近日，我?；膶W(xué)院胡悅副教授團(tuán)隊(duì)的研究論文《Size-Tunable Gold Aerogels: A Durable and Misfocus-Tolerant 3D Substrate for Multiplex SERS Detection》以封面論文的形式在著名光學(xué)期刊《Advanced Optical Materials》上發(fā)表。

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）因其高靈敏度（甚至能達(dá)到單分子檢測(cè)）備受關(guān)注，被認(rèn)為是最具應(yīng)用前景的分析手段之一。然而傳統(tǒng)二維SERS基底的熱點(diǎn)局限于x-y平面，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度有限且對(duì)焦容差低，因此發(fā)展三維SERS基底是該領(lǐng)域的一個(gè)新型、重要的研究方向。三維SERS基底的研究雖然取得了一定成果，但目前已報(bào)道的固態(tài)三維基底的z方向尺寸10μm以?xún)?nèi)，故效果并不夠理想。貴金屬氣凝膠（NMAs）具有多孔、大比表面積、自支撐等特征，有潛力成為真正的高性能三維SERS基底，真正解決二維SERS基底的某些本征缺陷。然而，其特征尺寸（如納米線(xiàn)直徑）的控制極為困難，限制了構(gòu)效關(guān)系研究與性能優(yōu)化。

以溫州大學(xué)胡悅副教授、北京理工大學(xué)杜然教授、德累斯頓工業(yè)大學(xué)Alexander Eychmüller教授為首的國(guó)際團(tuán)隊(duì)在前期工作中，通過(guò)對(duì)金屬氣凝膠合成方法學(xué)的深入探索，開(kāi)發(fā)了一系列可控制備方法，實(shí)現(xiàn)了金屬凝膠的快速制備及其特征尺寸、比表面積、孔容等多種參數(shù)的大范圍調(diào)控（Sci. Adv.2019, Nat. Commun.2020, Matter2020）。在此基礎(chǔ)上，上述團(tuán)隊(duì)再次攜手，以網(wǎng)絡(luò)特征尺寸為5-100 nm的金氣凝膠為例，從理論與實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度系統(tǒng)探究了氣凝膠基底的特征尺寸與SERS活性依賴(lài)性。通過(guò)對(duì)相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化，不僅獲得了大對(duì)焦容差的SERS基底（>300 μm），更實(shí)現(xiàn)了對(duì)染料分子、農(nóng)藥和致癌物質(zhì)的高靈敏度與多通道檢測(cè)。

相關(guān)成果作為發(fā)表在本期《Advanced Optical Materials》（DOI: 10.1002/adom.202100352）上，并被選為前封面文章，溫州大學(xué)為第一單位，溫州大學(xué)2016級(jí)化學(xué)專(zhuān)業(yè)碩士研究生周林為第一作者，溫州大學(xué)化學(xué)與材料工程學(xué)院胡悅副教授為通訊作者。

研究者首先制備了特征尺寸（即納米線(xiàn)直徑）為5-100 nm的一系列金氣凝膠。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，SERS增強(qiáng)因子（EF）受金氣凝膠的特征尺寸、激發(fā)波長(zhǎng)影響。在同一激發(fā)波長(zhǎng)下，增強(qiáng)效果均有一最優(yōu)的特征尺寸，而伴隨激發(fā)波長(zhǎng)的紅移，所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)特征尺寸也隨之增大，且對(duì)多種探針?lè)肿泳哂蓄?lèi)似的規(guī)律。通過(guò)有限時(shí)域差分理論（FDTD）模擬的方法，以金納米棒或四腳體作為模型，可清晰地觀(guān)察到，伴隨直徑的增加，吸收波長(zhǎng)逐步向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可推測(cè)金氣凝膠的共振激發(fā)波長(zhǎng)與特征尺寸成正相關(guān)，從而一定程度上解釋了SERS活性與激發(fā)波長(zhǎng)、特征尺寸依賴(lài)關(guān)系的作用機(jī)制。

相對(duì)于典型的二維SERS基底（8 nm金膜），金氣凝膠對(duì)染料分子、農(nóng)藥和致癌物質(zhì)顯示出更高的增強(qiáng)因子（高達(dá)達(dá)到8.9×10⁹），這一結(jié)果超越了目前報(bào)道的絕大多數(shù)三維SERS基底（10⁵-10⁷）。此外，金氣凝膠不近可重復(fù)使用，且具有非凡的穩(wěn)定性（>1個(gè)月）和優(yōu)異的多通道檢測(cè)能力，預(yù)示其具有良好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。最后，金氣凝膠具有優(yōu)異的對(duì)焦容差（z軸方向> 300 μm），即便應(yīng)用于多通道檢測(cè)，其值也可達(dá)到150 μm，遠(yuǎn)超已報(bào)道的固態(tài)三維SERS基底。

本工作系統(tǒng)研究了NMAs作為三維SERS基底的構(gòu)效關(guān)系與性質(zhì)特點(diǎn)，獲得了真正意義上的三維SERS基底，并為氣凝膠基三維SERS基底的設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)大對(duì)焦容差、高穩(wěn)定性、高靈敏度、多通道SERS檢測(cè)打開(kāi)了新的方向。