三维复杂超结构SERS活性基底的可控制备及对痕量爆炸物气体的快速检测

It is of great importance for fast detection of explosives TNT/DNT in national security, public sites, and environmental monitoring and protection. Since their low vapour pressure (＜100ppb) at room temperature, it is difficult to detect TNT/DNT gas. The characteristics of SERS technology for trace TNT/DNT gas detection and recognition provides a reliable new detection means. This project will base on the basic principle of the green chemistry and the manufacture of hierarchical structure, by utilizing molecular self-assembly and micro-nano synthesis method, to design and fabricate silver 3D complex super structure materials with high density SERS "hot spot" for trace TNT gas detection. To explore the synthesis method and principle of 3D complex super structure, and to controllable preparation of novel super structured materials with both high Raman enhancement and capture molecular abilities. We will carry out the studies the SERS effect of a single complex super structured particle, as a SERS mechanism model, to clarify the possible SERS enhancement mechanism of this structure. And we will further explore the gas adsorption and desorption mechanism, using the high Raman enhancement abilities and the ability to capture molecules of the super structure material, to fulfill fast, high sensitivity detection of trace TNT gas. Finally, we will manufacture chemical sensors using super structured material with ideal SERS performance, design and assembly a portable SERS detection equipment to directly detect and analyse trace nitro-explosives gas.

爆炸物TNT/DNT的快速检测在国家安全、公共场所以及环境监测和保护方面具有重要意义。室温下TNT/DNT的蒸气压低（＜100ppb），直接检测困难。SERS技术的特点为痕量TNT/DNT气体的检测和识别提供了一种可靠的现场检测新手段。本项目将从绿色化学和分级结构制造的基本原理出发，运用分子自组装及微纳米合成等手段，重点针对TNT设计和制备具有高密度SERS"热点"的银三维复杂超结构。探索三维复杂超结构合成方法和原理，可控制备兼具高拉曼增强能力和分子捕获能力的新型超结构材料。研究复杂超结构单个粒子的SERS效应,作为SERS机理模型，阐明此结构可能的SERS增强机理。探讨气体的吸附和解吸附机制，利用三维复杂超结构材料优异的性能，达到对痕量TNT气体的快速、高灵敏性检测。将理想SERS性能的超结构材料制成化学传感器，并设计和组装基于硝基爆炸物气体现场直接检测和分析的便携式SERS检测设备。

爆炸物TNT/DNT的快速检测在国家安全、公共场所以及环境监测和保护方面具有重要意义。本项目针对TNT设计和制备了多种形貌具有高密度SERS“热点”的银三维复杂超结构。主要内容如下：（1）制备了双功能Fe3O4@C@Au复合结构材料，该结构兼具优良的表面增强拉曼效应（SERS）和催化降解性能。其对亚甲基蓝（MB，E-7 M）具有较好的SERS增强效应；在10分钟内可以降解掉MB，且该基底具有重复利用性，基底重复使用6次后仍然能恢复其催化活性。（2）制备了Fe3O4-Au/Ag复合纳米结构，具有很好的磁相应行为。在外部磁场的诱导下该结构表现出不同的聚集状态，有利于增强其拉曼性能。该结构的聚集体对罗丹明（R6G）的检测可低至E-7 M, 增强因子高达E+6，在超痕量检测中具有很强的应用前景。（3）设计和制备了一系列LnF3/Ag复合纳米粒子。Raman测试表明具有纺锤形的LnF3/Ag复合纳米粒子具有最佳的增强能力，其对R6G的最低检测浓度为E-15 M，计算得到其增强因子高达E+12，以对巯基苯甲酸作为探针分子其最低检测浓度为E-12 M，实现了超痕量检测的要求。（4）设计和制备了三维NiCo@SiO2@Ag复合纳米结构，该结构具有快速的磁响应性和良好的可循环利用性。作为SERS基底，MBA和p-ATP为探针分子，最低检测浓度为E-7 M，达到了痕量检测的要求。该基底的标准偏差小于13 %，具有很好的均匀性。该基底在循环3次后仍然具有很强的增强能力，且性能没有明显的变化。（5）制备了EuF3-Ag和TbF3-Ag复合纳米结构，研究了其荧光性能和Ag含量的关系，发现了基于表面等离子体共振的表面增强荧光现象。（6）将筛选出的理想SERS性能的超结构材料制成化学传感器，室温下利用便携式拉曼光谱仪实现了对爆炸物TNT,DNT气体的痕量检测，检测时间仅为10秒。设计和组装了基于硝基爆炸物气体现场直接检测和分析的便携式SERS检测设备。项目主要创新点是（a）技术创新：即利用SERS技术实现对痕量爆炸物快速、高灵敏性、无损的原位检测，适合公共场所和野外的现场检查；（b）应用创新：开发的超结构材料和组装的便携式检测设备不仅可检测痕量爆炸物，还可快速检测毒品、生物气溶胶、重金属离子等痕量分析物。