构建可复制和可回收的 SERS 基板的磁组装路线

介绍

由于整合了独特的光谱指纹、高灵敏度和无损数据采集的无与伦比的优势，表面增强拉曼散射 (SERS) 光谱作为一种强大且极其灵敏的分析技术，在生物化学中具有广泛的潜在应用，受到了广泛的探索。化学合成、食品安全、环境监测等[1,2,3]。自从首次发现粗糙的银金属表面可以极大地增强吸附分子的拉曼散射光谱，SERS基底因其与拉曼信号的强相关性而一直是研究的焦点[4, 5]。聚集体中的间隙或结点，后来被称为“热点”，被发现有助于强拉曼信号[6]，然后在各种具有“热点”的贵金属纳米结构材料的设计和合成方面取得了很大进展包含结构[7]。

到目前为止，由 SERS 活性 NPs 和纳米结构支撑材料组成的各种材料已被设计用于更高的增强 [8, 9]。通常，SERS 基材可分为两大类：结构化薄膜和胶体颗粒。对于结构化薄膜，它们通常是通过电子束光刻、AAO模板和聚苯乙烯等胶体阵列模板[10,11,12,13,14]等复杂程序制造的，这些结构化薄膜的表面相当均匀，这是有益的用于改进可重现的 SERS 信号。然而，制造过程非常耗时，而且制备具有小于 5 nm 的可控纳米间隙的纳米图案表面也很困难 [15]。因此，结构化表面的 SERS 增强通常远小于通过湿化学方法制备的贵金属颗粒或分级微球，因为密集的纳米级间隙遍布整个分级颗粒 [16,17,18]。遗憾的是，虽然分级贵金属颗粒作为SERS基底的信号灵敏度非常好，但由于无序聚集[19]，其重现性相对较差。

为了解决不规则的“热点”分布，利用自组装策略实现有序聚集，从而在纳米级构建块之间产生相对均匀分布的“热点”[20, 21]。基于不同的力开发了各种方法，包括表面张力、共价相互作用以及范德华力和静电吸引力 [22,23,24,25,26,27,28,29]。例如，Bai 等人通过受控蒸发沉积工艺制造了大面积垂直排列的金纳米棒阵列 [23]。 Kim 等人报道了一种基于 PS-b-P4VP 胶束制备超高密度银纳米团簇阵列作为 SERS 基底的简单方法，该方法具有高灵敏度和出色的重现性 [28]。这些报道的贵金属颗粒的薄膜组装表现出高度可重现的 SERS 信号，但与悬浮方法相比，分析物的结合率较低。

磁性贵​​金属微球可以通过磁分离有效地捕获溶液中的分析物，并在将它们固定在载玻片上后表现出优异的 SERS 性能 [30,31,32]。此外，还引入了光催化材料来制造自清洁 SERS 基材，这使得 SERS 基材易于回收 [33, 34]。遗憾的是，这些多功能磁性复合微球虽然可以在外磁场作用下快速结合分析物并形成薄膜，但生成的薄膜往往是无序的，导致“热点”分布极不均匀，SERS信号重现性较差。因此，所有这些在 SERS 应用中的磁性贵金属微球都仅限于作为磁分离工具。尽管磁性组装因其在外部磁铁下的简单操作而具有吸引力，但它需要构建块的高度单分散性，特别是对于三维组装[35]。到目前为止，还没有研究报道使用磁性组装路线构建可重复和可回收的SERS基底。

在此，在自制的超声辅助反应系统中成功合成了单分散多功能 Fe3O4@SiO2@TiO2@Ag (FOSTA) 复合微球，该微球是磁性组装的合适构件。如方案 1 所示，多功能 FOSTA 复合微球可以首先通过分散和磁分离有效地从溶液中捕获分析物 (R6G)，用于 SERS 分析。然后，这些 FOSTA 复合微球在具有外部磁场的载玻片上组装成均匀的薄膜，有望表现出高度灵敏和可重复的 SERS 性能。此外，使用过的FOSTA复合微球可以通过紫外线照射光催化降解吸附的分析物来回收利用。

