ACS Appl. Mat. Inter. ：石墨烯增強貴金屬的熱穩定性用于可循環利用SERS基底

【引言】

表面增強拉曼光譜（SERS）以其超高的靈敏性和無損檢測的特點，已經在物理，化學，生物學，醫學等領域展現了巨大的應用潛力。然而，傳統的“一次性”SERS基底由于較高的制作成本和復雜的制作過程不但限制了SERS的實際應用，而且使后續的重復實驗變得異常復雜。因此制作高穩定性和可循環使用的SERS基底就變的尤為必要。

【成果簡介】

近日，武漢大學的肖湘衡教授和蔣昌忠教授團隊在ACS Applied Materials & Interfaces上發表了名為“Improved Thermal Stability of Graphene-Veiled Noble Metal Nanoarrays as Recyclable SERS Substrates”的文章。該研究通過將石墨烯轉移在貴金屬陣列的表面，可以顯著的增強貴金屬的熱穩定性。熱穩定性的增強機理通過理論計算和實驗得以揭示：即石墨烯覆蓋在貴金屬的表面極大的抑制了貴金屬表面原子的振動，相比于裸露的貴金屬，石墨烯覆蓋的貴金屬的熔點有極大的提高。通過對石墨烯覆蓋的貴金屬進行高溫處理，從而可以實現基底表面吸附的分子自清潔作用，該SERS基底在循環了16次之后，依舊表現出很強的檢測能力。

【圖文導讀】

圖1.?SERS基底的循環利用示意圖

圖2. 不同溫度下Au三角陣列和Au/graphene的形貌(SEM)表征

(a) Au三角陣列和(b)Au/graphene未經過退火處理；(c) Au三角陣列和(d)Au/graphene在氬氣保護氛圍下200°C加熱30min；(e)Au三角陣列和(f)Au/graphene在氬氣保護氛圍下300°C加熱30min；(g) Au三角陣列和(h)Au/graphene在氬氣保護氛圍下400°C加熱30min；(i) Au三角陣列和(j)Au/graphene在氬氣保護氛圍下500°C加熱30min；

圖3.?退火處理前后的Au三角陣列和Au/graphene的AFM表征

(a) Au三角陣列和(e) Au/graphene未經過退火處理的AFM圖像；(c) Au三角陣列和(g) Au/graphene在氬氣保護氛圍下300°C加熱30min之后的AFM圖像; (b)和(d)分別對應(a)和(c)中沿著白線的高度圖；(f)和(h)分別對應(e)和(g)中沿著白線的高度圖.

圖4. Au三角陣列和Au/graphene對R6G循環檢測的拉曼光譜對比

(a)10^-5 M的羅丹明6G (R6G)吸附在Au三角陣列上經過一次檢測-退火過程的拉曼光譜;10^-5 M的R6G吸附在未經過退火處理的Au/graphene上的拉曼光譜. (b) 10^-5 M的R6G吸附在Au/graphene上經過15次循環檢測的拉曼光譜.

圖5. Au/graphene對阿莫西林的循環檢測及Au/graphene的檢測極限

(a) 10^-2 M的阿莫西林吸附在Au/graphene上經過2次循環檢測的拉曼光譜；(b)不同濃度的R6G 吸附在經過300°C退火處理的Au/graphene上的拉曼光譜.

圖6. Ag三角陣列和Ag/graphene對R6G循環檢測的拉曼光譜對比

(a)10^-5 M的羅丹明6G (R6G)吸附在Ag三角陣列上經過一次檢測-退火過程的拉曼光譜;10^-5 M的R6G吸附在未經過退火處理的Ag/graphene上的拉曼光譜. (b) 10^-5 M的R6G吸附在Ag/graphene上經過3次循環檢測的拉曼光譜.

【小結】

這篇文章通過簡單的將石墨烯覆蓋在貴金屬的表面可以極大的增強貴金屬的熱穩定性；利用這一性能，貴金屬在經歷了高溫處理后依舊保持其原有形貌從而維持貴金屬的拉曼增強能力的同時，達到清洗基底表面吸附的分子的目的。基于這一原理獲得了具有普遍適用的可循環SERS基底。實驗結果總結如下：

(1). 石墨烯覆蓋在貴金屬的表面可以極大的增強貴金屬熱穩定性，理論和實驗現象成功的解釋了增強的熱穩定性的原因：即石墨烯覆蓋在貴金屬的表面極大的抑制了貴金屬表面原子的振動，相比于裸露的貴金屬，石墨烯覆蓋的貴金屬的熔點有極大的提高，這可以使貴金屬在經歷了更高的溫度處理后依舊保持原有的形貌，從而保證了貴金屬在多次循環使用后仍然保持較強的拉曼增強能力。

(2). 石墨烯覆蓋的貴金屬陣列作為高穩定性和可循環使用的SERS基底，很好的解決了傳統的“一次性”SERS基底面臨的高成本和制作工藝復雜的問題。

(3).該SERS基底通過高溫來實現自清潔效果，從而可以對大多數分子進行可循環利用，這也保證了該循環使用的SERS基底具有普遍適用性。

文獻鏈接：Improved Thermal Stability of Graphene-Veiled Noble MetalNanoarrays as Recyclable SERS Substrates (ACS Applied Materials & Interfaces., 31 October, 2017, DOI: 10.1021/acsami.7b13708)

本文由武漢大學張新剛提供。

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