0551-69105010
近期，中科院合肥研究院智能所黃青研究員課題組在表面增強拉曼光譜（SERS）氣體檢測方面取得重要進展。該課題組不僅研發(fā)了一種高靈敏度和選擇性的SERS醛類氣體傳感器，而且為研究氣體分子在多孔材料上的吸附提供了一種新的檢測方法。相關(guān)研究成果已被國際分析化學(xué)專業(yè)期刊Analytical Chemistry接收發(fā)表。
揮發(fā)性有機化合物（VOCs）是一類重要的環(huán)境污染物，吸附技術(shù)是處理VOCs的主要技術(shù)之一，具有操作簡單、能耗低、凈化效率高等優(yōu)點。選擇吸附性能好的潛在吸附劑是VOCs吸附凈化處理的關(guān)鍵。多孔材料吸附VOCs的物理化學(xué)過程研究對于吸附材料的設(shè)計、篩選以及VOCs的處理具有重要意義。用于探究材料吸附性能的傳統(tǒng)方法存在耗時、需要大量吸附質(zhì)和吸附劑等缺陷，是否能夠有一種快速且消耗少的吸附測試方法，其中關(guān)鍵點在于氣體檢測方法的突破。目前，金屬有機框架（MOF）以其優(yōu)異的吸附性能引起了人們的廣泛關(guān)注，可通過MOF進一步衍生而來的層狀雙金屬氫氧化物（LDH）具有增強的孔隙率和多個活性位點的化學(xué)親合力，與MOF相比，LDH具有分層介孔結(jié)構(gòu)和獨特的離子組成，可以降低擴散勢壘，提高化學(xué)和熱穩(wěn)定性，亦是一種十分具有發(fā)展?jié)摿Φ奈讲牧稀?/span>
黃青研究員課題組利用銀納米立方體（AgNCs）和ZIF-67，制備出AgNC和層狀雙金屬氫氧化物（Co-Ni LDH）的復(fù)合納米材料，并修飾兼具捕獲和探針功能的對氨基苯硫酚（4-ATP）。他們基于該修飾的復(fù)合材料構(gòu)建了一種選擇性檢測醛類分子的氣體傳感器，并研究了苯甲醛分子在Co-Ni LDH上的吸附動力學(xué)和熱力學(xué)過程。
通過一系列表征技術(shù)證明了AgNCs@Co-Ni LDH的成功合成，多個AgNCs均勻地被包裹在空心的Co-Ni LDH中，晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)組成都符合LDH的特征，且熱穩(wěn)定良好。Co-Ni LDH的引入提高了AgNCs的SERS活性，可檢測到濃度低至10-12M拉曼模型分子4-ATP。在檢測苯甲醛氣體方面，AgNCs@Co-Ni LDH也比裸露的AgNCs提高了近6.6倍，具有更高的檢測靈敏度，這歸因于Co-Ni LDH增強了底物對苯甲醛氣體的吸附能力，從而提高了SERS信號強度和靈敏度。
基于以上構(gòu)建的SERS檢測方法，課題組進一步研究了Co-Ni LDH對苯甲醛的吸附動力學(xué)和吸附熱力學(xué)。擬一級動力學(xué)模型對吸附過程的擬合較好，相關(guān)系數(shù)高于擬二級動力學(xué)模型，擬合曲線得到的吸附速率為0.0308 min-1。吸附等溫線符合Langmuir等溫線模型，吸附常數(shù)為6.25×106 L/mol，表明復(fù)合材料的吸附位點是均勻的，且以單層化學(xué)吸附為主。
SERS傳感器對于醛類氣體具有超高的靈敏度，它的準(zhǔn)確度、重復(fù)性和選擇性都得到了驗證。結(jié)合主成分分析法可對相似的醛類氣體SERS譜圖降維分析，可實現(xiàn)鑒別不同醛類分子的功能，表明該SERS傳感器具有一定的應(yīng)用價值。
徐迪是這篇論文的第一作者，黃青研究員是該文的通訊作者。另外在苯甲醛氣體實驗標(biāo)定方面得到了健康所沈成銀等人的幫助。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金項目的資助。
圖1 AgNCs@Co-Ni LDH合成路線及苯甲醛檢測過程示意圖
圖2 （a-c） AgNC、AgNCs@ZIF-67和AgNCs@Co-Ni LDH的TEM圖。
（d-e）AgNCs@Co-Ni LDH的苯甲醛SERS光譜及與AgNC對比的信號濃度響應(yīng)圖。（f-g）苯甲醛在Co-Ni LDH上的吸附動力學(xué)和熱力學(xué)實驗數(shù)據(jù)及擬合曲線（擬一級動力學(xué)模型和Langmuir模型）
圖3 基于AgNCs@Co-Ni LDH的SERS傳感器的靈敏度、準(zhǔn)確度、重復(fù)性及選擇性（SA：水楊醛，EBA： 4-乙基苯甲醛，GA：戊二醛，HA：己醛，ET：乙醇，AC：丙酮，HE：正己烷，EA：乙酸乙酯，AA：乙酸，TO：甲苯。）
文章來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院
文章鏈接：黃青課題組研發(fā)醛類氣體SERS傳感器并為氣體分子在多孔材料上的吸附提供了一種新的檢測方法
文字報道：林東岳
文章編輯：陳慧
