用于污染物超灵敏检测的纳米结构可重复使用的基质

表面增强拉曼散射(或光谱学)，称为SERS，是一种先进的分析方法，可将拉曼应用的范围扩展到痕量分析，例如水中或不同液体中污染物的百万分之一级检测。SERS在生物化学、法医学、食品安全、威胁检测和医学诊断等领域具有很大的应用潜力。

但在将该方法应用于工业和临床水平之前，仍然需要廉价且可靠的SERS基底，以允许可再现的光谱信号。基尔大学的材料科学家通过开发具有等离激元和光催化纳米结构的新基板，将SERS方法提升到一个高级水平。它提高了灵敏度、空间和时间分辨率，并导致比经典SERS分析强大50倍。

研究人员将这种新基板设计为可重复使用，从而显着降低了成本。他们的研究结果发表在Small杂志上。

基质起着至关重要的作用

拉曼光谱——以物理学家和诺贝尔奖获得者ChandrasekharaVenkataRaman的名字命名——是一种确定材料化学成分的方法。因此它也可以检测有害物质。为此，用激光照射材料样品。根据反射拉曼信号，可以得出有关材料特性的结论。

“底物在这种分析技术的性能中起着最关键的作用，因为与激光的相互作用会影响拉曼信号，”JosiahNgenevShondo解释说。作为多组分材料主席的博士研究员，他致力于改进水中污染物的检测和光催化清理。

通过结合具有不同特性的材料，研究人员现已成功生产出一种用于SERS分析的新型底物，与传统SERS相比，该底物将拉曼信号增强了50倍。

OralCenkAktas教授说：“对于这种方法，这比以往任何时候报道的都要多。”这极大地提高了微量材料分析的灵敏度、空间和时间分辨率。因此，现在即使是非常少量的材料也可以在短时间内进行分析。在材料分析前后，研究人员分别用紫外线照射基材以进行活化和清理。

“通过这种方式，分析物被分解，而非常昂贵的底物现在可以重复使用几次。我们证明我们的底物可以重复使用至少20次而不会损失其拉曼活性，”Aktas继续说道。

基板将SERS方法提升到高级水平

研究人员创造了由纳米柱状结构、纳米裂纹网络、纳米级混合氧化物相和纳米金属结构(“4N-in-1”)组成的新型表面。该表面增强了拉曼信号并提供了高检测灵敏度。最近提出了SERS方法的新扩展PIERS(PhotoInducedEnhancedRamanSpectroscopy)。

凭借其新颖的PIERS底物“4N-in-1”，研究团队结合了等离子体和光催化概念，以在SERS分析中实现高分辨率和信号增强。“我们的基板在同一基板上结合了各种卓越的特性。除了等离子体纳米结构外，它还由极其活跃的二氧化钛层组成，”SalihVeziroglu博士说。

进一步的计划：分拆并与人工智能方法结合

“这种基质是我们主席多年的长期经验和各种专业知识的结果。现在我们希望将我们的发现从基础研究转化为应用，”主席FranzFaupel教授说。它们的基底可以很容易地与任何类型的拉曼光谱相结合，这可能会引发各种新的应用。

为了将他们先进的拉曼光谱法推向市场，他们正在寻找实验室和分析技术领域的其他研究小组和公司。他们还计划将他们的方法与人工智能(AI)相结合，为材料分析创建一个全面的数据基础。这可以更快、更精确地检测单个分子。

Shondo在他即将完成的博士论文中已经研究了一个具体应用的想法。2018年，这位材料科学家获得了德国学术交流中心(DAAD)的奖学金来到基尔大学，打算为他的祖国尼日利亚的环境污染做点什么。该国大量石油矿藏的开采污染了土壤、河流甚至饮用水。

借助Shondo和他的同事开发的新底物，他看到了在尼日利亚将其与便携式拉曼光谱设备一起使用的潜力：“因为即使是少量的油也可以检测到甚至去除，这种方法可以在早期阶段使用并防止更严重的环境破坏。”