及每个质心位置处的平均SERS强度. 研究人员发现质心的运动是金属表面单分子发生横向漂移所导致的, 并证明了单个Rh6G分子随着时间的变化在热点内外发生漂移, 如图7所示. 随后该课题组利用SM-SERS同位素标记的分析物超分辨率成像揭示了SERS发射质心和相应强度之间的空间关系, 并以此说明了纳米颗粒表面上的分子运动行为[71]. 该实验结果有助于追踪单个分子在SERS活性纳米颗粒表面上的运动, 并且能够绘制出图像说明纳米颗粒是如何实现局域电磁场增强的. 此外, 吸附在热点附近分子的取向Ω发生变化(定向漂移)也会影响光谱的波动. 因为分子的吸附方式可能是平躺、倾斜或垂直于金属表面, 在这种情况下分子的偶极矩方向可能会表现出与热点中电磁场的极化方向不一致的情况, 这种差异在SM-SERS光谱中可以明显被观察到. Marshall等[72]基于实验测量和模拟计算证明该研究中所制备的银纳米球腔体具有SM-SERS检测能力, 并发现来自纳米间隙的SM-SERS信号强烈依赖于分子取向. 在单分子体系中, 分析物的随机取向不再是许多分子的平均, 因此必须考虑分子拉曼活性偶极矩相对于增强电场极化的方向. 结合密度函数理论计算结果与光谱实验, 作者确定了等离激元纳米间隙中分子的取向分布情况, 如图8所示. 这种在单分子水平上对分子取向的研究和确认对于分子电子器件方面的研究具有重要借鉴意义. 该研究团队随后继续在这一纳米系统中研究了单分子级别共轭聚合物分子的取向分布情况[73]. 结合理论计算和SM-SERS光谱数据得出共轭聚合物分子链相对于金属表面更容易呈现平行吸附模式. 该实验为理解共轭聚合物在金属表面的取向分布, 优化共轭聚合物器件(如: 有机发光二极管等电子器件)提供了可靠的实验支撑. 图 7 单个分子漂移行为的探究[58] (a) SERS质心位置在二维空间中出现的次数(右边色条代表事件次数); (b) 在每个质心位置测得的平均SERS强度, 其中纳米粒子发射质心设置为(0, 0); (c) SRER质心的位置和强度随时间发生变化, 这表明单个探针分子在热点附近发生漂移 Figure7. Study on the diffusion behavior of a single molecule[58]: (a) The number the SERS centroid position that appears in two-dimensional space during the detection (the right color bar represents the number of events); (b) the average SERS intensity measured at each centroid, where the emission centroid of nanoparticles is set to (0, 0); (c) the intensity and position of SERS centroid change with time, which indicates that single molecule wanders around the hot spots.
图 8 SM-SERS中分子不同取向对光谱产生波动影响[72] (a) 银纳米腔体结构示意图; (b) 光谱1—3表示纳米间隙中不同取向分子的SM-SERS信号, 光谱4表示高浓度普通SERS光谱; (c) Rh6G分子的结构以及不同场方向在分子α-γ和α-β平面上的投影 Figure8. The effects of molecular orientations on spectrum fluctuations in SM-SERS[72]: (a) Schematic diagram of silver nanocavity structure; (b) spectrum 1–3 is SM-SERS signals of molecules with different orientations in the nan-gap, and spectrum 4 is the SERS spectrum of high concentration molecules; (c) the chemical structure of Rh6G molecule and the projection of different field directions on the α-γ and α-β planes of this molecule.
