ACS NANO：Ti3C2Tx MXene 加載3D基板增強(qiáng)拉曼光譜實(shí)現(xiàn)片上多氣體傳感
發(fā)布時(shí)間：2021-09-06 08:53:29 人氣：1171
一、文章概述
從醫(yī)學(xué)到環(huán)境科學(xué)，氣體傳感器是各個(gè)領(lǐng)域的核心，對(duì)氣體傳感器的需求正在迅速擴(kuò)大。然而，面對(duì)復(fù)雜的氣體樣品，如何在進(jìn)行多重檢測的同時(shí)保持高靈敏度仍然是困擾研究者的難題。文章通過將Ti3C2Tx MXene引入到三維(3D)可轉(zhuǎn)移SERS襯底的微流控氣體傳感器中，展示了一種既具有多路檢測能力又具有高靈敏度的強(qiáng)大氣體傳感器。MXene的使用使該傳感器對(duì)各種氣體具有普遍的高吸附效率，而在復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)中原位氣體渦旋的產(chǎn)生延長了分子在sers活性區(qū)停留的時(shí)間，這都導(dǎo)致了靈敏度的提高。在概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，根據(jù)氣體分子的固有SERS信號(hào)，對(duì)3種典型揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)的檢測限(LOD)達(dá)到10- 50 ppb。此外，設(shè)計(jì)良好的周期性三維結(jié)構(gòu)解決了一般SERS襯底的重復(fù)性問題。此外，利用經(jīng)典最小二乘分析(CLS)揭示了氣體混合物的詳細(xì)組成，平均準(zhǔn)確率為90.6%。此外，還開發(fā)了基于CLS結(jié)果的彩色條碼，以直觀地讀出樣品的復(fù)雜成分。
二、圖文導(dǎo)讀
圖1所示.基于膠體組裝的三維SERS襯底的制備與表征。(a-c) PS基板制備原理圖及相應(yīng)的SEM圖像。插入的SEM圖像的比例尺均為10 μm。(d-e) PS襯底的3D和2D AFM圖像。二維圖像的高度色條為0 ~ 2500nm。(f)用白實(shí)線標(biāo)記(e)的截面高度圖。(g i)雙金屬納米立方體的制備過程示意圖及SEM圖像。SEM圖像的比例尺均為100 nm。(j) PS襯底上負(fù)載雙金屬納米立方體的示意圖，(k)對(duì)應(yīng)的SEM圖像。比例尺為10 μm。插入圖像的比例尺為1 μm。
圖2.3D SERS襯底的轉(zhuǎn)移。(a c)待轉(zhuǎn)移的3D SERS襯底示意圖。(d)轉(zhuǎn)移基板的SEM圖像。比例尺為10 μm，插入圖像的比例尺為1 μm。(e)用激光切割膠帶轉(zhuǎn)移SEU的圖案襯底。數(shù)字照片中的比例尺為2毫米。(f)帶有轉(zhuǎn)移基板的人字芯片照片。所插入的圖像就是基片的光學(xué)顯微照片。左圖比例尺為2mm，右圖比例尺為5 μm。(g) R6G的SERS映射結(jié)果。色條從0到550，按1360 cm 1處的峰值強(qiáng)度。(h)在不同芯片上獲得的R6G光譜。(i)帶有雙金屬納米線的單凹坑內(nèi)電磁場的數(shù)值模擬。激發(fā)波長為632.8 nm。
圖3.單分子層Ti3C2Tx MXene的合成與表征。(a)單層Ti3C2Tx MXene制備示意圖及圖像。插入SEM圖像的比例尺分別為1 mm、5 μm和1 μm。(d)單層Ti3C2Tx MXene的2D AFM圖像和(e) MXene片沿實(shí)白線的高度變化。高度色條為1 ~ 3nm。(f) HRTEM測得的Ti3C2Tx MXene的元素映射結(jié)果和(g) EDX光譜。碳的信號(hào)來自Ti3C2Tx MXene和銅網(wǎng)上的碳膜。
圖4.典型揮發(fā)性有機(jī)物的檢測。(a)苯甲醛(e) DNT和(i)吲哚在100ppm條件下由SERS-Vortexene芯片檢測的結(jié)果。氣體(b)苯甲醛、(f) DNT和(j)吲哚在不同濃度下的SERS強(qiáng)度，分別根據(jù)其在1004、1340和756 cm 1處的峰值進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均采用s型函數(shù)擬合。(c)苯甲醛、(g) DNT和(k)吲哚在不同濃度下的全光譜二維疊加圖像。(d)苯甲醛、(h) DNT和(l)吲哚在100ppm濃度下的彩色條形碼。色條從0到100ppm。線寬與相對(duì)峰值強(qiáng)度成正比。
圖5.CLS方法提取的VOCs混合物在多路檢測中的SERS條形碼。(a)多重VOCs氣體檢測原理圖。(b)柱狀圖右y軸為CLS計(jì)算出的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)曲線按預(yù)設(shè)濃度計(jì)算出的強(qiáng)度之間的相對(duì)誤差。在左y軸上，14組CLS擬合后的協(xié)方差用散點(diǎn)表示。(c)樣例三元混合氣體的SERS光譜。(d)由CLS結(jié)果計(jì)算出的每個(gè)蒸發(fā)化合物的光譜。(e)每幅作品的彩色條碼。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)檢測曲線，由計(jì)算出的濃度轉(zhuǎn)換成濃度。混合物的條形碼是三個(gè)獨(dú)立條形碼疊加的結(jié)果。色條從0到100ppm。
三、全文總結(jié)
綜上所述，通過將轉(zhuǎn)移的三維SERS襯底與超柔性Ti3C2Tx MXene相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了SERS- vortexene芯片的同時(shí)和直接多路氣體傳感，表現(xiàn)出了高靈敏度、多路檢測能力和良好的重現(xiàn)性等優(yōu)良的傳感性能。通過控制實(shí)驗(yàn)和理論模擬證明，微流控通道內(nèi)三維結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的氣體渦旋延長了氣體分子的剩余時(shí)間，顯著提高了靈敏度。此外，MXene材料對(duì)VOCs優(yōu)異的吸附能力也對(duì)提高檢測靈敏度起到關(guān)鍵作用。另一方面，為了實(shí)現(xiàn)多重檢測能力，結(jié)合CLS方法開發(fā)了可視化的SERS條形碼，有助于充分利用SERS技術(shù)的多重檢測能力。結(jié)合這些方法，該芯片識(shí)別苯甲醛、DNT和吲哚，多重檢測LOD低至10 ppb，誤差小至9%，解決了多重檢測能力和靈敏度之間的長期權(quán)衡問題。值得一提的是，這些方法也可以單獨(dú)使用，以提高檢測性能。此外，基于SERS指紋圖譜和MXene的普遍吸附能力，SERS- vortexene芯片通過建立光譜庫，可以充分支持多種VOCs及其混合物的識(shí)別。作者期望所提出的SERS-Vortexene芯片有助于進(jìn)一步研究超柔性MXene和sers -微流控技術(shù)，并有助于開發(fā)具有平衡的多功能性和靈敏度的先進(jìn)氣體傳感器。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01890
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