【材料】基于金属气凝胶的3D SERS基底的压缩策略- 大数跨境

X-MOL资讯

2024-09-15

导读：温州大学胡悦特聘教授团队、北京理工大学杜然教授团队和南京大学徐伟高教授团队，提出了一种通用的、简单的压缩策略，有效地控制z-轴方向上气凝胶基底的热点密度和层间距离，结合组成优化，改善了Au-Ag气凝胶

金属气凝胶（Mas）是一种新型多孔材料，兼具气凝胶的结构特性和金属纳米材料的独特物化性质，在等离子体技术和电催化等领域显示出非凡的潜力。近年来，MAs作为一种新型的三维表面增强拉曼散射增强基底（3D SERS基底），因具有丰富的孔隙结构、大比表面积和高达厘米级的z轴尺度等优点而备受瞩目。虽然一些研究初步展现了MAs具有较好的SERS性能，但其组成效应和结构效应尚未得到全面的理解和设计，特别是气凝胶作为3D SERS基底的优异性也没有得到体现（如对焦容差）。

为此，温州大学胡悦特聘教授团队、北京理工大学杜然教授团队和南京大学徐伟高教授团队结合之前的工作（Adv. Opt. Mater., 2021, 9, 2100352），在Advanced Functional Materials 期刊发表文章，提出了一种通用的、简单的压缩策略，有效地控制z-轴方向上气凝胶基底的热点密度和层间距离，结合组成优化，改善了Au-Ag气凝胶的SERS性能。如图1所示，通过改变Au-Ag气凝胶中的元素比例，优化基底的SERS性能，当金银比达到2 : 8 (Au₂Ag₈) 时，SERS活性最强 (EFs, 2.75×10⁸)，该值大大优于单组分Au和Ag气凝胶 (1.09×10⁷和1.37×10⁸)，突出了组成调制对优化性能的重要性。

图1. Au-Ag气凝胶的组成依赖SERS特性。(a) 气凝胶中银的占比与投料比的关系图。(b) 532 nm激发波长下R6G在不同Ag占比气凝胶上的拉曼光谱。(c-d) 拉曼强度 (c) 和EFs (d) 随Ag在气凝胶中比例变化而变化的趋势图。

接着，以Au₂Ag₈作SERS基底，采用压缩策略调控基底沿z-轴方向上的热点密度和层间距离，充分利用z-轴尺度进而提高基底的SERS活性。如图2a-d所示，压缩会降低光在基底中的折射率、减小共焦体积、增大热点密度和增强层间电磁场的强度，从而影响3D基底SERS活性。因此，采用适当的压力压缩基底，调整这些因素间的平衡，期望能够增强基底的SERS活性。结果如图2e-f所示，EFs值随着压力从0到50 kPa的升高而增大，之后 (50 kPa ~20MPa) 减小，并在50 kPa压力下 (Au₂Ag₈-50 kPa, 1.44×10⁸) 达到最大值，为方便操纵MAs的SERS性能开辟了新视角。

图2. 不同组分气凝胶的SERS表征及压缩调制性能。(a) 气凝胶压缩示意图。(b-c) 分别在50 kPa和20 MPa下压缩的Au₂Ag₈气凝胶的SEM图像和数码照片。(d) 不同压力下Au₂Ag₈气凝胶在500 nm处的透射率和反射率趋势图。(e-f) 拉曼光谱 (f) 和EFs (e) 随压力变化而变化趋势图。探针分子为R6G，根据位于613 cm^-1的峰计算EFs。

最后，为了充分揭示组成和压缩优化后Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶具有良好的SERS性能，先以罗丹明6G作为分析物，在低至0.1 nM (50倍物镜) 的浓度下仍具有清晰的拉曼信号，优于先前报道的银纳米泡沫 (10^-7 M) 和金银气凝胶 (10^-9 M)，并在5倍物镜下获得同样低的检测限 (图3 a-b)，表明基于气凝胶基3D SERS基底具有实际应用的潜力。其次，相比5倍物镜下，Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶的单/多通道检测的对焦容差均高于8 nm Au薄膜，最大高达8.8 mm (图3 c-g)。最后Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶具有出色的稳定性（>1个月）(图3f)。这些结果表明该研究不仅为调制和增强气凝胶基3D SERS的性能提供新见解，还为克服传统拉曼测量需要的精准聚焦提供了一个有效途径，促进了气凝胶基底在SERS领域中的发展。

图3. Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶的SERS性能表征。(a, b) Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶上不同物镜下不同浓度的R6G拉曼光谱。(c, d) 不同错焦距离下负载在 (c) 8 nm Au薄膜 (50x物镜) 和 (d) Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶 (5x物镜) 上的R6G级联拉曼光谱。(e) 负载一个或多个探针分子在Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶上的拉曼测试光谱。(f, g) 不同错焦距离下Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶上多重检测 (f) 10⁻⁴ M 4-MBN + 10⁻⁵ M MB和 (g) 10⁻⁴ M 4-MBN + 10⁻⁶ M NBA。(h) 负载R6G的Au₂Ag₈-50 kPa气凝胶基SERS衬底稳定性测试。

温州大学为第一通讯单位，温州大学研究生周林、刘宇、李艳丽以及北京理工大学研究生龙春雷为文章的第一作者，胡悦、徐伟高、杜然为通讯作者。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Design of Metal Aerogels-Based 3D SERS Substrates by Gentle Compression

Lin Zhou, Yu Liu, Yanli Li, Chunlei Long, Shujin Zhou, René Hübner, Yueqi Li, Geng Xue, Dejun Lin, Weigao Xu, Yue Hu, Ran Du

Adv. Funct. Mater., 2024 DOI: 10.1002/adfm.202412006

课题组简介：

胡悦，博士，温州大学瓯江特聘教授，科技处副处长，浙江省高校领军人才培养计划青年优秀人才（2022），温州市科技创新青年拔尖人才（2020）。1987年出生于浙江省台州市，2010年本科毕业于兰州大学，2015年获得北京大学理学博士学位，师从张锦院士。主要从事纳米碳材料等先进功能材料的结构设计、精准合成及其器件应用研究。已在相关领域取得了系列原创性成果，共发表SCI论文90余篇，一作/通讯论文36篇，包括《自然》子刊Nat. Commun. 2篇、《科学》子刊Sci. Adv. 1篇、Nano Lett. 1篇、Adv. Funct. Mater. 2篇、Small 5篇等，论文被引用4600余次，H因子38；申请中国发明专利16项（授权9项）；多项研究成果被全球科技媒体如Material View、X-MOL等报道；承担Adv. Mater.等国际高水平期刊的审稿工作；主持国家、军科委项目3项，省、市科研项目5项等；担任国际期刊eScience青年编委、浙江省材料学会理事等职务；多次以分会主席等身份组织参与国际学术会议并做特邀报告；获温州大学化学与材料工程学院“华峰院长奖”科研奖荣誉称号，获温州大学“我心目中的好导师”荣誉称号。

徐伟高

https://www.x-mol.com/university/faculty/63216

胡悦

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