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全固态柔性能量转换存储薄膜-银纳米线复合结构实现拉曼信号的双重增强

表面增强拉曼(SERS)最早在电化学电池中发现,此后激发了人们对等离子体增强拉曼光谱(P-SERS)研究热情。由于P-SERS在分子检测方面具有诸多优势,已广泛应用于化学、材料、医药检测、生命科学等领域。在各类P-SERS中,电化学增强拉曼光谱(E-SERS)具有对拉曼信号双重增强(电场增强、表面等离子共振增强)的独特优势。由于E-SERS的设置需结合电化学工作站和拉曼光谱,因此其测试基底需同时具备导电和具有贵金属微纳米结构的特征,这些复杂的要求极大地阻碍了E-SERS的发展。制备出不依赖于电化学工作站的自供能-等离子共振耦合基底来实现E-SERS测试,将会极大地促进E-SERS的发展。


全固态柔性能量转换存储薄膜-银纳米线复合结构实现拉曼信号的双重增强

图1. 电场-等离子共振双重拉曼信号增强基底结构及工作原理和增强效果示意图。(a)基底由银纳米线、柔性压电/高介电能量转换及储存薄膜、铜箔三部分组成。其中薄膜由化学修饰的石墨烯作为填料,添加到PVDF-HFP中制备而成。(b) 薄膜工作时通过手指按压产生电场,增强的拉曼信号可在薄膜上任意一处获得。(c)薄膜带电状态得到的信号(E-SERS)强度为不带电状态(SERS)的大约10倍。

中国地质大学(北京)材料科学与工程学院资源循环利用与环境能源新材料创新团队张以河、安琪、佟望舒等联合指导博士生李海涛,采用具有自主研发的能量转换与储存石墨烯复合薄膜代替电化学工作站为拉曼测试基底提供电能,实现了电场、贵金属等离子共振双重增强的拉曼检测。


该基底集能量转换、储存、转移及信号增强多重功能于一体,基底整体设计简洁安全,属于全固态柔性高分子复合材料功能薄膜,不仅可以做成便携式智能基底,也可集成到手套、衣服上,做成具有拉曼信号增强作用的可穿戴设备。利用双重拉曼信号增强基底可以检测到市场购买的苹果和黄瓜等水果的农药残留,可以评估蔬菜、水果、餐具清洁程度及洗涤剂的残留,还可以检测手机表面的蛋白残留物等,有望在现场快速拉曼检测中得到应用。


创新点:通过将柔性能量转换储存石墨烯复合薄膜与银纳米线进行耦合,制备了原位自供能基底,实现了电场-等离子共振双重拉曼增强。该基底将复合薄膜产生的形变转为电能,通过驱动薄膜中的电子注入到银纳米线增强热点处的电磁场,实现拉曼信号的双重增强。该基底无需外部能源,体积小, 操作方便。工作时只需手指按压基底即可实现原位能量转换-储存-转移-应用的一系列过程,在快速现场检测农残、水质等方面具有潜在应用。

关键词:能量转换,石墨烯,拉曼光谱,智能材料,表面化学


相关工作发表在Angew. Chem. Int. Ed. (DOI:10.1002/anie.201610737),原文链接如下,或者点击下方阅读原文

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201610737/abstract


作者: Haitao Li, Han Dai, Yihe Zhang,* Wangshu Tong, Hua Gao, Qi An*


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