一种具有高灵敏度、高重复性的海胆状金-银空心结构表面增强拉曼散射基底

海胆状金-银空心结构同时具有高的信号灵敏度(左图)和非常好的信号一致性(右图)。

自从发现粗糙银电极表面对吸附分子的拉曼光谱有极大的增强作用后,贵金属纳米材料,尤其是稳定性和生物相容性好的金纳米材料,引起了学者对其在表面增强拉曼散射光谱(SERS)应用方面的极大的兴趣。随着对金纳米材料和表面增强拉曼散射光谱(SERS)的深入研究,金纳米材料被广泛的应用于化学痕量检测、有机污染物检测、肿瘤的早期检测等领域。制备检测灵敏度高和信号一致性好的表面增强拉曼散射基体是目前研究基于表面拉曼增强散射传感器的研究热点。西安交通大学理学院方吉祥教授课题组对这一问题进行了深入的研究,取得了重要进展。近期他们和南洋理工大学以及中科院的研究人员一起合作,制备出了一种空心的金银合金海胆状的纳米颗粒,用这种结构新颖的纳米颗粒作为SERS基底,获得了高灵敏度,高重复性和高探测极限的优异SERS性能。相关结果发表在Advanced Materials上。

表面增强拉曼散射性能和基底的表面结构有着密切的关系,不同颗粒体积、形状、组装结构的金纳米颗粒具有不同的电磁场增强。局域表面电磁场强度和增强因子之间直接相关。当前提升金纳米材料SERS性能的方法有:制备星状/花状金颗粒,或者利用组装的方法使金纳米球组装在一起使颗粒之间具有极小的间距(如1-2 nm)等。但是这些方法一般会添加有机物、方法复杂,且拉曼信号的一致性差。提升表面增强拉曼基体的信号一致性的方法有电子束刻蚀、光刻、纳米压印刻蚀等,但得到基底的拉曼检测信号的灵敏度低。为了解决这一需要同时具备高灵敏度和高信号一致性的问题,该课题组使用籽晶生长法,采用比较小的银籽晶(20 nm),并采用左旋多巴作为还原剂,制备出含银量极少的金银合金海胆状空心纳米颗粒,然后利用颗粒在水中干燥时的毛细力作用使其自组装,形成基于海胆状金银合金纳米颗粒的大面积增强因子高、且信号一致性好的表面增强拉曼散射基体。这种表面拉曼增强基体中的由于每个纳米颗粒表面分布着大量密集的针状尖刺,以及相邻颗粒的针刺尖端距离很近,所以这种大面积基底上的SERS“热点”密度很高,而且分布均匀。基于此种结构,该SERS基底获得了同时具有高灵敏度、高重复性和高探测极限的优异SERS性能。此基体有望应用于食品添加剂、水中的污染物等检测的传感器,推动表面增强拉曼散射的实际应用。

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