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近期，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所四室研究員孟國(guó)文課題組與安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所研究員毛慶和課題組合作，在具有表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)活性的光纖探針研究方面取得新進(jìn)展。基于靜電吸附原理，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種普適的組裝方法，將多種具有等離激元特性的帶電金屬納米結(jié)構(gòu)組裝到錐形光纖探針表面。該結(jié)構(gòu)可用作SERS光纖探針，對(duì)污染物的遠(yuǎn)程、便攜式在線檢測(cè)具有重要意義。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 17247?17254上。
光纖通信技術(shù)的發(fā)展，為污染物的高通量、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)SERS檢測(cè)開(kāi)辟了新途徑，其核心思想是將高SERS活性納米結(jié)構(gòu)耦合到光纖探針表面，并集成到便攜式光纖拉曼光譜儀上，通過(guò)采集并檢測(cè)污染物的SERS信號(hào)，實(shí)現(xiàn)污染物便攜快速檢測(cè)。為了實(shí)現(xiàn)此目的，研究人員發(fā)展了涂拉法、光化學(xué)沉積或物理氣相沉積等方法，將貴金屬納米結(jié)構(gòu)沉積到光纖探針上。然而，這些研究方法制備的SERS光纖探針在功能上具有一定的局限性。例如，對(duì)于涂拉法，SERS活性納米結(jié)構(gòu)在光纖表面的附著力較弱，在液體樣品中容易擴(kuò)散，進(jìn)而影響到檢測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定性；對(duì)于物理氣相沉積和激光誘導(dǎo)的光化學(xué)沉積法，由于受限于制備過(guò)程，難以精確調(diào)控納米結(jié)構(gòu)的形貌和尺寸，無(wú)法優(yōu)化其局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)及表面等離子體共振特性，不能保證SERS檢測(cè)污染物的靈敏度。
針對(duì)上述問(wèn)題，孟國(guó)文課題組和毛慶和課題組合作，采用靜電組裝法(如下圖)，將帶有正/負(fù)電性的貴金屬納米結(jié)構(gòu)組裝到硅烷偶聯(lián)劑修飾的錐形光纖表面，構(gòu)筑了一種高效的SERS光纖探針。首先，在基于液相法構(gòu)筑形貌可控的納米結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，使用的表面活性劑可以使納米結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出可控的表面物理化學(xué)特性，如帶有正/負(fù)電、親/疏水性等。其次，光纖主要成分是氧化硅、表面有大量羥基，易于與硅烷偶聯(lián)劑通過(guò)形成Si-O-Si鍵耦合；同時(shí)硅烷偶聯(lián)劑末端具有一個(gè)官能團(tuán)，使光纖整體富有特定的功能性。因此，對(duì)于帶負(fù)電的納米結(jié)構(gòu)(如檸檬酸根保護(hù)的金納米球)，選取帶氨基的硅烷偶聯(lián)劑修飾光纖；反之，對(duì)于帶正電的納米結(jié)構(gòu)(如CTAB保護(hù)的金納米棒)，采用帶羧基的硅烷偶聯(lián)劑修飾光纖，可實(shí)現(xiàn)貴金屬納米結(jié)構(gòu)在光纖表面的有效組裝。比如，可將多種不同形貌及光學(xué)特性的SERS活性納米結(jié)構(gòu)(金納米球、金納米棒、金@銀核殼納米棒和立方銀)可控組裝到光纖表面。這種SERS光纖探針具有穩(wěn)定性高(相對(duì)信號(hào)偏差低于3%)、面向光纖種類多(適用于單模、多模、D型和微納光纖等)及靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，對(duì)農(nóng)殘甲基對(duì)硫磷的敏感度達(dá)到10納摩爾。相關(guān)成果已申請(qǐng)國(guó)家發(fā)明專利并發(fā)表在ACS Appl. Mater. Interfaces雜志上。
上述研究得到國(guó)家科技部“973”計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目的資助。
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