挥发性有机化合物表面增强拉曼散射研究

引言

挥发性有机化合物（VOCs）是一类沸点较低的有机分子。当空气中VOCs达到一定浓度时，人们就会出现头晕、乏力等症状。长时间处于VOCs含量过高的环境中，会对人的肾脏、肝脏、大脑等造成伤害，影响神经系统的正常运行。鉴于VOCs对生态环境和人类健康构成的严重威胁，准确、快速的测定VOCs及其含量是目前全球的研究热点之一。

表面增强拉曼散射（SERS）可以提供拉曼“指纹”光谱特征，是一种灵敏、快速、无创的光学检测工具。然而，普通的SERS基底（如Au和Ag纳米结构）在低浓度和高扩散性的气体样品检测方面仍面临巨大挑战。针对这一难题，南京师范大学王琛教授课题组提出，通过在金纳米粒子表面原位生长多孔共价有机框架（COFs）材料，利用COFs对气体的强富集能力和纳米金的等离激元共振增强效应，大幅提高了VOCs的检测灵敏度，从而实现了不同VOCs的精准区分和灵敏检测。为验证该方法的准确性和灵敏度，分析测试中心廖学巍老师利用传统的气相色谱和气质联用方法，对空气样品中的不同VOCs气体进行了分析和鉴定。实验结果表明，上述不同方法对VOCs的检测准确度一致，但SERS方法的检测灵敏度最高，拉曼增强因子达到1.03x10⁷，检测限低至ppb水平，苯胺、丙酮和苯甲醛的检测限分别低至10.6ppb、4.0ppm和24.2ppb。该方法为设计和制造高性能VOCs气体传感装置提供了一种具有高效前景的实验启示。

结果分析

图1 等离激元和化学双重增强拉曼信号传感器检测挥发性有机物示意图

图2（A）具有不同壳层厚度（3−50 nm）Au@COF的PERS性能示意图。（B）MBN孵育不同Au@COF壳厚度的PERS 光谱图。（C） 不同壳厚度的Au@COF在1074,1586和2227 cm^-1处的峰强。（D） MBN孵育后PERS光谱随时间的变化关系。（E） MBN孵育后2227 cm⁻¹处PERS峰值强度随时间变化的统计数据

图3（A） 使用Au@COF纳米传感器吸附、检测挥发性有机物示意图。（B） 空气和单个挥发性有机物的拉曼光谱。（C） 空气和各种挥发性有机物的拉曼光谱。（D） 空气和挥发性有机物的GC−MS光谱以及单个挥发性有机物标准样品的MS光谱。（E）Au@COF纳米传感器可回收性

结论

本文王琛教授课题组提出，在金纳米粒子表面原位生长多孔COFs材料，利用COFs对气体的强富集能力和纳米金的等离激元共振增强效应，可大幅提高VOCs的检测灵敏度，从而实现了不同VOCs的精准区分和灵敏检测。这一研究为VOCs的识别和检测提供了一种简单、灵敏和快速的方法，在农业、环境和人类健康等领域均具有良好的应用前景。

南京师范大学王琛教授课题组简介

王琛，南京师范大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，国家优秀青年科学基金获得者（2020年），江苏省“青蓝工程”优秀青年骨干教师、中青年学术带头人；南京师范大学本科、硕士，2011年博士毕业于南京大学化学化工学院生命分析国家重点实验室，2012-2016南京大学从事物理学博士后，2016-2017年麻省理工学院（MIT，美国）访问学者。至今，在Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem., Nano lett., ACS Nano, Anal. Chem.等学术期刊发表研究论文60 余篇；参编英文图书 《Nanobiosensors: From Design to Applications》(Wiley)；主持多项国家自然科学基金、江苏省重点研发、江苏省自然科学基金等项目；担任Chinese Chemical Letters期刊编委，中国分析测试协会青年学术委员会委员，江苏省材料学会副秘书长。

文章信息

本文以“Simultaneous Sensing of Multiplex Volatile Organic Compounds by Adsorption and Plasmon Dual-Induced Raman Enhancement Technique”为题发表在传感领域旗舰期刊《ACS Sensors》。南京师范大学谭政博士和青年教师王瑾为文章第一作者，南京师范大学王琛教授为通讯作者。

本研究采用的是北京卓立汉光仪器有限公司RTS2 多功能激光共聚焦显微拉曼光谱仪，如需了解该产品，欢迎咨询。

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