构筑集油水分离和表面增强拉曼散射为一体的双功能性聚合物/贵金属纳米纤维及其应用

Noble metal nanoparticles with unique local surface-plasmon resonance performance have been widely applied as surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates. In recent years, polymer/noble metal nanofibers have been demonstrated to be excellent SERS-active substrates. SERS leads to extraordinary success in few-molecule detections by concentrating optical radiation energy in hot spots, which are active only in the near-field region. Unfortunately, in most practical applications, molecules are dispersed in solutions (aqueous solution, organic solution or oil-water mixtures) and are free to diffuse into the liquid volume, far from the plasmonic sensitive surfaces. Superhydrophobic surfaces and plasmonics nanostructures are combined in a synergistic way to allow single-molecule detection in highly diluted solutions. Herein, we will develop some approaches to prepare polymer/noble metal hybrid nanofibers with integrated superhydrophobicity-superoleophilicity (or superhydrophilicity-superoleophobicity) and SERS activity. These nanofibers can separate molecules which were dispersed in oil-water mixture and concentrate molecules over the sensing nano-area, where plasmonic electric-field hot spots are used to carry out molecule detection. The detection sensitively toward molecules in a diluted solution, regardless of aqueous solution, organic solution or oil-water mixture, will be dramatically improved.

贵金属纳米粒子特异的局域表面等离子体共振性质被广泛用于表面增强拉曼散射光谱，其中聚合物/贵金属复合纳米纤维已被证实是一类优异的表面增强拉曼基底材料，能大幅度提高待测分子的检测灵敏度。然而，实际生活中大多数待测分子分散在水相、有机相/油相或水油混合相中，极稀的浓度导致待测分子常常远离贵金属纳米粒子的近场增强区域，因此如何提高对极稀浓度分子的检测灵敏性是目前研究热点之一。利用超疏水/超疏油表面上液滴浓缩检测的方法，待测分子被浓缩于表面等离子体电场热区，可有效提高超低浓度分子的检测灵敏性。本申请拟制备一系列超疏水超亲油或超亲水超疏油的聚合物/贵金属纳米纤维，利用纤维的超疏水超亲油或超亲水超疏油性，实现水油混合相中待测分子的分离与浓缩。同时，负载了贵金属纳米粒子的纤维表面具有超疏水或超疏油性，通过液滴浓缩的检测方法，可提高水相或油相中超低浓度分子的检测灵敏性。

贵金属纳米粒子特异的局域表面等离子体共振性质被广泛用于表面增强拉曼散射光谱，其中聚合物/贵金属复合纳米材料已被证实是一类优异的表面增强拉曼基底，能大幅度提高待测分子的检测灵敏度。然而，实际生活中大多数待测分子分散在水相、有机相/油相或水油混合相中。极稀的浓度导致待测分子常常远离贵金属纳米粒子的近场增强区域。同时，油水混合相中复杂的多种成分对待检测物的检测容易形成干扰。因此如何对油水混合相中低浓度的污染物进行检测，并提高对极稀浓度分子的检测灵敏性是目前研究热点之一。利用超疏水表面上浓缩检测的方法，待测分子被浓缩于表面等离子体电场热区，可有效提高超低浓度分子的检测灵敏性。本项目制备了一系列具有特殊浸润性的聚合物/贵金属纳米材料（包括纤维，气凝胶，铜网基底等），利用材料表面的特殊浸润性，实现水油混合相中待测物的分离与浓缩。同时，负载了贵金属纳米粒子的材料由于具有超疏水/超亲油性，通过液滴浓缩或吸附浓缩的检测方法，可提高水相或油相中超低浓度分子的检测灵敏性。为获得具有特殊浸润性的兼具油水分离和拉曼检测功能的材料，研究从以下两方面进行：一、合成具有特殊形貌、特殊表面结构和浸润性的贵金属纳米粒子，提高贵金属纳米粒子的表面增强拉曼活性，并将其与各种材料进行负载复合；二、对聚合物材料的制备方法及性能进行改进，将其与贵金属纳米粒子进行复合，增加材料表面的粗糙度，提高材料表面的疏水性。所制备的材料最终实现对油水混合溶液进行高效分离，并对水相和油相中的污染物进行分别检测。对油水混合液中水溶性R6G的最低检测浓度达到10-14M，油溶性Sudan III最低检测浓度达到10-12M，并实现对食品辣椒粉末表面有毒物质Sudan III的低浓度检测。本项目将水油分离与贵金属纳米粒子的表面增强拉曼效应结合在一起，提出超疏水亲油-油水分离-浓缩检测的概念，解决污水中的水溶性被检测物和油溶性被检测物相互干扰的问题，实现水溶性污染物与油溶性污染物分离和低浓度的痕量检测，具有很好的应用前景。