SM-SERS的另一个重要应用在于对催化反应内在机理的研究, 催化反应涉及复杂的反应步骤和多样的中间产物, 实验中往往只能观察到最终产物或几种重要的中间产物, 而对大多数的中间过程无法进行系统地研究. SM-SERS技术可以对化学反应过程进行实时监测, 能够对反应过程的中间产物结构及反应步骤进行化学反应动力学分析, 有助于研究人员从微观状态研究和认识化学反应的本质. 但是在实际操作中, 对于给定的SM-SERS轨迹中的单个事件, 研究人员无法确定该事件是由化学反应引起的还是因为单个分子发生漂移或者其他非反应过程所导致. 基于此, Choi等[65]通过在“银纳米球-金膜”结构的纳米间隙中吸附4-NTP分子对这一问题进行了研究, 如图9所示. 在波长为633 nm的激发条件下, 作者观察到了随时间变化并且具有阶跃特征的SERS光谱, 并认为这些光谱的阶跃信号对应于单个分子在热点处发生的化学反应事件. 由于单个分子在热点中发生漂移时只涉及物理变化而与化学反应无关, 因此光谱的阶跃频率f与分子的衰减速率常数kNBT之间不存在线性关系. 然而, 作者在该实验中发现4-NTP分子的衰减速率常数kNBT与光谱的阶跃频率f呈明显的线性依赖关系, 如图9(d)所示. 因此, 作者认为实验中观察到的光谱波动现象是由化学反应所导致, 从而排除了分子发生漂移的可能性. 图 9 (a)“银纳米球-金膜”纳米腔体结构用于SERS测量及纳米腔暗场散射光谱[65]; (b) 催化反应生成中间产物的间歇性光谱特征轨迹[65]; (c) 在开(红)和关(蓝)期间从图9(b)中取样的SERS光谱, 两者光谱的差异(橙)及其协方差矩阵VX = 1364 cm–1分量(绿). 在1160, 1314, 1364 cm–1处出现间歇性SERS峰归因于中间产物羟胺基苯硫醇分子的拉曼峰[65]; (d)光谱的上升沿阶跃频率fup(左)和下降沿阶跃频率fdown(右)与4-NTP分子的衰减速率常数kNBT之间的关系[65] Figure9. (a) The “silver nanosphere-gold film” nanocavity structure in SERS measurement[65] (This figure contains chemical structures of NBT and DMAB molecules, as well as the dark field scattering spectrum of a single nanostructure cavity); (b) the trace of the intermittent spectral characteristics of intermediates generated by catalytic reaction[65]; (c) SERS spectra sampled from Fig. 9(b) during on (red) and off (blue), the differences between the two spectra (orange) and the VX = 1364 cm–1 component (green) of the covariance matrix. The intermittent SERS peaks at 1160, 1314 and 1364 cm–1 are attributed to the Raman peaks of the intermediate product hydroxyl aminobenzenethiol[65]; (d) the relationship between the spectral step-up frequency fup (left) and step-down frequency fdown (right) and the decay rate constant kNBT of 4-NTP molecule[65].
一般在采集SM-SERS光谱时会发现探针的拉曼信号在某个波数处发生波动, 该现象被称为闪烁, 它是SM-SERS中光谱信号发生“开-关”循环并且可以持续几毫秒甚至几分钟的一种实验现象. 通常认为分子发生漂移是SM-SERS发生闪烁的根本来源. 当金属纳米结构的形貌、颗粒之间的间距及激发波长等外在实验条件确定后, 衬底的热点强度和分布不会发生明显地变化, 但是处在热点中的单个分子会在热点内外产生漂移, 导致该单个分子经历不同强度的电磁场(几个数量级的变化)[22], 这是SM-SERS中闪烁现象的根本原因. 随着SM-SERS研究进一步的深入, 有研究表明温度升高产生的热效应[74-77]、电荷转移[61,67]及其他因素[61,78]也是诱导单分子闪烁的原因. 下面将对SM-SERS闪烁背后的基本理论和相关工作做具体讨论. 单分子光谱波动的实验现象一直存在. 在光谱测量过程中, 不管是拉曼信号还是荧光光谱信号都会出现这样的情况. 为了更清晰地揭示该现象背后的物理机制, Haran工作组[78]在银纳米晶体上吸附Rh6G分子, 并在532 nm光源的激发下观察到了单个Rh6G分子在数秒级的时间尺度上发生了闪烁现象, 如图10所示. 作者研究了不同条件下单个Rh6G分子的SERS光谱动力学, 并进行了统计分析. 研究发现, 单个Rh6G分子的SERS信号随时间波动的尺度取决于激光的功率(非光热)和电解质的浓度. 随着激光功率的提高, 光谱波动尺度增大. 作者认为其主要原因是由金属与吸附分子之间的电荷转移所导致的. 此外, 另一种解释是由于分子在金属表面运动所致. 而这种运动可能是源于单个分子与金属表面发生了“脱吸-再吸附”的现象. 然而, 随着胶体中盐溶液浓度的增加, 胶体颗粒周围双层的静电势发生变化, 影响金属表面的局域功函数(局域电荷密度), 从而导致SM-SERS的光谱波动被强烈抑制. 该工作为后续研究SM-SERS中的闪烁现象提供了理论依据. 图 10 SM-SERS的闪烁现象[78]: 单个Rh6G分子SERS信号随时间变化的轨迹图, 其中在波数614 cm–1和774 cm–1处发生明显的光谱波动 Figure10. The Blinking phenomenon in SM-SERS [78]: The time-dependent trajectories of SERS signal of a single Rh6G molecule. Obvious spectral fluctuations are observed at 614 cm–1 and 774 cm–1.
