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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(qiáng)拉曼光譜（SERS）氣體檢測(cè)方面取得重要進(jìn)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(cè)方法。相關(guān)研究成果已被國(guó)際分析化學(xué)專業(yè)期刊Analytical Chemistry接收發(fā)表。
揮發(fā)性有機(jī)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(jiǎn)單、能耗低、凈化效率高等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)程研究對(duì)于吸附材料的設(shè)計(jì)、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(shí)、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(cè)試方法，其中關(guān)鍵點(diǎn)在于氣體檢測(cè)方法的突破。目前，金屬有機(jī)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(guò)MOF進(jìn)一步衍生而來(lái)的層狀雙金屬氫氧化物（LDH）具有增強(qiáng)的孔隙率和多個(gè)活性位點(diǎn)的化學(xué)親合力，與MOF相比，LDH具有分層介孔結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的離子組成，可以降低擴(kuò)散勢(shì)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(duì)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(cè)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(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程。
通過(guò)一系列表征技術(shù)證明了AgNCs@Co-Ni LDH的成功合成，多個(gè)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(cè)到濃度低至10-12M拉曼模型分子4-ATP。在檢測(cè)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(cè)靈敏度，這歸因于Co-Ni LDH增強(qiáng)了底物對(duì)苯甲醛氣體的吸附能力，從而提高了SERS信號(hào)強(qiáng)度和靈敏度。
基于以上構(gòu)建的SERS檢測(cè)方法，課題組進(jìn)一步研究了Co-Ni LDH對(duì)苯甲醛的吸附動(dòng)力學(xué)和吸附熱力學(xué)。擬一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型對(duì)吸附過(guò)程的擬合較好，相關(guān)系數(shù)高于擬二級(jí)動(dòng)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(diǎn)是均勻的，且以單層化學(xué)吸附為主。
SERS傳感器對(duì)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(yàn)證。結(jié)合主成分分析法可對(duì)相似的醛類氣體SERS譜圖降維分析，可實(shí)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(jià)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(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的資助。
圖1 AgNCs@Co-Ni LDH合成路線及苯甲醛檢測(cè)過(guò)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(duì)比的信號(hào)濃度響應(yīng)圖。（f-g）苯甲醛在Co-Ni LDH上的吸附動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線（擬一級(jí)動(dòng)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(lái)源：中國(guó)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(cè)方法
文字報(bào)道：林東岳
文章編輯：陳慧
