合肥研究院SERS光纖探針研究取得進展

　　近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所四室研究員孟國文課題組與安徽光學精密機械研究所研究員毛慶和課題組合作，在具有表面增強拉曼散射(SERS)活性的光纖探針研究方面取得新進展。基于靜電吸附原理，研究團隊發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構組裝到錐形光纖探針表面。該結構可用作SERS光纖探針，對污染物的遠程、便攜式在線檢測具有重要意義。相關結果發表在ACS Appl. Mater. Interfaces 2015, 7, 17247?17254上。

　　光纖通信技術的發展，為污染物的高通量、遠程實時SERS檢測開辟了新途徑，其核心思想是將高SERS活性納米結構耦合到光纖探針表面，并集成到便攜式光纖拉曼光譜儀上，通過采集并檢測污染物的SERS信號，實現污染物便攜快速檢測。為了實現此目的，研究人員發展了涂拉法、光化學沉積或物理氣相沉積等方法，將貴金屬納米結構沉積到光纖探針上。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，對于涂拉法，SERS活性納米結構在光纖表面的附著力較弱，在液體樣品中容易擴散，進而影響到檢測信號的穩定性；對于物理氣相沉積和激光誘導的光化學沉積法，由于受限于制備過程，難以精確調控納米結構的形貌和尺寸，無法優化其局域電磁場增強及表面等離子體共振特性，不能保證SERS檢測污染物的靈敏度。

　　針對上述問題，孟國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/負電性的貴金屬納米結構組裝到硅烷偶聯劑修飾的錐形光纖表面，構筑了一種高效的SERS光纖探針。首先，在基于液相法構筑形貌可控的納米結構的過程中，使用的表面活性劑可以使納米結構呈現出可控的表面物理化學特性，如帶有正/負電、親/疏水性等。其次，光纖主要成分是氧化硅、表面有大量羥基，易于與硅烷偶聯劑通過形成Si-O-Si鍵耦合；同時硅烷偶聯劑末端具有一個官能團，使光纖整體富有特定的功能性。因此，對于帶負電的納米結構(如檸檬酸根保護的金納米球)，選取帶氨基的硅烷偶聯劑修飾光纖；反之，對于帶正電的納米結構(如CTAB保護的金納米棒)，采用帶羧基的硅烷偶聯劑修飾光纖，可實現貴金屬納米結構在光纖表面的有效組裝。比如，可將多種不同形貌及光學特性的SERS活性納米結構(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光纖探針具有穩定性高(相對信號偏差低于3%)、面向光纖種類多(適用于單模、多模、D型和微納光纖等)及靈敏度高等優勢，對農殘甲基對硫磷的敏感度達到10納摩爾。相關成果已申請國家發明ZL并發表在ACS Appl. Mater. Interfaces雜志上。

　　上述研究得到國家科技部“973”計劃和國家自然科學基金等項目的資助。

左：帶電納米結構組裝到錐形光纖探針上的示意圖。中：納米立方銀組裝到光纖前后的光學照片及掃描電鏡照片。右：SERS光纖探針在分析物溶液中及空氣中的SERS信號。