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基于纤维素光子晶体/银纳米颗粒复合材料的柔性表面增强拉曼基底

DOI:10.1016/j.matdes.2019.107601 期刊:Materials & Design 出版年份:2019 更新时间:2025-11-14 15:27:09
摘要: 表面增强拉曼散射(SERS)能显著提升拉曼散射强度。SERS通常采用金、银、铜等粗糙纳米金属作为基底[1],已广泛应用于表面科学、分析科学等领域[2-4]。根据制备方法,SERS基底可分为三类:(1)固定金属纳米颗粒的固相基底[5,6];(2)纳米压印制备的金属纳米结构[7,8];(3)模板法制备的金属纳米结构[9-11]。传统SERS基底(如贵金属粗糙表面)因纳米结构随机分布导致可控性差且SERS效应不稳定。通过蚀刻和电子束沉积加工的纳米规则图案微结构则受限于仪器成本高、工艺复杂、难制备大面积及后续表面修饰等问题。 纳米球阵列模板制备的SERS基底具有良好的可控性与重现性。通过组装不同尺寸纳米球制备厚度各异的模板,可获得具有不同间距的二维金属薄膜。该制备方法简单经济、调控便捷且重现性高,无需保护剂与表面活性剂,所得基底纯度较高。光子晶体(PhCs)是通过球形胶体粒子可控自组装形成的周期性结构[12-15],其内部传播的光遵循布拉格衍射定律[16-19],特性强烈依赖于空间结构。凭借成本效益与制备简便的优势,PhC在光学传感器[20,21]、光开关[22-26]及显示器件领域备受关注。这类规则周期结构亦可作为制备其他结构功能材料的模板[27],我们近期工作已开展大量PhC制备与应用研究[28,29]。 基于光子晶体光学带隙的特殊捕获效应、银纳米粒子的等离子体效应以及纤维素基质对有机溶剂中分析物的富集作用,我们设计了三重特性协同增强的拉曼散射方案:以带隙匹配入射光的PhC阵列为模板,填充易降解的纤维素基质并修饰银纳米粒子。据此首创了银纳米粒子修饰柔性纤维素光子晶体膜SERS基底,分别以PhCs为模板合成了银纳米粒子修饰甲基纤维素膜(Ag-PHC-MCF)和羧甲基纤维素膜(Ag-PHC-CMCF)两类柔性基底。 这种金属纳米粒子与有序PhCs纤维素膜(PHCCF)的创新组合有效避免了金属纳米粒子团聚,使热点均匀分布于孔隙周围,确保目标分析物在大面积上的均匀吸附与拉曼信号一致性。通过多孔纤维素膜对有机溶剂中目标物的优异富集作用,目标物被捕获于纤维素膜表面,随着与金属纳米粒子热点的接触概率增加而增强检测信号。同时,光子晶体的捕获效应显著增强了PHCCF的散射光强?;诙嗫准谆宋馗患⒁壤胱犹骞舱裼牍庾泳宕兜男饔?,该复合膜实现了拉曼信号的显著增强。此外,其优异的降解性在环保方面优势突出,柔性轻质的特性更便于携带保存,在运输存储环节具有显著优越性,对工业污染物检测或国防安全监测具有重要应用价值。
作者: Dan Yan,Lili Qiu,Min Xue,Zihui Meng,Yunfeng Wang
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研究概述 实验方案 设备清单

设计并制备一种基于纤维素光子晶体/银纳米粒子复合材料的柔性表面增强拉曼散射(SERS)基底,用于增强拉曼信号并检测有机溶剂中的分析物。

经银纳米颗粒修饰的纤维素光子晶体薄膜可作为高效表面增强拉曼散射(SERS)基底,能检测低至10^-6 M的对甲基苯硫酚,且浓度与信号强度呈线性关系。该材料具有柔韧性好、可降解及对有机溶剂亲和力高等优势,适用于工业与环境监测领域。

该研究可能在基底制备的可扩展性、银纳米颗粒分布的潜在差异性以及对特定分析物或溶剂的特异性方面存在局限性。优化工作可着重提高重现性并拓展至其他检测应用领域。

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