从医学到环境科学，气体传感器是各个领域的核心，对气体传感器的需求正在迅速扩大。然而，面对复杂的气体样品，如何在进行多重检测的同时保持高灵敏度仍然是困扰研究者的难题。文章通过将Ti3C2Tx MXene引入到三维(3D)可转移SERS衬底的微流控气体传感器中，展示了一种既具有多路检测能力又具有高灵敏度的强大气体传感器。MXene的使用使该传感器对各种气体具有普遍的高吸附效率，而在复杂的纳米结构中原位气体涡旋的产生延长了分子在sers活性区停留的时间，这都导致了灵敏度的提高。在概念验证实验中，根据气体分子的固有SERS信号，对3种典型挥发性有机化合物(VOCs)的检测限(LOD)达到10- 50 ppb。此外，设计良好的周期性三维结构解决了一般SERS衬底的重复性问题。此外，利用经典最小二乘分析(CLS)揭示了气体混合物的详细组成，平均准确率为90.6%。此外，还开发了基于CLS结果的彩色条码，以直观地读出样品的复杂成分。
图1所示.基于胶体组装的三维SERS衬底的制备与表征。(a-c) PS基板制备原理图及相应的SEM图像。插入的SEM图像的比例尺均为10 μm。(d-e) PS衬底的3D和2D AFM图像。二维图像的高度色条为0 ~ 2500nm。(f)用白实线标记(e)的截面高度图。(g i)双金属纳米立方体的制备过程示意图及SEM图像。SEM图像的比例尺均为100 nm。(j) PS衬底上负载双金属纳米立方体的示意图，(k)对应的SEM图像。比例尺为10 μm。插入图像的比例尺为1 μm。
图2.3D SERS衬底的转移。(a c)待转移的3D SERS衬底示意图。(d)转移基板的SEM图像。比例尺为10 μm，插入图像的比例尺为1 μm。(e)用激光切割胶带转移SEU的图案衬底。数字照片中的比例尺为2毫米。(f)带有转移基板的人字芯片照片。所插入的图像就是基片的光学显微照片。左图比例尺为2mm，右图比例尺为5 μm。(g) R6G的SERS映射结果。色条从0到550，按1360 cm 1处的峰值强度。(h)在不同芯片上获得的R6G光谱。(i)带有双金属纳米线的单凹坑内电磁场的数值模拟。激发波长为632.8 nm。
图3.单分子层Ti3C2Tx MXene的合成与表征。(a)单层Ti3C2Tx MXene制备示意图及图像。插入SEM图像的比例尺分别为1 mm、5 μm和1 μm。(d)单层Ti3C2Tx MXene的2D AFM图像和(e) MXene片沿实白线的高度变化。高度色条为1 ~ 3nm。(f) HRTEM测得的Ti3C2Tx MXene的元素映射结果和(g) EDX光谱。碳的信号来自Ti3C2Tx MXene和铜网上的碳膜。
图4.典型挥发性有机物的检测。(a)苯甲醛(e) DNT和(i)吲哚在100ppm条件下由SERS-Vortexene芯片检测的结果。气体(b)苯甲醛、(f) DNT和(j)吲哚在不同浓度下的SERS强度，分别根据其在1004、1340和756 cm 1处的峰值进行测定。实验数据均采用s型函数拟合。(c)苯甲醛、(g) DNT和(k)吲哚在不同浓度下的全光谱二维叠加图像。(d)苯甲醛、(h) DNT和(l)吲哚在100ppm浓度下的彩色条形码。色条从0到100ppm。线宽与相对峰值强度成正比。
图5.CLS方法提取的VOCs混合物在多路检测中的SERS条形码。(a)多重VOCs气体检测原理图。(b)柱状图右y轴为CLS计算出的强度与标准曲线按预设浓度计算出的强度之间的相对误差。在左y轴上，14组CLS拟合后的协方差用散点表示。(c)样例三元混合气体的SERS光谱。(d)由CLS结果计算出的每个蒸发化合物的光谱。(e)每幅作品的彩色条码。根据标准检测曲线，由计算出的浓度转换成浓度。混合物的条形码是三个独立条形码叠加的结果。色条从0到100ppm。
综上所述，通过将转移的三维SERS衬底与超柔性Ti3C2Tx MXene相结合，实现了SERS- vortexene芯片的同时和直接多路气体传感，表现出了高灵敏度、多路检测能力和良好的重现性等优良的传感性能。通过控制实验和理论模拟证明，微流控通道内三维结构产生的气体涡旋延长了气体分子的剩余时间，显著提高了灵敏度。此外，MXene材料对VOCs优异的吸附能力也对提高检测灵敏度起到关键作用。另一方面，为了实现多重检测能力，结合CLS方法开发了可视化的SERS条形码，有助于充分利用SERS技术的多重检测能力。结合这些方法，该芯片识别苯甲醛、DNT和吲哚，多重检测LOD低至10 ppb，误差小至9%，解决了多重检测能力和灵敏度之间的长期权衡问题。值得一提的是，这些方法也可以单独使用，以提高检测性能。此外，基于SERS指纹图谱和MXene的普遍吸附能力，SERS- vortexene芯片通过建立光谱库，可以充分支持多种VOCs及其混合物的识别。作者期望所提出的SERS-Vortexene芯片有助于进一步研究超柔性MXene和sers -微流控技术，并有助于开发具有平衡的多功能性和灵敏度的先进气体传感器。
https://doi.org/10.1021/acsnano.1c01890
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