多功能FOSTA复合微球的磁性操纵用于可重复和可回收的SERS基底

实验部分

Fe3O4@SiO2@TiO2微球的合成

单分散的 Fe3O4@SiO2 微球是通过我们之前的报告合成的 [36]。 TiO2壳包覆在超声波槽中进行以避免聚集。在典型的合成中，Fe3O4@SiO2（20mg）分散在羟丙基纤维素（0.1g）、乙醇（45mL）和去离子水（0.1mL）的混合物中。 30 分钟后，使用蠕动泵将 1 毫升四丁氧基钛的乙醇 (5 毫升) 溶液完全注入混合物中 15 分钟。然后，将超声槽中的水逐渐加热至 85℃并回流 100 分钟。产物经外磁分离，乙醇反复洗涤后，再分散于含聚乙烯吡咯烷酮（PVP，1.0 g）的75 mL去离子水中超声30 min，然后将溶液转移到聚四氟乙烯高压釜中转化在 180 °C 下将无定形 TiO2 壳转变为锐钛矿结构。

FOSTA 微球的合成

银壳涂层也在超声波罐中进行以避免聚集。将上述Fe3O4@SiO2@TiO2微球（约25mg）分散在含有AgNO3（0.1g）和PVP（1g）的水/氨/乙醇混合溶液（2mL/0.2mL/13mL）中，然后，整个溶液在超声波的帮助下在 40°C 下分散 30 分钟。然后将温度升至85°C。一定时间后将烧瓶从超声波罐中取出，产品被外部磁铁瞬间分离，然后用乙醇洗涤数次。最终产物保存在乙醇中以供进一步表征和使用。

特征化

通过 X 射线衍射 (XRD)，在 10° 至 80° 的 2θ 范围内，使用 Cu Kα 辐射（飞利浦 X'pert 衍射仪）、扫描电子显微镜（SEM，Hitachi S-4800）和透射分析仪分析产品电子显微镜（TEM，JEOL-2010）。使用超导量子干涉装置磁力计（SQUID，Quantum Design，MPMS XL）进行磁测量。

SERS 测量

R6G 用作拉曼探针以测试 SERS 基材的重现性。首先制备不同浓度的R6G溶液(20mL)，加入上述制备的FOSTA复合微球乙醇溶液，置于摇床上2h。然后，产物用外磁体萃取并用乙醇洗涤。将剩余的溶液滴在干净的硅丸上，下面有圆形磁铁，然后用培养皿覆盖溶液，静置直至所有乙醇蒸发。整个过程在防震平台上进行。残留溶液在空气中缓慢干燥后，在拉曼仪器（LABRAM-HR）下测量基板，在本研究中其激发波长为633 nm。聚焦在样品表面的激光光斑直径约为3 μm，每个光谱的采集时间为3 s。

光催化和回收试验

以R6G为模型测试所得FOSTA复合微球的光催化性能。将样品 (40 mg) 分散在 R6G 溶液 (40 ml, 10 ^-5 M) 并在黑暗中保持 30 分钟进行暗吸附实验。并将上述溶液分成八等份，放入自制的以300W汞灯为光源的光催化装置中。收集各个照射时间间隔的一份等分试样 (5.0 mL) 并离心以除去光催化剂。通过在紫外-可见吸收光谱仪（上海仪器分析仪器有限公司）上测量 525 nm 处的吸光度来定量分析上清液。回收试验除紫外光照射时间为100 min，样品在SERS试验前用去离子水冲洗数次以去除残留离子外，按上述步骤进行。

