高靈敏微量氣體傳感在環(huán)境污染研究、人體揮發(fā)性有機物（VOCs）檢測中具有重要現(xiàn)實意義。迄今為止，已有多種分析技術(shù)被用于氣體檢測，但大多存在成本高、操作復(fù)雜、分析過程耗時等缺點。表面增強拉曼散射（SERS）作為一種有力的痕量分子檢測工具，可利用基底的表面等離子體共振和電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)大幅增強目標分子的拉曼散射信號，具有高靈敏、簡單、快捷、無損和特異指紋識別的特點，在氣體傳感領(lǐng)域具有突出的優(yōu)勢。
近期，中科院蘇州醫(yī)工所張志強研究員與孫姣姣博士研究生開發(fā)了一種具有超高靈敏性的三維玫瑰花枝狀SERS基底（BigAuNP/Au/ZnO/P）。在本研究中，科研人員以化學(xué)生長與微納加工相結(jié)合的方式在聚偏二氟乙烯（PVDF）膜上制備了納米氧化鋅（ZnO）-金（Au）三維異質(zhì)結(jié)構(gòu)。其增強原理在于相鄰納米棒表面的金納米顆粒（AuNPs）、同一納米棒表面的相鄰AuNPs、金層與AuNPs的結(jié)合點三處“熱點”區(qū)域共同提高了電磁增強效應(yīng)，Au和ZnO之間的電荷轉(zhuǎn)移產(chǎn)生高密度電荷，形成內(nèi)部電場，激發(fā)了ZnO納米棒的化學(xué)增強效應(yīng)。
該SERS基底對對巰基苯甲酸（p-MBA）分子的檢測限為10-13 M，其增強因子高達2.27×107，并具有良好的均一性和可重復(fù)性（RSD < 4%）。此外，PVDF膜具有多孔特性，可采用過濾式檢測程序提高目標分析物與SERS“熱點”的碰撞效率，有利于氣體分子的高效富集。
在該工作中，科研人員以腐胺和尸胺兩種揮發(fā)性有機氣體為例，驗證了該三維柔性SERS基底在氣體傳感中的檢測性能。通過在SERS基底上修飾p-MBA傳感單分子層，利用酰胺反應(yīng)選擇性地捕獲腐胺和尸胺，實現(xiàn)了低濃度氣體分子的高靈敏定量檢測（腐胺檢測限：1.26×10-9 M，尸胺檢測限：2.5×10-9 M），比同類研究報道的檢出限高出2-3個數(shù)量級，證明了該SERS傳感器在實際氣體傳感中的應(yīng)用潛力。
鑒于該三維柔性SERS基底的多孔特性和優(yōu)異的增強性能，將其與微流體裝置和便攜式拉曼光譜儀集成，搭建SERS快速檢測系統(tǒng)，有望實現(xiàn)氣溶膠中細菌、病毒和污染物的高效捕獲與富集，充分發(fā)揮該三維基底在氣溶膠的高靈敏檢測領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢。
基于三維玫瑰花枝狀SERS傳感基底構(gòu)筑方法及有機氣體分子檢測策略
相關(guān)研究成果以“Ultrasensitive SERS analysis of liquid and gaseous putrescine and cadaverine by a 3D-rosettelike nanostructure-decorated flexible porous substrate”為題發(fā)表于SCI一區(qū)分析類頂級期刊Analytical Chemistry（IF = 6.986）。孫姣姣博士研究生為第一作者，張志強研究員、尹煥才研究員和宋一之研究員為共同通訊作者。該研究獲得國家自然科學(xué)基金委、江蘇省重點研發(fā)產(chǎn)業(yè)前瞻項目、中科院科研儀器裝備研制項目等項目的經(jīng)費支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c05013
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