[论文解读] Highly sensitive silver decorated-graphene oxide-silicon nanowires hybrid SERS sensors for trace level detection of environmental pollutants

Kais Daoudi, Mounir Gaidi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2021

Gold and Silver Nanoparticles Synthesis and Applications被引用 8

一句话总结

本研究提出一种高灵敏度的银纳米棱镜/氧化石墨烯/硅纳米线（AgNPr/GO/SiNWs）异质SERS传感器，用于水中环境污染物的痕量检测。通过优化硅纳米线的蚀刻时间并利用等离子体与二维材料的协同效应，该传感器对亚甲基蓝和阿特拉津的检测限达到10⁻¹² M（皮摩尔级），对罗丹明6G的SERS增强因子达6.1 × 10¹⁰。

ABSTRACT

In this study, we evaluated the sensing performance of silver nanoprism/graphene oxide/silicon nanowires (AgNPr/GO/SiNWs) nanohybrid system for effective detection of organic dye and herbicide residues in freshwater via surface-enhanced Raman scattering (SERS). Homogenous and vertically aligned SiNWs have been successfully synthesized using metal-assisted chemical etching technique by varying the etching time from 10 to 30 min. AgNPr/GO/SiNW hybrids were assembled by spin-coating of GO followed by drop-casting deposition of AgNPr. The microstructures of AgNPr/GO/SiNWs are strongly affected by the etching time of SiNWs, which in turn affected its SERS performance when rhodamine 6G is used as an analyte molecule. Owing to the synergetic effects of GO and AgNPr, SERS response of AgNPr/GO/SiNWs composites were found to be superior compared to AgNPr/SiNWs. High efficiency of 6.1 x 1010 has been achieved with AgNPr/GO/SiNWs based sensor fabricated with 30-min etched SiNWs for rhodamine 6G. An effective way of rapid detection of drinking water pollutants such as methylene blue and atrazine up to picomolar (10-12 M) concentrations was demonstrated using these low-cost AgNPr/GO/SiNWs nanohybrids SERS sensors.

研究动机与目标

• 开发一种低成本、高灵敏度的SERS传感器，用于淡水中有害有机染料和除草剂的痕量检测。
• 解决利用可扩展纳米材料在超痕量水平（亚ppb）检测环境污染物的挑战。
• 通过银纳米棱镜、氧化石墨烯和垂直排列的硅纳米线的异质结构化，提升SERS性能。
• 通过调节硅纳米线制备过程中的蚀刻时间，优化传感器的灵敏度。

提出的方法

• 通过金属辅助化学蚀刻法合成垂直排列的硅纳米线（SiNWs），蚀刻时间在10至30分钟之间变化。
• 采用旋涂法将氧化石墨烯（GO）沉积在SiNWs上，形成二维导电且具有吸附能力的平台。
• 通过滴涂法沉积银纳米棱镜（AgNPr）结构，以形成用于SERS增强的等离子体热点。
• 利用显微镜和拉曼光谱对异质AgNPr/GO/SiNWs结构进行表征，以评估其SERS活性。
• 以罗丹明6G作为模型分析物，通过SERS检测量化增强因子。
• 在皮摩尔浓度水平下评估亚甲基蓝和阿特拉津的检测限，以证明其在实际应用中的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 AgNPr、GO与SiNWs的集成是否能构建一个具有增强灵敏度的协同SERS平台，用于环境污染物的检测？
• RQ2 SiNWs的蚀刻时间如何影响AgNPr/GO/SiNWs异质传感器的SERS性能？
• RQ3 使用该异质SERS传感器，对常见环境污染物如亚甲基蓝和阿特拉津的检测限是多少？
• RQ4 与仅含AgNPr/SiNWs的结构相比，添加GO如何提升SERS响应？
• RQ5 这种低成本、溶液法加工的传感器是否能在实际水样中实现皮摩尔级的检测？

主要发现

• 采用30分钟蚀刻时间制备的AgNPr/GO/SiNWs传感器，对罗丹明6G的SERS增强因子达到6.1 × 10¹⁰，显著优于AgNPr/SiNWs结构。
• 在AgNPr/SiNWs结构中引入GO后，SERS灵敏度得到提升，归因于分析物吸附能力的改善及等离子体耦合效应的增强。
• 该传感器在10⁻¹² M（皮摩尔水平）的浓度下，可有效检测亚甲基蓝和阿特拉津。
• SERS响应强烈依赖于SiNWs的蚀刻时间，30分钟蚀刻时间下性能最优，归因于表面形貌改善及等离子体场分布优化。
• 该异质传感器设计实现了低成本、可扩展的制备工艺，同时保持了对痕量环境监测的高灵敏度。