摘要
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种非常强大的分子识别工具，但它基本上仅限于贵金属（金、银、铜）基底。虽然半导体材料作为SERS基底将极大地拓宽该技术的应用范围，但其检测灵敏度一直远不如贵金属，增强因子非常有限。本文报道了使用非化学计量的氧化钨纳米结构（海胆状W₁₈O₄₉纳米线）作为基底材料，以增强基底-分析物分子间的相互作用，从而实现拉曼光谱信号的显著放大。表面氧空位的富集能带来额外的增强。检测限低至10⁻⁷ M，最大增强因子为3.4 × 10⁵。据我们所知，这是半导体材料中最高的灵敏度，甚至可与没有"热点"的贵金属相媲美。
引言部分
表面增强拉曼散射（SERS）效应是一种表面敏感技术，其特征是吸附在特定表面（如粗糙金属）上的分子的拉曼强度相比于溶液中或气相中相同数量的非吸附分子有数量级的增加[1]。这种增强的灵敏度使其成为化学和生物分析物鉴定以及其他众多领域（如电化学、表面科学、催化、化学和生物分子传感等）中最强大的分析工具之一[2]。
虽然增强效应的确切机制仍在争论中，但两种被广泛接受的理论被用来解释这一现象。主要的是电磁机制，它预测当激发发生在基底材料的局域表面等离子体共振（LSPR）内时，电场会被放大，增强因子（EF）可达10⁶量级。这种由等离子体耦合引起的局域场增强被称为电磁"热点"。另一种是化学机制，提出在化学吸附的物质和基底材料之间形成电荷转移复合物，当激发频率与电荷转移跃迁共振时获得增强，EF约为10-100。
SERS实验基本上由粗糙金属表面（尤其是贵金属和碱金属，如Au、Ag、Cu）上的吸附物主导，因为它们的等离子体共振频率位于拉曼光谱常用的激发波长范围内。然而，相邻金属纳米粒子的精确可调位置是产生强等离子体耦合的关键因素，而制造具有高密度"热点"以实现高增强的完美等离子体纳米结构通常需要精细的步骤和高昂的成本。此外，贵金属通常表现出较差的稳定性和生物相容性。因此，寻找替代材料作为SERS基底成为一个紧迫的任务。
一些半导体材料已被证明具有拉曼增强效应，例如InAs/GaAs量子点[3]、CuTe纳米晶[4]、Cu₂O纳米球[5]和TiO₂纳米结构[6]，其中半导体-分析物界面的电荷转移在拉曼散射增强中起主要作用。TiO₂ SERS基底不仅提供生物相容性，而且还对环境pH或温度变化具有更高的化学和机械稳定性[7]。有效利用半导体SERS活性基底将极大地扩展SERS在许多领域的应用，例如直接监测单个纳米颗粒上的界面化学反应[8]。然而，无金属SERS活性基底的一个显著问题是其EF通常相当低，一般在10¹⁰范围内，远不足以应用于生物和生物医学分析与诊断。因此，寻找高效的半导体SERS基底材料并获得与贵金属相当的EF是一项艰巨的挑战。
基底材料的表面状态及其与分析物分子的相互作用是SERS效应的关键。在调节半导体氧化物材料的表面状态的众多方法中，调控氧 deficiency代表了一种主要策略，并且可能是一种实现与贵金属相当的高灵敏度的有效且简单的方法。氧化钨材料是一种传统的半导体，因其独特的物理和化学性质而备受关注，使其成为光催化剂、气体传感器和电化学器件等广泛领域的有效候选材料[9-14]。重要的是，通过还原和形成各种类型的缺陷结构，可以获得富化学计量比组成（WO₃₋ₓ）的丰富相，如WO₂.₇₂ (W₁₈O₄₉)、WO₂.₈ (W₂O₁₄)、WO₂.₉₂ (W₂₅O₇)等[15-17]，这使得该系统成为研究空位或缺陷对SERS现象影响的理想平台。其中，具有最大空位浓度的WO₂.₇₂ (W₁₈O₄₉)已被报道为唯一能以纯形式分离的氧化物，它含有混合价态的钨离子[18]。
本文中，我们首次使用含有空位的W₁₈O₄₉作为基底材料，在功能丰富的氧化钨材料上实现了极大的SERS增强效应，并且通过制造表面缺陷进一步提高了增强效果。其SERS EF高达3.4 × 10⁵，比以前报道的大多数其他半导体SERS活性基底的值高100-100,000倍，甚至可与没有"热点"的贵金属相媲美。