结果与讨论

根据我们设计的路线，单分散的 Fe3O4 微球是磁性组装的关键因素。在这里，它们是通过我们小组先前报道的水热法合成的 [36]。如图 1a、e 和 j 所示，合成了直径为 200 nm 的单分散 Fe3O4 微球，它们分散得很好，没有明显的聚集。为了进一步提高颗粒的分散性和外壳生长的相容性，通过 Stöber 方法将二氧化硅层涂覆在 Fe3O4 微球上。如图 1b 所示，获得了均匀的 Fe3O4@SiO2 复合微球，并且在制备 SEM 样品期间由于它们的高形状和尺寸单分散性，它们倾向于形成六边形堆积的超结构，如图 1b 和 f 所示。虽然均匀的 Fe3O4@SiO2 复合微球是一个很好的磁性平台，可以作为后续壳生长的磁性平台，但在 TiO2 和 Ag 异相沉积过程中应建立一个特殊的反应系统以避免聚集，在我们的超声槽中集成了机械搅拌器和回流装置。实验。未使用机械搅拌器和超声波合成的 Fe3O4@SiO2@TiO2 复合微球见附加文件 1：支持信息中的图 S1 和 S2，由于颗粒或颗粒之间的排斥力降低，观察到聚集颗粒或表面粗糙的颗粒壳涂层过程中的不均匀反应溶液 [37]。并且可以在自制的反应系统中使用超声波和机械搅拌器成功制备分散性良好的 Fe3O4@SiO2@TiO2 微球，如图 1c 所示，外壳由图 1g 和 k 中的微小 TiO2 纳米颗粒组成。通过水热处理将无定形TiO2壳转变为锐钛矿结构后，通过原位法进一步包覆银，其中银离子被PVP缓慢还原。获得的 FOSTA 复合微球仍然保持良好分散（图 1d），并且致密的 Ag 纳米粒子沉积在图 1h 和 i 中的 TiO2 壳上。根据上述结果，使用自制装置通过多步包衣程序合成了多功能 FOSTA 复合微球。机械搅拌与回流一起保证了反应的均匀进行，其中超声波保证了磁芯在包衣过程中得到很好的分散。综上所述，合成了单分散多功能FOSTA复合微球，可作为磁性组装的积木。

(a , e , i ) Fe3O4, (b , f , j ) Fe3O4@SiO2, (c , g , k ) Fe3O4@SiO2@TiO2, 和 (d , h , l ) Fe3O4@SiO2@TiO2@Ag微球，分别

上述每个涂层步骤的合成产物均通过 X 射线粉末衍射仪 (XRD) 进行表征。图 2a 中 Fe3O4 的特定 XRD 的特征在于位于 35.3°和 62.4°（黑点）的两个峰，它们对应于 Fe3O4 立方相的（311）和（440）晶面（JCPDS Card no. 75-0449），分别。涂上非晶SiO2 层后，在图2b 中观察到一个以23° 为中心的宽峰[38]。当沉积另一层 TiO2 并进行水热处理时，Fe3O4@SiO2@TiO2 微球的 XRD 谱显示与 Fe3O4 相比，图 2c 中位于 25.3°、37.9°和 48.0°（红色三角形）处的几个额外峰@SiO2 微球，对应于锐钛矿相的 (101)、(004) 和 (200) 平面的反射（JCPDS 卡片编号 75-2545）。在Fe3O4@SiO2@TiO2微球表面沉积致密的Ag纳米颗粒后，由于图2d中38.1°和44.6°（蓝星）处的强峰，上述材料的衍射峰仍然可以观察到，但很模糊，它们被索引为 (111) 和 (200) 的 Ag 立方相（JCPDS 卡，编号 4-783）。图 2 中的 XRD 图案表明特征衍射峰对应于尖晶石 Fe3O4、无定形 SiO2、锐钛矿 TiO2。 FOSTA 复合微球中的立方相 Ag NPs。特征XRD图谱表明，在Fe3O4微球上依次包覆了三个不同的层，与设计路线一致。

(a ) Fe3O4, (b ) Fe3O4@SiO2, (c ) Fe3O4@SiO2@TiO2, 和 (d ) Fe3O4@SiO2@TiO2@Ag，分别

研究了 Fe3O4 和 FOSTA 复合微球的磁性，如图 3 所示。图 3a 所示的零矫顽力和可逆磁滞行为表明 Fe3O4 微球的超顺磁性。 Fe3O4 微球的室温饱和磁化强度为 73.3 emu/g，但继承自磁性 Fe3O4 颗粒的 FOSTA 复合微球的磁化强度由于额外的非磁性材料，包括 SiO2、TiO2 和 Ag 壳而明显下降。尽管其饱和磁化强度值（2.62 emu/g）大幅下降，但FOSTA复合微球仍可通过磁分离从悬浮体系中缓慢填充。

