微米和纳米科技材料

合肥研究院等在多孔金-银合金纳米结构的SERS性能研究中获进展

近日,中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所微纳技术与器件研究室研究员李越课题组,与济南大学教授李村成合作,在多孔金-银合金纳米结构表面增强拉曼散射研究方面取得新进展,相关研究结果发表在Journal of Materials Chemistry C上。

贵金属(Au、Ag、Pt、Cu等)及过渡族金属(Ni、Co等)材料具有局域表面等离子共振特性;尤其贵金属(Au、Ag等)纳米结构,因强的局域表面等离子共振能够产生强烈的电磁场增强效应,使其能应用于生物成像、光学传感、催化、表面增强拉曼散射(SERS)检测等领域。

多孔Au-Ag合金纳米结构相对于实心结构具有更强的电磁耦合作用,能进一步增强其局域表面电磁场;由Au、Ag两种元素组成的双金属结构,拥有高度可调的元素比例、光学性质和电子协同效应,有更广泛的应用前景,目前所报道的多孔纳米材料大多局限于Pt基材料和具有低孔隙度的球形Au纳米颗粒,这些材料离实际应用要求还有较大差距,需要进一步可控合成具有高孔隙度、单分散且具有特定形貌的多孔Au-Ag纳米粒子,并研究其结构增强的相关机理。

鉴于此,李越课题组以Au八面体纳米颗粒为种子,采用外延生长,获得Au@Ag的双金属纳米立方块,再在Au@Ag表面包覆SiO2保护层,通过热退火和化学腐蚀,制备出一种单分散的多孔金-银合金纳米立方块(图1)。该材料是一种具有双连续结构的三维多孔Au-Ag合金结构,不仅具有良好的分散性和更大的比表面积,更易检测分子的吸附,而且能够长期保存。通过FDTD理论模拟发现,多孔Au-Ag合金纳米立方块状比同类型的球形纳米粒子具有更高的电磁场增强效应(图2)。相应实验表明,多孔Au-Ag合金纳米立方块对表面增强拉曼散射信号具有很强的增强作用,对4-ATP的检测限低达10-10M(图3、图4)。该项研究结果对进一步提高纳米材料的SERS性能具有一定指导意义。

研究工作得到了中科院交叉团队项目和国家自然科学基金项目的资助。

合肥研究院等在多孔金-银合金纳米结构的SERS性能研究中获进展

图1.(a)-(d)分别为多孔Au-Ag合金纳米立方块的扫描和投射电子显微镜照片;(e)-(g) 为产物的STEM照片和元素分布图。

合肥研究院等在多孔金-银合金纳米结构的SERS性能研究中获进展

图2.两种Au-Ag合金纳米粒子 (a) 立方块 和 (b) 球的电磁场分布FDTD 模拟结果。

合肥研究院等在多孔金-银合金纳米结构的SERS性能研究中获进展

图3.(a)、(b)为不同结构Au-Ag纳米材料对4-ATP 的SERS性能对比结果。

合肥研究院等在多孔金-银合金纳米结构的SERS性能研究中获进展

图4.多孔Au-Ag纳米立方块对不同浓度下4-ATP的SERS性能对比图。

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