结果与讨论
- 样品表征
W₁₈O₄₉是通过先前报道的方法合成的，即在乙醇中溶解WCl₆，然后在180°C下水热反应24小时[13]。如图1a所示，通过X射线衍射（XRD）表征验证了样品的物相和纯度。水热合成的样品结晶为单斜相W₁₈O₄₉（P2/m，JCPDS No. 84-1516）。作为对比研究，通过在空气中退火W₁₈O₄₉样品获得了WO₃。转化的WO₃也具有高纯度，所有衍射峰与化学计量的单斜相WO₃完美匹配。
为了获得关于样品内在性质的更多信息，收集了两个样品的紫外-可见吸收光谱（图1b）。与通常在氧化钨材料中观察到的吸收到500 nm不同，W₁₈O₄₉样品在吸收边表现出明显的蓝移。此外，在可见光和近红外区域的吸收边之外观察到一个吸收尾，直至测量极限800 nm，这可以被认为与自由电子和/或氧 deficiency诱导的小极化子密切相关[15]，这为合成的W₁₈O₄₉样品含有大量氧空位提供了明确的证据。
通过扫描电子显微镜（SEM）观察样品的形貌，结果表明生长的W₁₈O₄₉样品由细长的纳米线组成（图1c）。这些纳米线相互缠绕，呈现出多刺的、球形和海胆状的形貌。对单根纳米线的高分辨透射电子显微镜（HRTEM）显示了清晰的晶格条纹，归属于单斜W₁₈O₄₉的（010）面，晶面间距约为0.38 nm（图1c插图），这无疑表明纳米线优先沿[010]方向生长，与XRD观察结果高度一致。在空气中退火氧化成WO₃后，形貌变得无特征，呈现出数微米的不规则颗粒（图1d）。
图1 | W₁₈O₄₉和退火后WO₃样品的表征
(a)
所制备W₁₈O₄₉样品和退火后WO₃的XRD图谱，所有衍射峰均可完美指标化；
(b)
W₁₈O₄₉样品和退火后WO₃的紫外-可见吸收光谱对比，显示出蓝移和吸收边之外的明显吸收尾，这可能源于氧空位的存在；
(c,d)
分别为W₁₈O₄₉和WO₃样品的SEM图像。图c插图：单根纳米线的HRTEM图像，显示了0.38 nm的清晰晶格条纹，表明纳米线沿[010]方向生长。
W₁₈O₄₉的缺陷结构如图2所示。WO₃的晶体结构由共顶角的WO₆八面体层组成，这些层在[010]方向上具有有限的、特征性的宽度。八面体之间相互连接，形成通道。相比之下，WO₃还原为W₁₈O₄₉导致ReO₃型结构发生变化，钨五边形柱的形成引起了额外的六边形通道的产生[19]。氧缺陷的存在可能丰富半导体的表面态，并增强吸附剂与吸附物之间的相互作用亲和力，为拉曼信号的增强提供了可能。
图2 | WO₃和W₁₈O₄₉沿[010]方向的投影结构示意
(a)
晶体WO₃结构由无限延伸的共顶角WO₆八面体层堆叠而成；
(b)
而W₁₈O₄₉结构中的缺陷导致了六边形通道的形成。
- W₁₈O₄₉样品的拉曼增强效应
使用激光染料罗丹明6G（R6G）作为拉曼探针分子来研究材料的拉曼增强行为，其分子结构见图3a插图。图3a显示了在沉积有W₁₈O₄₉纳米线、退火WO₃以及裸SiO₂/Si的基底上，激发波长为532.8 nm时，R6G（10⁻⁶ M）的拉曼光谱。在裸SiO₂/Si基底和WO₃上，除了荧光背景外，没有观察到与R6G分子相关的清晰信号，而在W₁₈O₄₉上观察到了显著的拉曼增强，清晰检测到了R6G的四个特征带，中心分别在612、773、1360和1650 cm⁻¹，命名为P1、P2、P3和P4。这表明W₁₈O₄₉可以作为SERS活性基底。在没有探针分子的情况下对裸W₁₈O₄₉进行的拉曼表征只显示了与O-W-O弯曲和W-O伸缩模式相关的信号，进一步确认P1-P4带源自R6G分子。
收集了四个不同R6G浓度（10⁻⁴、10⁻⁵、10⁻⁶和10⁻⁷ M）下的拉曼光谱，结果显示即使在10⁻⁷ M的极稀溶液中仍能获得可检测的信号（图3b）。因此，W₁₈O₄₉材料的检测限可确定为10⁻⁷ M。