(a的室温磁滞曲线 ) Fe3O4 和 (b ) FOSTA复合微球

在 FOSTA 复合微球中，Ag 壳结构很重要，因为它不仅决定了 SERS 性能，而且影响了光催化性能，因此，Ag 壳的可控生长对于优化整体性能是必要的。在这里，PVP 作为一种温和的还原剂，除了表面活性剂之外，因此在 Fe3O4@SiO2@TiO2 微球上出现 Ag 核后的反应时间可以很容易地控制 Ag 纳米粒子的生长。对四种不同时间间隔的典型产品进行了采样和研究，将其命名为样品 I-IV（图 4）。如图 4a 所示，微小的银纳米粒子在 15 分钟时出现，然后这些银纳米粒子随着反应进行 20 分钟而变大，但它们没有相互接触。随着Ag纳米颗粒的不断长大，Fe3O4@SiO2@TiO2微球的大部分表面在25分钟时被覆盖。最后，Fe3O4@SiO2@TiO2微球表面被大的Ag纳米颗粒完全覆盖。在生长过程中，可以看出Fe3O4@SiO2@TiO2微球表面的Ag纳米颗粒从Ag纳米颗粒逐渐生长到完整的壳层。

SEM 图像 (a ), SERS 光谱 (b ), 和光催化性能 (c ) FOSTA复合微球在不同反应时间(I) 15、(II) 20、(I​​II) 25和(IV) 30 min的变化

上述不同间隔的样品首先作为SERS基底进行测试，使用R6G作为探针，相应的结果如图4b所示。从 500 到 1750 cm ^-1 的所有峰 图 4b 中被标记为 R6G 信号，其中峰值在 773 cm ^-1 是由于呫吨骨架的氢原子的面外弯曲运动，以及在 1187、1311、1363、1509 和 1651 cm ^-1 的其他峰 被分配到芳环的 C-H 面内弯曲、C-O-C 拉伸和 C-C 拉伸 [39]。 1363 cm处最强峰 ^-1 被选中进行比较。样品 I 显示出非常微弱的 SERS 信号，没有清晰可辨的峰，因为这些分离的 Ag 纳米颗粒太小。样品 II 表现出比样品 I 更强的 SERS 信号，因为局部 EM 增强随着粒径的增加而增加 [40, 41]。样品 III 的 SERS 信号进一步增强，因为这些分离的 Ag 纳米粒子的尺寸达到约 50 nm，据报道产生最强的增强 [40]。此外，这些银纳米粒子靠得很近，产生了大量的间隙作为“热点”[8]。然而，Ag纳米颗粒的持续生长最终使它们在样品IV中融合在一起，同时间隙消失，从而降低了它们的SERS活性。因此，与其他样品相比，样品 III 显示出最高的 SERS 性能。

然后使用 R6G 研究样品 I-IV 的光催化性能。如图 4c 所示，在紫外线照射下，样品 I-III 可以完全降解 R6G。如图 4c 的插图所示，磁性微球上的 TiO2-Ag 复合材料的 TiO2 核可以在紫外光下激发，电子从 TiO2 导带转移到 Ag 导带，然后产生高活性的氧化物质, 如 •O2 ^- 和•OH。这些氧化性物质随后会导致 R6G 降解 [42]。然而，随着 FOSTA 复合微球中 Ag 含量的增加，样品 I-IV 的降解能力表现出降低的趋势。先前的研究表明，负载在具有优化尺寸和密度的 TiO2 上的贵金属纳米颗粒是实现优异催化性能所必需的。并且较大的 Ag 含量可能不利于光降解性能，因为 Ag 颗粒也可以作为复合中心。因此，在我们的实验中，随着 Ag 含量的增加，总降解时间变长，样品 III 的降解时间长达近 3 小时。尽管样品 III 的降解效率相对较弱，但吸收的 R6G 分子仍然可以完全降解，满足自清洁的要求。因此，综合考虑，具有最强拉曼增强的样品III应该是组装SERS衬底的最佳构建块。

