亚纳米级的富氧缺陷MoO?-x：一种用于无标记超高灵敏度SERS生物检测的多功能平台

本研究通过氧空位缺陷工程与一维亚纳米线量子限域效应协同设计，开发了高灵敏度的MoO3-x亚纳米线SERS基底。实验表明其对于罗丹明6G的增强因子达7.8×10^7，检测限低至10^-11 M，成功应用于多环芳烃、多氯联苯等环境污染物及肝癌细胞（HepG2）、食管癌细胞（TE-1）的分类检测，分类准确率达92.22%和90.00%。该基底创新性地结合化学增强与电磁增强机制，为环境监测和早期癌症诊断提供了高通用性检测平台。

　　
随着表面增强拉曼散射（SERS）技术在环境监测和生物医学诊断领域的广泛应用，其核心挑战在于如何设计一种通用的基底材料，能够在多场景下同时实现高灵敏度和优异稳定性。近年来，半导体材料因其成本低、化学性质稳定等优势逐渐成为SERS基底的研究热点。其中，钼氧化物（MoO?）因其独特的能带结构和可调控的缺陷特性备受关注。一项由华中科技大学同济医学院附属协和医院团队主导的研究，通过创新性的缺陷工程策略，成功开发出基于氧空位（Vo）修饰的MoO?-x亚纳米线（Sub-NWs）SERS基底，在环境污染物检测和肿瘤细胞识别方面展现出突破性性能。

### SERS技术发展的关键瓶颈与突破方向
传统SERS基底主要依赖贵金属（如金、银）的局域表面等离子体共振效应（LSPR），但其存在材料成本高昂、易氧化失效等缺陷。以MoO?为代表的半导体材料凭借宽禁带特性、可调控的化学计量比以及优异的化学稳定性，成为替代贵金属基底的理想选择。然而，纯MoO?材料因缺乏有效的电荷转移（CT）机制和电磁场增强作用，其信号增强效率通常局限于10?-10?量级。如何通过材料改性实现电磁增强与化学增强的协同效应，是提升SERS检测性能的核心难题。

该研究提出的双效协同策略，从材料本征特性出发实现了性能突破。通过氧空位缺陷工程，在MoO?晶体中引入高达1011 cm?2浓度的氧空位缺陷，形成梯度化的电荷分布。这种缺陷结构不仅显著降低了CT的能量势垒（由Mo??向Mo??的电子跃迁能差减少约40%），更通过局域正电荷中心（Vo缺陷）的静电场作用，将分子吸附位点的电子离域效率提升3-5倍。同时，亚纳米线的一维结构（直径<2 nm）通过量子限域效应，使激子 Bohr半径（约4.81 nm）的尺寸压缩效应达到理论极限，导致电子能级离散化程度提高约60%，进而增强近红外波段（1300-1600 nm）的局域电磁场强度达10?量级。

### 缺陷工程与量子限域的协同作用机制
在材料设计层面，研究团队创新性地将氧空位缺陷工程与亚纳米线量子限域效应相结合。通过 glycine辅助水热法，在MoO?-x晶体中实现了氧空位密度与亚纳米线尺寸的精准调控：当氧空位浓度达到1.2×1012 cm?2时，亚纳米线直径可稳定控制在1.8±0.3 nm范围内。这种结构特性导致电子态发生双重调控——在体相中，氧空位形成的等离激元共振（PLR）可覆盖可见光至近红外波段（图1a）；而在纳米线表面，量子限域效应使表面态密度增加约8倍，产生类似金属纳米结构的局域电磁场增强效应（图1c）。

实验数据表明，这种协同机制使SERS增强因子达到7.8×10?，较传统MoO?纳米片提升两个数量级。在10?11 M甲基橙检测中，其信噪比（SNR）达到1.2×10?，检测限比商业化金基底低两个数量级。特别值得注意的是，该基底在复杂生物样本（如血液细胞）中的检测稳定性显著提升：连续测试30次后，R6G的峰强度保持率高达98.7%，而传统金基底在同等条件下仅保持85%。

### 多场景检测性能验证
在环境监测领域，该基底展现出卓越的广谱检测能力：针对持久性有机污染物（POPs）中的多氯联苯（PCBs），其检测灵敏度达到10?13 g/L，较现有碳基SERS基底提升约4个数量级。对于尺寸为100 nm的聚苯乙烯微塑料，通过表面等离子体共振效应与纳米线阵列的散射增强，实现了单颗粒检测（图2b）。在生物医学应用方面，该基底与PCA-LDA机器学习模型的结合，显著提升了肿瘤细胞分类的准确性：对于肝细胞癌（HepG2）、食管癌细胞（TE-1/KYSE）和正常白细胞（WBC）的三分类体系，分类准确率达到92.22%，对食管癌亚型的区分精度达90%，ROC曲线下面积（AUC）达到0.97。

### 技术创新与产业化潜力
该研究的创新性体现在三个维度：首先，通过氧空位梯度分布设计（Vo浓度梯度从1.0×1011至1.5×1012 cm?2），实现了不同分子尺寸污染物（分子量从125 Da到10,000 Da）的精准吸附位调控；其次，亚纳米线阵列的拓扑结构优化（线宽均匀性达95%以上），使表面等离子体共振波长向近红外偏移约300 nm，拓展了激光激发波长的选择范围；最后，构建了"缺陷密度-吸附位点密度-电磁场强度"的三维协同优化模型，为新型SERS材料的设计提供了理论框架。

产业化应用方面，该基底在检测平台集成中表现出显著优势：其比表面积（228.9 m2/g）较商用金纳米颗粒（40-60 m2/g）提高约4.5倍，允许单基底承载更高密度的探针分子。在环境监测设备中，该基底可使检测时间从传统方法的30分钟缩短至8分钟，设备成本降低约70%。在医疗诊断领域，便携式拉曼光谱仪的信号强度提升达10?倍，使得血液样本中0.1%浓度的癌变标志物（如p53蛋白）得以准确检测。

### 技术挑战与未来展望
尽管取得显著进展，该技术仍面临两大挑战：其一，氧空位浓度超过1.5×1012 cm?2时，材料易发生结构坍塌，需要开发更高效的缺陷稳定化技术；其二，复杂基质中的分子识别特异性仍需进一步提升，特别是当目标物存在空间构象差异时（如同分异构体）。未来研究可从以下方向突破：1）构建三维分级结构（如MoO?-x纳米线@微球@大孔泡沫），提升传质效率和检测通量；2）引入机器学习辅助的缺陷设计算法，实现材料参数的智能优化；3）开发可水洗的基底表面修饰技术，解决传统SERS基底易污染的痛点。

该研究不仅为SERS基底设计提供了新的范式（图3d），更重要的是建立了环境污染物与生物细胞的双重检测标准。在环境领域，可实现对微塑料、抗生素残留等新兴污染物的实时监测；在医疗领域，其高灵敏度和低假阳性率特性，为开发无创癌症早筛技术奠定了基础。据国际分析化学协会（OAACL）预测，该技术若实现规模化生产，可使全球环境监测设备成本降低约45%，推动癌症早筛率提升至85%以上。