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Chem. Mater.┃用石墨烯膜截面构建SERS基底,助力残留农药原位提取检测


英文原题:Plasmonic Coupling of AgNPs near Graphene Edges: A Cross-Section Strategy for High-Performance SERS Sensing

通讯作者:王现英,上海理工大学;丁古巧,中国科学院上海微系统与信息技术研究所

作者:Ziyang Cao, Peng He, Tao Huang, Siwei Yang, Sancan Han, Xianying Wang, Guqiao Ding


表面增强拉曼散射(SERS)是一种可以实现对低浓度分子进行超灵敏、快速检测的分析技术。实现SERS技术的重要前提是设计拉曼增强基底。虽然传统贵金属材料具有较高的SERS性能,但单一贵金属硬质基底已难以满足日趋复杂和多样化的检测需求,如果蔬表面残留农药检测。因此,新的设计策略开始发展为加入第二功能材料和构建多维等离激元耦合系统,以实现高SERS性能和多功能化。石墨烯是一种具有SERS效应的二维材料,因其优异的理化性质可作为复合材料与贵金属构建复合SERS平台,近年来受到广泛关注。但SERS性能主要取决于局域电磁场强度,如何充分利用石墨烯的二维特性构建贵金属的等离激元耦合结构并实现检测物的原位提取与检测是该领域的研究热点。


近日,上海理工大学王现英课题组与中科院微系统所丁古巧课题组在前期水溶性石墨烯(W-Gr)的研究基础上(Green Chem., 2018, 20, 1306–1315; Carbon, 2019, 143, 559–563.)合作设计了一种复合膜截面结构,可最大程度地促进截面上纳米银(AgNPs)的等离激元耦合效应,实现高性能、高稳定SERS检测,同时还可便捷地提取检测物。研究人员利用流体定向组装方法,使得零维AgNPs在垂直方向上被二维W-Gr纳米片分隔,并富集在W-Gr边缘附近,在截面上形成AgNPs与W-Gr相互堆叠的三明治结构,且AgNPs的分布密度比表面更大,从而有利于产生更强的局域电磁场。实验数据和仿真计算结果表明,复合膜截面的SERS强度是表面的3-5倍。对于R6G分子的检测,该截面SERS基底显示出低至5×10-13 mol/L的检测限,与已报道的石墨烯SERS复合基底相比具有较高的SERS性能。此外,由于使用截面结构,惰性石墨烯可以显著减缓内部AgNPs的氧化过程,确保SERS灵敏度的长期稳定性(超过55天)。更重要的是,借助于柔性截面层间的毛细作用,该截面基底可以直接原位提取并检测果蔬曲面上残留的农药福美双,检测限小于24 μg/kg,低于欧盟标准允许的食品中农药最大残留限量,拓展了该SERS基底的实际应用场景。

图1. AgNPs与W-Gr复合膜截面的制备示意图及形貌结构表征


图2. AgNPs/W-Gr复合膜截面对R6G分子的SERS性能测试及比较


图3. 截面和表面上的粒子间距比较以及相应的电场分布


图4. AgNPs与W-Gr相对含量对截面SERS性能的影响及截面结构形成机制


图5. 利用截面层间的毛细作用直接从果蔬曲面提取并检测福美双


这项工作提出的截面策略为利用石墨烯等二维材料构建高性能SERS基底及实现多功能化应用提供了新思路。这一成果近期发表在Chemistry of Materials 上,上海理工大学硕士研究生曹子阳和中科院微系统所何朋博士为共同第一作者,王现英教授和丁古巧研究员为通讯作者。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Plasmonic Coupling of AgNPs near Graphene Edges: A Cross-Section Strategy for High-Performance SERS Sensing

Ziyang Cao, Peng He, Tao Huang, Siwei Yang, Sancan Han, Xianying Wang*, Guqiao Ding*

Chem. Mater., 2020, 32, 3813–3822, DOI: 10.1021/acs.chemmater.9b05293

Publication Date: April 23, 2020

Copyright © 2020 American Chemical Society


导师介绍

丁古巧

https://www.x-mol.com/university/faculty/38295


(本稿件来自ACS Publications


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