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基于倏逝波的附着银纳米立方体光纤SERS传感器用于检测农药残留
作者: irglass 时间: 2023-06-20 浏览:1,236 次

       近日,我室研究生陶攀(第一作者)和张培晴研究员(通讯作者)联合物理学院姜涛教授(通讯作者)在期刊 ACS Applied Materials & Interfaces (IF:10.38) 上在线发表了题为“Fiber Optic SERS Sensor with Silver Nanocubes Attached Based on Evanescent Wave for Detecting Pesticide Residues”的文章,文章链接:https://doi.org/10.1021/acsami.3c04059

       表面增强拉曼散射(SERS)以其高灵敏度和特异性,被广泛应用于生化传感、环境监测、食品安全等研究领域。SERS与光纤的结合以其灵活性高、韧性好、结构紧凑、微型化、可远程监测危险环境等优点,得到了广泛的研究。在光纤结构中,基于端面的光纤探针是最常用的方法,但激光受到光纤芯的传播限制,只能激发光纤芯周围的金属纳米粒子。为了解决这一问题,提出了锥形光纤尖端结构。它确实增加了激光与金属纳米结构之间的相互作用面积,但极细的锥形尖端导致激光和拉曼信号衰减。此外,锥尖通常非常脆弱。近年来,人们提出了空心光纤和光子晶体光纤等微结构光纤探针用于SERS检测,它们提供的微通道扩大了激光与金属纳米结构之间的接触面积,但与其他设备的集成和高成本限制了它们的应用。

       倏逝波是发生全内反射时从光纤芯泄漏到包层的波长深度的光波。与传统的激发方法相比,利用光纤倏逝波激发SERS信号可以获得更大的相互作用面积,提高检测灵敏度,减少激发对金属纳米粒子的损伤。此外,倏逝波激发可以分离激光光路和采集光路,这有利于降低系统的复杂性和组装更方便的检测设备。本文提出了一种基于倏逝波激发的高灵敏度FTW SERS传感器,用于农药残留检测,采用水热合成法制备了银纳米立方体(Ag NCs)。采用氢氧焰加热-步进电机拉伸法制备了不同直径的FTWs。采用有限元软件模拟了不同直径Ag NCs和FTW的电场分布。采用静电吸附和激光感应的方法在FTW表面组装了Ag NCs,讨论了最佳光纤锥腰直径、最佳激光诱导功率和物镜倍数。以4-巯基苯甲酸(4-MBA)和福美双(thiram)为分析物,对FTW SERS底物的SERS性能进行了表征。测定4-MBA和thiram的检出限分别为109和108 M,计算出相应的增强因子分别为1.64 × 105和6.38 × 104。为了进一步验证本工作制备的光纤SERS传感器在实际样品中检测thiram的可行性,我们将thiram应用于番茄和黄瓜的果皮,并在果皮的上清液中进行检测。这表明利用倏逝波激发SERS信号可以获得优异的传感性能,在农药残留检测领域具有潜在的应用前景。

图 1 光纤锥腰SERS传感器的实验装置以及银纳米立方体组装到光纤锥腰的原理示意图

图 2 (a)不同浓度下4-MBA的SERS光谱,(b) 1580和1069 cm1处拉曼强度与浓度的关系。(c)在不同位置重复检测20次4-MBA(104 M)在1580和1069 cm1处的拉曼强度,(d)在4种FTW SERS衬底上分别检测到104 M 4-MBA的拉曼信号,并比较1580 cm1处的峰值强度

图 3 (a)番茄和黄瓜皮的加工过程。剥去涂有thiram的果皮,压成果汁,离心,提取的上清液转移到光纤SERS传感器上。(b) 10−5 M thiram对番茄和黄瓜皮的SERS光谱。(c)和(d)不同浓度thiram对番茄和黄瓜皮的SERS光谱