磁场诱导磁性等离子体纳米材料的组装及其SERS增强机制研究

Surface enhanced Raman scattering（SERS）Technique shows great application potential in the environment detection based on its advantage of specific molecular recognition, high sensitivity and rapid detection, etc. But the lower detection limitation of environmental pollutants by traditional SERS substrates can only reach the micro-molar level due to the weak interaction between the novel metal substrate and inert pollutants. It is a great challenge to further improve the SERS detection sensitivity to environmental contaminants. Hence, in this project we proposed to combine magnetic field inducing assembly technique and SERS detection technique for sensitive detection of trace pollutants based on the function of pollutants enrichment of magnetoplasmonic nanomaterials and the SERS effect of their nanoassembled structure. We will focus on magnetic field induced controllable assembly, SERS effect of nanoassembled structure and enrichment efficiency of pollutants to explore the key technology and mechanism of magnetic field inducing magnetoplasmonic nanomaterials assembly. Moreover, the relation model of the magnetic field, magnetoplasmonic nanostructures and SERS signal of pollutants will be established to explore the SERS effect of magnetoplasmonic nanoassembled structures, which will illuminate the mechanism of enrichment and SERS detection to the environmental pollutants, and provide support to the challengeable pollutants detection in various complicated environments theoretically and technically.

表面增强拉曼散射（SERS）技术，以其特异性分子识别、高灵敏度和快速检测等优点，在环境检测方面展现出巨大的应用潜力。但由于化学惰性的环境污染物与贵金属基底之间弱的相互作用导致传统SERS基底对污染物的检测灵敏度限制在微摩尔水平，如何提高SERS对污染物的检测灵敏度极具挑战。鉴于此，本项目拟利用磁性等离子体纳米材料对污染物的富集作用及其纳米组装结构的SERS增强效应，将磁场诱导组装技术与SERS技术相结合用于痕量污染物的灵敏检测。将围绕磁场诱导的可控组装、纳米组装结构的SERS增强效应及高效富集污染物等关键问题，探索磁场诱导下磁性等离子体纳米材料可控组装的关键技术及其组装机理，建立“磁场-磁性等离子体纳米材料-污染物SERS信号”之间的关系模型，探讨磁场诱导组装纳米结构的SERS增强效应，阐明其对环境污染物富集-检测的增强机制，为当前各种复杂环境中检测污染物遇到的难题提供理论和技术支撑。

本项目利用磁性等离子体纳米材料对污染物的富集作用及其纳米组装结构的SERS增强效应，将磁场诱导组装技术与SERS技术相结合用于痕量污染物的灵敏检测。首先，我们以Fe3O4@Au磁性等离子体纳米材料为结构基元，在外静磁场驱动下研究了磁等离子体纳米链的结构、组装机理和磁性能，发现了非平衡水动力耦合、磁力和范德华力相互作用对纳米颗粒的排列起着基本作用，探索了磁场诱导下磁性等离子体纳米材料可控组装的关键技术及其组装机理。随后，基于该磁场诱导组装策略，我们制备了Fe3O4@Au纳米星颗粒，将其用作SERS基底。在该研究工作中，在外静磁场驱动下我们利用Fe3O4@Au纳米星颗粒的磁性将其组装于毛细管中。通过实验结果分析，我们建立了“磁场-磁性等离子体纳米材料-污染物SERS信号”之间的关系模型，探讨了磁场诱导组装纳米结构的SERS增强效应，阐明了其对环境污染物富集-检测的增强机制。依靠着毛细管的毛细作用，Fe3O4@Au组装后的毛细管可以作为取样系统的微反应器，直接取样后放入到便携式拉曼光谱仪下进行测试，实现了食品添加剂的原位实时检测。此外，我们通过生长控制的方法制备不同间距的SiO2@Au纳米颗粒，然后用作SERS基底。这种可视的SERS基底能够用于探测NaBH4存在条件下4-NTP催化还原为4-ATP的反应动力学。该项目的完成为当前各种复杂环境中SERS技术检测污染物以及监测催化反应动力学遇到的难题提供理论和技术支撑。最后，我们对本项目研究内容进行了拓展，我们利用生物相容性好的壳聚糖、碳量子点和金属有机框架（MOFs）材料，设计了一系列光稳定性好、毒性低的荧光纳米材料，并成功的应用于水体污染物的分析与检测，实现了对本项目的进一步升华。项目已按计划执行完毕，并在Chemical Engineering Journal, Water Research, Journal of Hazardous Materials, Desalination，Environmental Science: Nano，Journal of Cleaner Production，Inorganic Chemistry Frontiers等高水平期刊发表SCI论文24篇，授权发明专利5项，项目负责人入选合肥市高层次人才，第十四批安徽省“115”产业创新团队。在本项目支持下共培养3名博士，3名硕士。