大家好！今天来了解一种超灵敏红外光谱技术——《Ultrasensitive infrared spectroscopy via vibrational modulation of plasmonic scattering from a nanocavity》发表于《SCIENCE ADVANCES》，它为化学分析和生物传感领域带来了新的突破。这项技术基于纳米腔的等离子体散射振动调制，能够实现对痕量小分子的高灵敏度检测。

*本文只做阅读笔记分享*

一、研究背景

中红外光谱在生物学、有机化学和材料科学中具有重要意义，但传统的检测方法存在局限性。例如，基于碲镉汞探测器的傅里叶变换红外（FTIR）检测灵敏度受限，其聚焦光斑与化学键尺寸失配，且探测器量子效率较低。为提高检测效率，多种间接传感技术应运而生。像中红外光热（MIP）显微镜利用可见探针束研究红外吸收的热效应，实现了亚细胞尺度的化学成像，但仍受尺寸失配限制；原子力显微镜-红外（AFM-IR）光谱虽提高了灵敏度，却受限于成像深度；表面增强红外吸收（SEIRA）方法增强了红外场，但检测物种受限。而我们今天要介绍的技术旨在克服这些局限，进一步提升红外光谱的检测灵敏度。

二、技术原理

利用了等离子体纳米腔，它由金纳米膜、金纳米颗粒和纳米间隙内的分析物分子组成。分子化学键振动时，键长改变，同时红外吸收产生光热膨胀，这两者共同调节纳米间隙间距，进而调制等离子体散射。例如，根据旋转-振动耦合定理，分子振动时键长会发生变化。从模拟结果可以看到，纳米球-膜（NSoF）腔在可见和近红外区域有两个特征等离子体亮模式，其散射光谱对纳米颗粒与纳米膜间距极为敏感。当分子在纳米间隙中振动时，就可以通过检测特定可见探针波长下NPoF腔散射强度变化来获取分子振动信息。

三、实验结果

1、样品制备与系统搭建

制备了4-巯基甲基苯甲腈（4-MBN）和4-硝基苯硫醇（4-NBT）分子的自组装单层（SAM）于AuNSoF腔内。通过暗场散射光谱对NSoF腔进行表征，确定其散射峰位置。

MIP-PS系统为泵浦-探测系统，泵浦中红外脉冲与探针脉冲同步，从相邻红外开启和关闭帧的差值提取MIP-PS信号。

2、光谱检测与分析

实验中，中红外脉冲激发4-MBN分子的腈伸缩模式振动（如2200cm⁻¹处），改变了NSoF结构的等离子体散射光子分布。通过暗场散射图像减法，可以量化散射强度调制，进而分析MIP-PS光谱。4-MBN和4-NBT的MIP-PS光谱分别在特定波数处出现峰值，且与FTIR光谱相关峰位一致。同时，MIP-PS信号与红外脉冲宽度呈正线性关系，不同纳米腔信号变化源于几何参数和表面质量差异。

3、时间分辨测量

时间分辨MIP-PS测量表明，MIP-PS信号衰减常数为65ns，与光热对比机制相符，进一步证明光热效应在MIP-PS信号中起主要作用。

四、模拟分析

1、散射强度变化模拟

通过有限元方法（FEM）模拟，研究了分子红外吸收引起纳米腔间距调制导致的散射强度变化。计算发现，NSoF结构在不同间隙间距下散射峰位置会发生蓝移，在638nm波长处，间隙间距微小变化时散射截面变化约0.6%（可实验检测）。

2、结构灵敏度比较

比较纳米棒-膜（NRoF）和NSoF结构灵敏度，优化后的NSoF腔在检测振动激发分子时表现出更高的灵敏度。其灵敏度与等离子体共振波长和间隙间距密切相关，这为优化纳米腔结构提供了理论依据。

3、间隙间距调制机制探讨

考虑了间隙间距调制的两种机制，一是化学键直接红外激发导致分子变形，如4-MBN分子在-CN伸缩模式下，腈键长增加；二是光热效应引起单层分子热膨胀。计算表明，在当前实验条件下，红外脉冲能量不足以使所有单层分子振动激发，而分子热膨胀与MIP-PS信号对比度计算结果相符，热扩散时间也与实验结果匹配。

五、应用前景

MIP-PS光谱学在超灵敏键选择性生物传感和生物成像方面具有巨大潜力。例如，利用功能化纳米二聚体结构，可以通过检测等离子体散射光谱变化，研究生物体内生物分子的构象变化或结合事件。这项技术有望为生命科学和化学分析领域提供一种新的、高灵敏度的检测手段，推动相关领域的进一步发展。

六、一起来做做题吧

1、以下关于传统傅里叶变换红外（FTIR）检测方法的描述，正确的是（ ）

A. 其检测灵敏度不受探测器量子效率影响

B. 能轻松实现对痕量分析物的高灵敏度检测

C. 中红外吸收截面大，利于低浓度分析物检测

D. 检测速度受干涉仪扫描速度限制

2、在 MIP - PS 原理中，纳米腔等离子体散射对什么极为敏感？（ ）

A. 纳米颗粒的大小

B. 纳米膜的厚度

C. 纳米颗粒与纳米膜的间距

D. 分析物分子的种类

3、在 MIP - PS 实验中，4 - MBN 分子的 MIP - PS 光谱峰值与 FTIR 光谱峰值位置不同的原因可能是（ ）

A. 实验误差导致

B. 金表面与分子偶极相互作用改变了化学键振动频率

C. 4 - MBN 分子在实验中发生了化学反应

D. 测量仪器精度不同

4、在模拟中，NSoF 结构间隙间距增加时，散射峰位置会（ ）

A. 红移

B. 蓝移

C. 不变

D. 先红移后蓝移

5、MIP - PS 光谱学在检测分子方面相比表面增强拉曼光谱的优势在于（ ）

A. 能实现更高的空间分辨率

B. 可检测无荧光和拉曼活性的小分子

C. 检测速度更快

D. 对样品无损伤

参考文献：

Danchen Jia et al. Ultrasensitive infrared spectroscopy via vibrational modulation of plasmonic scattering from a nanocavity. Sci. Adv.10, eadn8255(2024).