科研進展
基于離子徑跡技術(shù)的三維金納米線網(wǎng)格SERS 襯底研究獲重要進展
近日，中國科學院近代物理研究所材料研究中心團隊與香港城市大學等單位合作，提出一種具有優(yōu)異聚焦容忍性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的三維表面增強拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）襯底的設(shè)計方法。相關(guān)研究成果發(fā)表在《先進功能材料》（Advanced Functional Materials）上。
SERS 技術(shù)通過增強材料表面的局域電磁場強度，實現(xiàn)對低濃度分子拉曼散射信號的顯著放大，在生化傳感、生物醫(yī)學成像、食品安全與公共安全等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。然而，隨著應(yīng)用場景由實驗室向現(xiàn)場檢測和實際部署拓展，傳統(tǒng) SERS 襯底在激光聚焦容忍性不足以及結(jié)構(gòu)附著穩(wěn)定性有限等方面的問題日益凸顯。
在前期研究中，團隊基于離子徑跡技術(shù)，成功創(chuàng)制了一類突破尺寸極限兼具超高能量吸收能力的納米梁晶格力學超材料(Nat. Commun. 14, 1243 (2023); Adv. Energy Mater. 13, 2300129 (2023))?；谏鲜鲅芯炕A(chǔ)，研究人員進一步從三維納米線網(wǎng)格的光學特性出發(fā)，設(shè)計出一種兼具三維電磁熱點分布與高力學穩(wěn)定性的金納米線網(wǎng)格 SERS 襯底。
實驗結(jié)果表明，該金納米線網(wǎng)格襯底在 20 倍物鏡條件下，可在 192.8±19.6 μm的離焦范圍內(nèi)保持約 50% 的 SERS 活性，表現(xiàn)出顯著的聚焦容忍性。該襯底對非共振探針分子4-巰基吡啶的檢測限低至1×10?12 M，信號均一性高（相對標準偏差RSD < 10%）。由于納米線在三維空間形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該襯底結(jié)構(gòu)極為穩(wěn)固，能夠承受超聲波處理、水流沖刷乃至在黃河水等復(fù)雜成分環(huán)境中直接取樣等嚴苛物理考驗，同時保持SERS性能穩(wěn)定。
在機理研究方面，科研人員通過建立有效介質(zhì)模型，揭示了襯底優(yōu)異的聚焦容忍性源于增強的光散射速率、提升的局域光學態(tài)密度以及展寬的電磁本征模式之間的協(xié)同作用，進而使三維結(jié)構(gòu)具備高效的光捕獲能力和顯著的近場增強效應(yīng)。
該項研究工作得到國家自然科學基金、甘肅省科學技術(shù)廳及香港研究資助局的支持。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202525115
圖：具有聚焦容忍性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的三維金納米網(wǎng)格SERS襯底：a-b基于離子徑跡技術(shù)制備的三維金納米線網(wǎng)格模型；c金納米線網(wǎng)格實物的掃描電鏡照片，納米線直徑為35 nm；d 三維襯底在20倍物鏡下能夠在離焦范圍192.8±19.6 μm內(nèi)保持50%的SERS信號；e 超聲水應(yīng)力環(huán)境SERS穩(wěn)定性測試，在30分鐘超聲后仍能保持信號穩(wěn)定；f 有效介質(zhì)模型反映出納米線網(wǎng)格結(jié)構(gòu)在激發(fā)光附近的高局域態(tài)密度。
（材料研究中心 供稿）
