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祝贺胡悦副教授团队在国际著名期刊《Advanced Optical Materials》发表封面文章

发布时间:2021-11-09    来源:化学与材料工程学院    作者:    点击次    [点击关闭]

近日,我校化材学院胡悦副教授团队的研究论文《Size-Tunable Gold Aerogels: A Durable and Misfocus-Tolerant 3D Substrate for Multiplex SERS Detection》以封面论文的形式在著名光学期刊Advanced Optical Materials》上发表。

表面增强拉曼散射(SERS)因其高灵敏度(甚至能达到单分子检测)备受关注,被认为是最具应用前景的分析手段之一。然而传统二维SERS基底的热点局限于x-y平面,导致信号强度有限且对焦容差低,因此发展三维SERS基底是该领域的一个新型、重要的研究方向。三维SERS基底的研究虽然取得了一定成果,但目前已报道的固态三维基底的z方向尺寸10μm以内,故效果并不够理想。贵金属气凝胶(NMAs)具有多孔、大比表面积、自支撑等特征,有潜力成为真正的高性能三维SERS基底,真正解决二维SERS基底的某些本征缺陷。然而,其特征尺寸(如纳米线直径)的控制极为困难,限制了构效关系研究与性能优化。

以温州大学胡悦教授、北京理工大学杜然教授、德累斯顿工业大学Alexander Eychmüller教授为首的国际团队在前期工作中,通过对金属气凝胶合成方法学的深入探索,开发了一系列可控制备方法,实现了金属凝胶的快速制备及其特征尺寸、比表面积、孔容等多种参数的大范围调控(Sci. Adv. 2019, Nat. Commun. 2020, Matter 2020)。在此基础上,上述团队再次携手,以网络特征尺寸为5-100 nm的金气凝胶为例,从理论与实验两个角度系统探究了气凝胶基底的特征尺寸与SERS活性依赖性。通过对相关参数的优化,不仅获得了对焦容差的SERS基底(>300 μm),更实现了对染料分子、农药和致癌物质的高灵敏度与多通道检测。

相关成果作为发表在本期Advanced Optical MaterialsDOI: 10.1002/adom.202100352上,并被选为封面文章,温州大学为第一单位,温州大学2016级化学专业硕士研究生周林为第一作者,温州大学化学与材料工程学院胡悦副教授为通讯作者。

研究者首先制备了特征尺寸(即纳米线直径)为5-100 nm的一系列金气凝胶。实验发现,SERS增强因子(EF)受金气凝胶的特征尺寸、激发波长影响。在同一激发波长下,增强效果均有一最优的特征尺寸,而伴随激发波长的红移,所对应的最优特征尺寸也随之增大,且对多种探针分子具有类似的规律。通过有限时域差分理论FDTD)模拟的方法,以金纳米棒或四脚体作为模型,可清晰地观察到,伴随直径的增加吸收波长逐步向长波方向移动,可推测金气凝胶的共振激发波长与特征尺寸成正相关,从而一定程度上解释了SERS活性与激发波长、特征尺寸依赖关系的作用机制。

相对于典型的二维SERS基底(8 nm金膜),金气凝胶对染料分子、农药和致癌物质显示出高的增强因子(高达达到8.9×109),这一结果超越了目前报道大多数三维SERS基底(105-107)。此外,金气凝胶不近可重复使用,且具有非凡的稳定性(>1个月)和优异的多通道检测能力,预示其具有良好的实际应用价值。最后,金气凝胶具有优异的对焦容差(z方向> 300 μm),即便应用于多通道检测,其值可达到150 μm远超已报道的固态三维SERS基底。

本工作系统研究了NMAs作为三维SERS基底的构效关系与性质特点,获得了真正意义上的三维SERS基底为气凝胶基三维SERS基底的设计提供了基础,为实现大对焦容差、高稳定性、高灵敏度、多通道SERS检测打开了新的方向