贵金属/石墨烯纳米复合结构的构筑及其在SERS检测芳香族有机污染物中的应用

Aromatic organic pollutants (AOPs) are the persistent organic pollutants with benzene rings, imposing a big threat to human health and ecological environment. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is believed to be a good technique for the detection of trace AOPs owing to its simplicity and rapidity. However, the reproducibility and sensitivity of SERS signals are the two key problems to be solved. In this project, the noble metal/graphene nanocomposites will be prepared in situ and controllably, by creating graphene defects and edges as chemical nucleation sites, based on a new type of SERS sensing platforms, the continuous graphene films grown on Cu and Ni foils by CVD. The as-prepared composite substrates are expected to be a solution to the problems: the optimized structures allowing the signal reproducibility, the high adsorption ability of graphene and the π～π interaction between graphene and AOPs giving the signal sensitivity. Additionally, the interface behavior and dynamic process for the enrichment of AOPs will be investigated. Finally, the structure-optimized composite substrates and corresponding synthetic strategies will be achieved, which enable the rapid detection of trace AOPs in the environment.

芳香族有机污染物（AOPs）是一类含苯环的持久性有机污染物，对人类健康和生态环境危害极大。表面增强拉曼散射（SERS）技术具有简便、快速等优点，在痕量AOPs的检测中有重要应用，但SERS检测AOPs的信号重复性和灵敏度是关键难题。本项目中，我们提出以Cu、Ni箔上CVD工艺生长的连续石墨烯薄膜为新型SERS平台，通过制造石墨烯缺陷/边界作为化学合成形核点，原位、可控制备结构均匀或有序的贵金属/石墨烯复合SERS基底，探索SERS性能与结构的关联规律，解决信号重复性的难题。同时，该SERS基底能够利用石墨烯超强的吸附能力以及与AOPs之间的π～π相互作用实现对AOPs的靶向富集，研究SERS基底对AOPs分子捕获的界面行为和动力学过程，解决信号灵敏度的难题。项目的实施，将获得高效的贵金属/石墨烯复合SERS基底及其构筑方法，为SERS效应检测AOPs提供科学依据和技术支持。

芳香族有机污染物（AOPs）是一类含苯环的持久性有机污染物，给人类健康和生态环境造成了巨大威胁，其监测迫在眉睫。表面增强拉曼散射（SERS）技术具有简单、高效等优点，有望实现AOPs的快速、痕量检测。SERS检测AOPs的信号重复性和灵敏度是待解决的关键问题。本项目针对贵金属/石墨烯复合衬底制备和AOPs检测两方面开展工作。对于衬底：一方面按照项目提出的以铜、镍箔上 CVD生长的石墨烯薄膜为新型SERS平台，进行了基于石墨烯缺陷的化学合成（原电池反应）和基于聚苯乙烯球模板的物理合成（热蒸发），获得了几类信号均匀的高活性二维复合SERS衬底，如银纳米颗粒膜/褶皱化石墨烯膜，银纳米颗粒-石墨烯微盘阵列，三角环形（及叠加三角形）银纳米颗粒阵列/单层石墨烯膜等；另一方面，使用氧化石墨烯胶体（避免石墨烯膜转移时的污染和破损），基于模板（聚苯乙烯球和静电纺丝膜）和溅射镀膜构筑三维衬底，获得了金纳米颗粒/氧化石墨烯/金球壳阵列（及金纳米管网络膜）三明治结构等；优化、评估了衬底的SERS性能，结合理论模拟阐明增强机制。对于AOPs检测：选取多环芳烃、氯代/硝基芳烃及一些农药为代表分子，分析复合衬底的检测极限和选择性，理论模拟分子在石墨烯上的吸附状态，模拟环境多种体系考察衬底的实用性；结果表明，石墨烯能显著提高AOPs的富集，增强了检测敏感性，复合衬底可用于环境监测。这些工作为SERS效应检测AOPs提供了科学依据和技术支持。相关研究结果已发表SCI论文8篇，有多篇在投稿或准备中，申请专利6项（已授权2项），培养硕士研究生7人，较好的完成了预期目标。