选择两个特征带P1和P3来计算EF（基于与裸基底上拉曼强度的放大倍数）。图3c显示了EF随R6G浓度（C_R6G）的变化关系。显然，在每个浓度下，P1带的增强更大。在R6G浓度为10⁻⁶ M时，P1带的EF高达1.9 × 10⁵，比以前报道的大多数其他半导体SERS活性基底的值高出约100-10,000倍。此外，不同振动带的选择性增强表明，W₁₈O₄₉样品上的SERS在很大程度上取决于R6G分子在W₁₈O₄₉表面上不同的结合方式和几何构型，这是化学增强机制的特征。
图3 | SERS性质
(a)
在沉积有W₁₈O₄₉样品、WO₃和裸SiO₂/Si基底上，R6G（10⁻⁶ M）的拉曼光谱对比。插图：R6G的分子结构。
(b)
W₁₈O₄₉在四种不同浓度（10⁻⁴、10⁻⁵、10⁻⁶和10⁻⁷ M）下的拉曼光谱，表明检测限低至10⁻⁷ M（插图：为10⁻⁷ M放大的y轴尺度）。
©
EF随R6G浓度（对数坐标）变化的统计图。拉曼增强通常随着浓度降低而增加，且不同带发生选择性增强。
- 表面空位相关的拉曼增强
为了确认氧空位在SERS中的作用，通过在Ar/H₂气氛中退火W₁₈O₄₉样品[25]来人为地制造额外的表面空位。在300°C处理1小时后，W₁₈O₄₉的结晶相和海胆状形貌依然保持良好（图4a）。
使用X射线光电子能谱（XPS）检查表面状态，图4b显示了原始W₁₈O₄₉和Ar/H₂处理样品W4f核心能级的光谱。所有样品的W4f核心能级光谱都可以解卷积为三个双峰（W⁶⁺, W⁵⁺, W⁴⁺）。拟合分析发现，原始W₁₈O₄₉中W⁶⁺、W⁵⁺和W⁴⁺的原子百分比分别为54.1、30.4和15.5%。相比之下，对于Ar和H₂热处理样品，W⁵⁺的百分比分别增加到35.4%和47.5%，W⁴⁺的百分比分别增加到21.4%和13.9%。还原态钨（W⁴⁺和W⁵⁺）百分比的增加，可能与伴随电荷补偿电子的带正电氧空位的产生有关[27]。随着氧空位的增加，可见光和近红外区域的吸收尾强度增加，样品颜色从原始W₁₈O₄₉的淡蓝色变为经Ar和H₂处理后样品的青色和深蓝色，证实了所检测样品中氧 deficiency的增加。
图5a给出了两种处理样品在R6G浓度为1×10⁻⁶ M时的拉曼光谱。与原始W₁₈O₄₉样品相比，Ar和H₂处理的样品均显示出R6G分子的四个特征峰，且未检测到新峰或特征峰的明显位移，表明氧空位的变化没有诱导R6G与基底之间化学键的形成或消失。值得注意的是，与原始W₁₈O₄₉样品相比，Ar和H₂处理的样品表现出一定程度的拉曼强度进一步增加，证实了氧空位有助于提高拉曼检测灵敏度。三个样品四个特征带的拉曼强度总结在图5b中，增强顺序为：H₂处理的W₁₈O₄₉ > Ar处理的W₁₈O₄₉ > 原始W₁₈O₄₉。H₂处理的W₁₈O₄₉的P1带表现出最大的增强，其EF评估为3.4 × 10⁵。如此高的EF在半导体材料中很少见，甚至可与没有热点的贵金属相媲美。
图4 | 表面空位调制
(a)
Ar/H₂处理后W₁₈O₄₉样品的SEM图像，保持了海胆状形貌。
(b)
原始及Ar/H₂处理W₁₈O₄₉样品的W4f XPS谱图，显示了还原态钨（W⁵⁺和W⁴⁺）比例的增加。
图5 | 氧空位对SERS增强的影响
(a)
R6G (10⁻⁶ M)在原始、Ar处理和H₂处理的W₁₈O₄₉基底上的拉曼光谱。
(b)
三个样品四个特征拉曼带（P1-P4）的强度对比。增强顺序为：H₂处理 > Ar处理 > 原始W₁₈O₄₉。
为了研究氧化钨材料与吸附分子之间的相互作用，收集了沉积在W₁₈O₄₉上的R6G分子的紫外-可见光谱，并与纯R6G和纯W₁₈O₄₉的光谱进行比较，如图6a所示。杂化物的光谱出现了一个新带，其光学吸收起始于约580 nm。该带位于W₁₈O₄₉的带间跃迁吸收边（420 nm）和R6G染料的光吸收阈值（670 nm）之间，为R6G和W₁₈O₄₉材料之间的有效电荷转移提供了明确证据。在W₁₈O₄₉上观察到的高拉曼增强可能基于吸附物-半导体系统中的电荷转移机制。
