ACS NANO：Ti3C2Tx MXene 加載3D基板增強拉曼光譜實現片上多氣體傳感
一、文章概述
從醫學到環境科學，氣體傳感器是各個領域的核心，對氣體傳感器的需求正在迅速擴大。然而，面對復雜的氣體樣品，如何在進行多重檢測的同時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大氣體傳感器。MXene的使用使該傳感器對各種氣體具有普遍的高吸附效率，而在復雜的納米結構中原位氣體渦旋的產生延長了分子在sers活性區停留的時間，這都導致了靈敏度的提高。在概念驗證實驗中，根據氣體分子的固有SERS信號，對3種典型揮發性有機化合物(VOCs)的檢測限(LOD)達到10- 50 ppb。此外，設計良好的周期性三維結構解決了一般SERS襯底的重復性問題。此外，利用經典最小二乘分析(CLS)揭示了氣體混合物的詳細組成，平均準確率為90.6%。此外，還開發了基于CLS結果的彩色條碼，以直觀地讀出樣品的復雜成分。
二、圖文導讀
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)用白實線標記(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襯底上負載雙金屬納米立方體的示意圖，(k)對應的SEM圖像。比例尺為10 μm。插入圖像的比例尺為1 μm。
圖2.3D SERS襯底的轉移。(a c)待轉移的3D SERS襯底示意圖。(d)轉移基板的SEM圖像。比例尺為10 μm，插入圖像的比例尺為1 μm。(e)用激光切割膠帶轉移SEU的圖案襯底。數字照片中的比例尺為2毫米。(f)帶有轉移基板的人字芯片照片。所插入的圖像就是基片的光學顯微照片。左圖比例尺為2mm，右圖比例尺為5 μm。(g) R6G的SERS映射結果。色條從0到550，按1360 cm 1處的峰值強度。(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電磁場的數值模擬。激發波長為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的元素映射結果和(g) EDX光譜。碳的信號來自Ti3C2Tx MXene和銅網上的碳膜。
圖4.典型揮發性有機物的檢測。(a)苯甲醛(e) DNT和(i)吲哚在100ppm條件下由SERS-Vortexene芯片檢測的結果。氣體(b)苯甲醛、(f) DNT和(j)吲哚在不同濃度下的SERS強度，分別根據其在1004、1340和756 cm 1處的峰值進行測定。實驗數據均采用s型函數擬合。(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。線寬與相對峰值強度成正比。
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計算出的強度與標準曲線按預設濃度計算出的強度之間的相對誤差。在左y軸上，14組CLS擬合后的協方差用散點表示。(c)樣例三元混合氣體的SERS光譜。(d)由CLS結果計算出的每個蒸發化合物的光譜。(e)每幅作品的彩色條碼。根據標準檢測曲線，由計算出的濃度轉換成濃度。混合物的條形碼是三個獨立條形碼疊加的結果。色條從0到100ppm。
三、全文總結
綜上所述，通過將轉移的三維SERS襯底與超柔性Ti3C2Tx MXene相結合，實現了SERS- vortexene芯片的同時和直接多路氣體傳感，表現出了高靈敏度、多路檢測能力和良好的重現性等優良的傳感性能。通過控制實驗和理論模擬證明，微流控通道內三維結構產生的氣體渦旋延長了氣體分子的剩余時間，顯著提高了靈敏度。此外，MXene材料對VOCs優異的吸附能力也對提高檢測靈敏度起到關鍵作用。另一方面，為了實現多重檢測能力，結合CLS方法開發了可視化的SERS條形碼，有助于充分利用SERS技術的多重檢測能力。結合這些方法，該芯片識別苯甲醛、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衡問題。值得一提的是，這些方法也可以單獨使用，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及其混合物的識別。作者期望所提出的SERS-Vortexene芯片有助于進一步研究超柔性MXene和sers -微流控技術，并有助于開發具有平衡的多功能性和靈敏度的先進氣體傳感器。
文章鏈接：
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01890
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