实验室李志远教授团队：库仑力驱动 “分子-热点”自发配对赋能单分子拉曼光谱检测

单分子层面的分子探测与识别是分子科学、化学分析和生物医学领域长期追求的目标。由于拉曼散射本征截面极小，传统拉曼光谱难以实现单分子灵敏度。尽管表面增强拉曼散射技术（SERS）在一定程度上提升了信号强度，但热点分布随机、分子进入热点概率低以及荧光背景干扰等问题，严重制约了其在真实复杂体系中实现稳定、可重复的单分子检测与识别能力。

近日，华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室李志远教授团队，提出并实现了一种基于库仑吸引力驱动“分子-热点”自发配对机制的电磁-化学协同增强新型单分子表面增强拉曼光谱（SM-SERS）策略，实现了对多种分子的单个可视、逐个计数、精准鉴别，有望拓展拉曼光谱在分子科学、新材料、医学、药学、农学等领域前沿应用。

该研究围绕单分子拉曼光谱面临的三大核心难题——信号增强不足、分子-热点耦合随机性以及荧光背景干扰展开系统性突破。研究团队构建了一种由金纳米球颗粒-金镜等离激元纳米间隙与单层二维半导体材料（WS2）复合组成的单分子SERS检测基底，实现了电磁增强与化学增强在同一纳米腔内的协同增强。

在该体系中，金纳米间隙产生的强局域等离激元场可提供高达109–1011量级的电磁增强，而单层WS2通过其能带结构与分子轨道之间的电荷转移共振，进一步显著放大分子的有效拉曼极化率，从而引入额外4–5个数量级的化学增强。两种机制的协同作用，使整体拉曼增强因子达到~1014-1016量级，成功进入单分子水平检测区间。

更为关键的是，研究揭示了一种库仑吸引力驱动的分子-热点自发配对机制。实验表明，目标拉曼分子在WS2表面表现出正的表面电势，而金纳米球颗粒带负电荷，二者之间的静电吸引可诱导金纳米球颗粒自发、精准地落位到已吸附分子正上方，形成高度稳定的一对一分子-热点构型。这一机制从根本上解决了传统SERS中分子随机进入热点、概率极低的关键瓶颈，使得大面积、高均匀性的单分子拉曼活性位点成为可能。

图1 三种混合分子的SM-SERS拉曼检测与识别示意图

此外，研究采用785 nm近红外激光激发，可以有效抑制荧光背景信号的产生，同时在极低浓度（10-16 M）条件下仍可在50 ms内获得高信噪比的单分子拉曼指纹。借助该平台，研究团队不仅实现了罗丹明B、罗丹明6G和结晶紫等分子的单个可视和逐个计数，还首次在混合体系中完成了不同分子的快速区分与精准识别，达到了传统光学技术在分子混合物单分子检测方面的能力极限。该单分子SERS基底的发明有望为单分子在环境和外场变化下的物理和化学过程的超灵敏光学检测提供了前所未有的强有力技术手段。

相关研究成果以“CoulombAttraction Driven Spontaneous Molecule-Hotspot Pairing Enables Universal, Fast,and Large-Scale Uniform Single-Molecule Raman Spectroscopy”为题发表在Opto-Electronic Advances上，以“Seeing,Counting, Identifying,and Distinguishing Single Molecules from Their Mixturesvia Raman Spectroscopy”为题发表在Nano Letters上，其中通讯作者为华南理工大学李志远教授，第一作者为洪丽红博士后。该研究工作得到了国家自然科学基金（12434016），广东省科学技术项目（2020B010190001）等科研项目的资助。

原文链接：

https://doi.org/10.29026/oea.2025.240309

https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5c03057