蘇州醫工所在高靈敏增強拉曼傳感技術方面取得研究進展

作者:孫姣姣 時間:2022-04-27

  高靈敏微量氣體傳感在環境污染研究、人體揮發性有機物(VOCs)檢測中具有重要現實意義。迄今為止,已有多種分析技術被用于氣體檢測,但大多存在成本高、操作復雜、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移效應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,在氣體傳感領域具有突出的優勢。 

  近期,中科院蘇州醫工所張志強研究員與孫姣姣博士研究生開發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,科研人員以化學生長與微納加工相結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)三維異質結構。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的結合點三處“熱點”區域共同提高了電磁增強效應,AuZnO之間的電荷轉移產生高密度電荷,形成內部電場,激發了ZnO納米棒的化學增強效應。 

  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,利用酰胺反應選擇性地捕獲腐胺和尸胺,實現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個數量級,證明了該SERS傳感器在實際氣體傳感中的應用潛力。 

  鑒于該三維柔性SERS基底的多孔特性和優異的增強性能,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,有望實現氣溶膠中細菌、病毒和污染物的高效捕獲與富集,充分發揮該三維基底在氣溶膠的高靈敏檢測領域的技術優勢。 

  相關研究成果以“Ultrasensitive SERS analysis of liquid and gaseous putrescine and cadaverine by a 3D-rosettelike nanostructure-decorated flexible porous substrate”為題發表于SCI一區分析類頂級期刊Analytical ChemistryIF = 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基金委、江蘇省重點研發產業前瞻項目、中科院科研儀器裝備研制項目等項目的經費支持。 

  論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.analchem.1c05013 

  基于三維玫瑰花枝狀SERS傳感基底構筑方法及有機氣體分子檢測策略 

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