此外，氧空位在丰富半导体表面态方面可能发挥着不可替代的作用，为吸附剂-吸附物相互作用提供增强的亲和力。通过涉及化学增强机制中电荷转移的过程，这导致吸附在半导体基底表面的探针分子的拉曼信号进一步增强。如图6b所示，R6G的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）能级分别为-5.70 eV和-3.40 eV[29]。半导体W₁₈O₄₉的价带（VB）和导带（CB）分别位于-7.71 eV和-5.11 eV[30]，与氧空位相关的电子态（V₀）位于CB底以下约0.5-1.0 eV处[31]。可以预期，在532 nm激发下，我们的W₁₈O₄₉-R6G体系中的总拉曼增强可能与几种热力学上可行的电荷转移共振贡献有关，包括R6G的分子共振、W₁₈O₄₉缺陷态的激子共振、光子诱导电荷转移共振以及W₁₈O₄₉与R6G分子之间匹配能级产生的基态电荷转移共振。这些共振将导致拉曼散射截面的放大。
实际上，源于半导体晶格中氧空位的缺陷态|V⟩，除了半导体的导带态|S⟩和价带态|S′⟩之外，通过与分子基态|I⟩和分子激发态|K⟩的振动耦合，对分子极化率张量有着至关重要的贡献。理论表明，与无缺陷的对应物相比，在富含缺陷的半导体-分子体系中存在额外的共振贡献。当这些预测的共振多重重合时，预期会产生大的EF。因此，观察到的高SERS增强表明，调控半导体基底的表面空位是设计具有高SERS增强的分子-半导体体系的一种简单而有效的手段。
图6 | 电荷转移机制示意图
(a)
纯R6G、纯W₁₈O₄₉以及沉积在W₁₈O₄₉上的R6G的紫外-可见吸收光谱。杂化物的光谱在~580 nm处出现了一个新带，表明存在电荷转移。
(b)
R6G分子与W₁₈O₄₉之间电荷转移过程的能级示意图。图中展示了分子共振(μ_mol)、缺陷态激子共振(μ_ex)、光子诱导电荷转移(μ_PICT)和基态电荷转移(μ_GSCT)的可能路径。
讨论
总之，我们以非化学计量的氧化钨W₁₈O₄₉为例，成功制备了具有高灵敏检测性能的无金属SERS基底，其检测限低至10⁻⁷ M，EF高达3.4 × 10⁵，这在半导体材料中是一项杰出的成果，甚至可与没有"热点"的贵金属相媲美。氧空位在放大探针分子的光谱特征中起着关键作用，因为WO₃仅给出极弱的信号。此外，通过在惰性或还原性气氛（Ar/H₂）中退火基底材料来人为制造氧 deficiency，带来了进一步的拉曼增强，这提供了明确的证据，即无论是本征的还是后制造的氧空位，都有助于放大拉曼信号。半导体材料上极高的SERS灵敏度可能归因于氧 deficiency（无论是本征的还是表面上的）的存在，以及通过振动耦合增强的与探针分子的相互作用。这些观察结果为未来设计高效半导体SERS基底的策略提供了重要线索，并可能在材料科学和化学领域带来重要的基础性进展。
方法摘要
合成
：通过将WCl₆溶解在乙醇中，在180°C下水热反应12小时，在Si/SiO₂基底上生长出海胆状W₁₈O₄₉纳米线。通过在500°C空气中退火1小时获得WO₃。
调制表面空位
：通过在300°C的Ar/H₂气氛中退火1小时来调节表面氧空位状态。
拉曼测量
：使用R6G作为探针分子，浓度范围从10⁻⁴到10⁻⁷ M。激发波长为532.8 nm，激光功率0.3 mW，光斑直径1 μm，采集时间30秒，累积3次。
结论
本研究首次展示了通过制造氧空位，使半导体金属氧化物（W₁₈O₄₉）获得了可与贵金属相媲美的SERS增强效应，为开发低成本、高稳定性、高灵敏度的无金属SERS基底开辟了新途径。
DOI: 10.1038/ncomms8800
