基于纳米等离激元和二维金属碳/氮化物的新型传感平台

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贵金属(Au、Ag等)纳米颗粒具有独特的局部表面等离激元共振(LSPR)性质,在可见光照射下表现出强烈的颜色可调节性,因此被广泛地应用于比色传感器的构建。此外,金属纳米颗粒的LSPR特性可以调节局部荧光团光学行为,即等离激元增强荧光现象(PEF),从而实现对荧光团或者其他荧光分子发射强度的指数级增强,使其在低丰度物质荧光检测方面拥有巨大潜能。然而,目前大部分的传感策略仍依赖于金属纳米颗粒的合成和荧光探针的修饰,其设计和存储过程步骤繁琐,耗时耗力。因此,开发一类不需要标记步骤,并且可以实现传感单元与目标分析物之间的直接化学反应与信号传导的免标记分析法,仍然是极具研究价值的科学问题。金属碳/氮化物(MXenes)是近年来发展的一类新型二维材料。由于Ti3C2MXenes纳米片(Ti3C2 NSs)独特的物理和化学性质,已被广泛应用于生物传感和环境监测等领域。同时,Ti3C2MXenes量子点(Ti3C2 QDs)具有尺寸可调、光稳定性好、溶解性好等独特性质,也已作为荧光探针实现对目标物的荧光响应。此外,MXenes表面封端基团赋予其优异的还原性和对重金属离子的强吸附能力。然而这些性质尚未获得纳米传感领域的关注和应用。本文基于贵金属纳米颗粒的LSPR效应,结合Ti3C2 NSs与Ti3C2 QDs对重金属Ag+的吸附与还原特性,构建了一系列检测Ag+的新型传感器,主要开展了以下的研究内容:(1)合成并表征Ti3C2 MXenes材料,研究Ti3C2 MXenes对重金属Ag+的吸附和还原,并对机理进行探索,从而验证Ag+检测的可行性。首先利用聚丙烯酸(PAA)功能化的Ti3C2 MXenes还原Ag+得到等离激元Ag NPs,探究了等离激元光学信号和溶液的颜色变化,进一步证明利用MXenes检测Ag+的可行性。此外,本研究中构建的Ti3C2 MXenes与Ag+的反应体系将Ag+转化为Ag NPs,除了可以发展一系列新型纳米传感平台外,亦有望实现实际样品中Ag+的富集与回收。(2)基于Ti3C2 MXenes原位还原实现了免标记、可视化的等离激元传感Ag+。利用Ti3C2 MXenes的还原性与对重金属离子的强吸附性能,首先Ag+被吸附在纳米片表面,不加任何还原剂与稳定剂的情况下原位还原生成Ag NPs。Ag NPs的LSPR特性赋予了传感器比色信号的产生。在智能手机的辅助下,对实验样品数码照片的三原色RGB分析可以显示出与紫外可见光谱仪测量结果一致的可视化结果。这项工作在无需预先制备探针的情况下,将Ti3C2MXenes的还原性与Ag NPs的LSPR特性结合,实现了对Ag+高灵敏和高选择性的可视化检测。(3)基于等离激元增强荧光(PEF)与MXene QDs构建Ag+的双模态检测平台。本文利用水热处理得到的Ti3C2 QDs的还原性诱导Ag+向Ag NPs转换。在激光照射下,Ag NPs的PEF效应诱导Ti3C2 QDs荧光增强;同时Ag NPs的生成导致溶液具有一定的颜色变化,并反映到紫外-可见消光光谱消光强度的改变中。这项工作利用等离激元增强荧光与Ti3C2 QDs构建了用于Ag+检测的荧光-比色双模态传感器。
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