据报道，磁性组装是一种非常强大的组装方法，因为由场梯度驱动的磁性堆积力能够引起粒子的局部浓度，从而启动结晶过程 [43]。在这里，在外部磁场的引导下，FOSTA复合微球（样品III，下同）由于其超顺磁性和单分散特性而快速有效地组装成有序结构。如图 5a 所示，所获得的单分散 FOSTA 复合微球可以在外部磁铁下成功组装成大面积均匀的薄膜（称为“磁性组装薄膜”），并且可以从图 5b 中放大的局部区域。为了比较，还构建了由无外部磁场的 FOSTA 复合微球组成的薄膜（称为“自组装薄膜”），但在图 5c 中获得了结构无序的粗糙薄膜，这归因于溶剂蒸发过程中的随机聚集在图 5d。此外，磁性组装膜比自组装膜更光滑。上述结果表明，通过磁性组装 FOSTA 复合微球可以获得更均匀的薄膜，包括有序性和光滑度。通过在基板上选择 20 个点来研究来自有或没有外部磁场的薄膜的 SERS 信号的再现性，如图 5e 和 f 所示。 R6G溶液的浓度为10 ^-8 M，以及相应的拉曼强度 (1363 cm ^-1 ) 记录在图 5g 中。经计算，磁性组装膜的平均相对标准偏差（RSD）约为0.05，远低于自组装膜的约0.197。还观察到磁性组装薄膜的拉曼峰强度平均略高于自组装薄膜的拉曼峰强度，这可能归因于颗粒之间产生的二次“热点”，揭示了阵列结构增强效果 [44]。综上所述，上述实验结果表明，磁性组装使 FOSTA 复合微球在灵敏度和重现性方面更具优势。进一步测试了 R6G 的浓度依赖性 SERS 光谱，以研究 FOSTA 复合微球的检测限。用R6G溶液在10 ^-6 的宽浓度范围内评估了磁性组装膜的检测能力 到 10 ^-12 M. 在图5h中，FOSTA复合微球在浓度为10 ^-6 时表现出明显的增强信号 到 10 ^-11 M，并且即使在低至 10 ^-11 的浓度下也能清楚地观察到所有增强峰 M 在图 5c 的插图中。 1363 cm处测得的对数强度 ^-1 峰值与 R6G 的对数浓度作图（附加文件 1：图 S3）。 R6G检测的线性范围为10 ^-6 到 10 ^-11 M 的检测限 (LOD) 为 10 ppb，显示设计的 SERS 系统具有高灵敏度的检测能力 [45, 46]。

(a , b ) 典型的磁性组装薄膜和 (c , d ) 典型的自组装薄膜及其 SERS 信号再现性 (e ) 和 (f ）， 分别。 1363 cm处的峰强度分布 ^-1 来自磁性组装薄膜和自组装薄膜 (g ) 和磁性组装薄膜的浓度依赖性 SERS 光谱 (h )

在我们的实验中，通过结合不同的功能层，包括 Ag 和 TiO2 壳，将 SERS 技术和光催化性能相结合。通过重复的 SERS 和光降解试验研究了它们的可回收性，如图 6 所示。FOSTA 复合微球首先浸入含有 R6G 分析物的溶液中，然后通过 SERS 测试，最后在去离子水中用紫外线分散约 100分钟然后将样品用去离子水洗涤数次以去除残留的离子和分子。观察到主峰消失，SERS基底的拉曼光谱与新的相似。显然，由于吸附在基板上的分析物的量非常低，因此实现自清洁目标非常简单和容易。基材变干净后，可反复使用数次。 R6G的拉曼峰经过3次循环后SERS信号几乎没有下降，自清洗后每次均未检测到SERS信号，说明FOSTA复合微球可重复用作SERS基底。此外，经过三个完整的循环后，FOSTA复合微球的形态从图6中的插图中可以看出没有明显的形态变化，这表明FOSTA复合微球的物理强度稳定。

FOSTA复合微球组装的SERS基底的可回收性

结论

为了创造高度可重复和可回收的 SERS 基底，在自制的超声辅助反应系统中开发了多功能微球作为构建块。在外部磁场下，所获得的 FOSTA 复合微球组装成光滑的阵列结构薄膜，表现出灵敏且可重复的 SERS 性能。由于 TiO2 外壳，这些使用过的 FOSTA 复合微球可以通过自清洁程序进一步回收。通过将SERS和光催化功能整合到磁性微球上，磁性组装路线是一种可再生和可回收的SERS基材的有前途的技术。

数据和材料的可用性

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