Maruyama等[76]通过实验证明了温度升高产生的热活化效应会导致SERS光谱产生闪烁现象. 实验发现SM-SERS光谱闪烁现象与温度有关. 当温度变化时, 研究者观察到了拉曼光谱闪烁现象的发生-抑制-复现. 考虑到热效应可能对金属纳米颗粒形貌有影响, 作者通过改变激光功率及在高温环境中退火1 h后, 发现金属的形貌没有发生明显的变化, 排除了局域电场变化对探针分子信号的影响. 因此, 作者认为温度升高产生的热效应导致单分子拉曼信号发生闪烁现象. 这可能是由于Ag表面等离激元热效应提供了足够大的热能克服了分子的扩散势垒, 使得分子能够在金属表面发生漂移. 随后聂书明课题组[61]也研究了SM-SERS中闪烁的现象, 提出闪烁是由单个分子在纳米颗粒表面上的热活化扩散引起的, 并认为激光的功率、波长、光诱导的电子转移及表面活性位的结构弛豫可能是导致闪烁的原因. 最近, Lindquist[79]等通过快速成像技术发现金属纳米结构表面的原子扩散引起热点变化也是导致SM-SERS发生闪烁现象的一个原因. 研究人员利用一种捕获率为800000帧/s并且空间分辨率为7 nm的成像技术对银纳米壳层表面单个分子的拉曼光谱进行探测, 如图11所示. 实验发现在金属表面被化学键固定的分子的SERS光谱信号以一定的速度在发生波动. 作者通过进一步的观察和研究推断出金属表面银原子的重构驱动热点产生移动是导致SERS波动的原因, 其模拟分析结果与推断结论几乎一致. 图 11 高速SERS信号采集和超分辨率成像[79] (a) SM-SERS放大后的两个波动图, 每个持续约0.3 ms, 相距61 ms; (b)光电探测器上接收到两个易于区分的光谱波动事件成像; (c)在纳米粒子的空间位置上绘制的三个光谱波动轨迹 Figure11. High-speed SERS acquisition and super-resolution SERS imaging[79]: (a) Each of two amplified wave patterns of SM-SER spectra lasted for about 0.3 ms and separated by 61 ms; (b) images of spectral fluctuation events; (a) three spectral wave trajectories on the spatial position of nanoparticles.
在拉曼光谱中可以观察到均匀展宽和非均匀展宽的现象, 前者源于分子内的非谐相互作用, 这是单分子振动的一个基本特性, 而后者则代表了分子在样品中不同位置中的变化[21]. 在收集SM-SERS光谱时, 研究者发现这些单个分子的光谱拟合成平均光谱后, 光谱呈现出不对称的洛伦兹曲线, 这种现象叫做SM-SERS光谱的不均匀展宽现象. 另外, 随着温度的升高SM-SERS光谱的谱宽表现出增大趋势, 该现象称之为SM-SERS光谱的均匀展宽. 在SM-SERS中, 分子间的相互作用及分子与周围环境的相互作用都会导致光谱出现展宽现象. Etchegoion等[62]在低温环境下, 利用高分辨光栅(2400 mm–1)观察了尼罗蓝分子和罗丹明800分子分别在590 cm–1和2226 cm–1处的不均匀展宽现象, 如图12(a)和12(b)所示. 作者拟合了大量的单分子光谱后发现, 与正常的多分子光谱相比, 拟合的平均光谱呈现出不对称分布的现象. 作者认为不均匀的展宽是由于分子间的相互作用或分子在底物上的相互作用引起的, 并且单个分子光谱之间拉曼峰的频率差异是导致非均匀展宽的主要原因. 此外, 作者从分子与基底的相互作用, 同位素效应, 还有仪器方面解释和讨论了单分子光谱频率发生移动的可能来源. 研究结果表明同位素位效应、光谱仪响应不完全是频率漂移的主要原因. 对同一分子不同峰的不均匀展宽进行数据统计分析将有助于揭示和理解分子与周围环境相互作用的具体行为细节. 随后该课题组[21]又研究了温度变化对单个尼罗蓝分子拉曼增强光谱在590 cm–1处的均匀展宽现象的影响. 随着温度的升高单分子光谱的半高宽发生均匀展宽现象(半高宽大约从0.9 cm–1增加到2.7 cm–1附近), 如图12(c). 作者认为随着温度升高光谱出现均匀加宽的现象是由于分子与基底银声子发生非简谐耦合所导致. 研究SM-SERS的光谱展宽现象, 有助于进一步了解分子与其周围环境的相互作用(分子之间或分子与基底之间)及温度等外在因素对分子自身行为的影响. 图 12 SM-SERS光谱的展宽现象 (a)单个尼罗蓝染料分子在590 cm–1能量振动处的不均匀展宽现象[62]; (b)单个罗丹明800分子在2226 cm–1能量振动处的不均匀展宽现象[62]; (c) SM-SERS事件中单个尼罗蓝分子在590 cm–1处光谱的半高宽(Γ)与温度(T)之间的关系, 表明随着温度T升高SM-SERS光谱发生均匀展宽[21] Figure12. Broadening of SM-SERS spectrum: (a) Inhomogeneous broadening of a single Nile Blue dye molecule at 590 cm–1 energy vibration[62]; (b) inhomogeneous broadening of a single Rhodamine 800 molecule at 2226 cm–1 energy vibration[62]; (c) the relationship between the FWHM (Γ) of a single Nile Blue molecule indifferent SM-SERS events at 590 cm–1 with increasing temperature T. The result indicates that the SM-SERS spectrum broadens uniformly with the increase of temperature (T)[21].