多光子散射与{001}面暴露的SERS-光催化平台：用于检测和降解有机污染物的纤维状二氧化硅/TiO?杂化材料

《Optical Fiber Technology》：Multiphoton scattering and {001} facet-exposed SERS-photocatalytic platform: Fibrous silica/TiO 2 hybrid for detection and degradation of organic contaminants

柔性SERS基底开发及光催化自清洁性能研究，通过整合银纳米粒子修饰的纤维硅氧化物与 Anatase TiO?，实现MB检测限10?12 M，Rh-B为10?? M，MO为10?? M，验证其在复杂环境中的高吸附能力与光催化降解MB的稳定性。

　　本研究聚焦于开发一种具有高灵敏度和可重复使用性的柔性表面增强拉曼散射（SERS）基底材料。SERS技术因其对单分子级别的检测能力，已成为一种在化学分析、生物医学诊断以及食品安全检测等领域具有广泛应用的高灵敏度分析手段。然而，传统的SERS基底材料在实际应用中常面临一些局限，例如灵敏度不足、难以重复使用以及难以适应复杂环境中的检测需求。为此，研究人员设计并制备了一种新型的柔性SERS基底，即银纳米颗粒修饰的纤维状二氧化硅/二氧化钛（P-Ag@FSO/TiO?-A）复合材料。这种材料不仅具备良好的光散射性能，还能通过其独特的结构特性提升对目标分子的吸附能力，从而增强SERS信号的强度和稳定性。

在实验过程中，研究人员采用了多种表征手段来验证该材料的结构和吸附性能。通过X射线衍射（XRD）分析，他们确认了TiO?在材料中的晶体结构，特别是其暴露的{001}晶面。{001}晶面是TiO?中被认为具有较高SERS活性的结构之一，因为它能够促进分子与金属表面之间的电荷转移（CT）效应，从而增强拉曼信号。此外，他们还通过电子密度映射和吸附实验进一步验证了该材料在吸附甲基蓝（MB）等有机分子方面的优势。这些分析结果表明，P-Ag@FSO/TiO?-A材料不仅在结构上具有优异的特性，而且在吸附性能方面也表现出色，使其成为一种理想的SERS基底材料。

在实际应用中，P-Ag@FSO/TiO?-A材料被用于检测多种有机染料分子，包括甲基蓝（MB）、罗丹明B（Rh-B）和甲基橙（MO）。其检测限分别达到了10?12 M、10?? M和10?? M，这表明该材料具有极高的灵敏度。这种高灵敏度的特性使其能够检测低浓度的分子，甚至在复杂环境中也能保持良好的性能。为了验证这一特性，研究人员在牛尿和河水样本中对氯丙嗪盐酸盐（CPZ）分子进行了SERS检测。结果表明，即使在这些复杂的基质中，P-Ag@FSO/TiO?-A材料依然能够有效地检测目标分子，进一步证明了其在实际环境监测中的潜力。

除了高灵敏度，P-Ag@FSO/TiO?-A材料还表现出优异的光催化降解性能。当该材料在紫外光照射下时，能够有效地降解甲基蓝分子。这一性能的实现归功于TiO?的光催化特性，以及FSO提供的高表面积和良好的光散射能力。光催化降解过程不仅能够去除检测后的分子残留，还能使材料恢复其原始状态，从而实现多次重复使用。这种自清洁功能大大提高了该材料在实际应用中的可持续性和经济性。

研究团队在实验设计中还特别关注了材料的结构特性如何影响其SERS和光催化性能。他们发现，FSO的纤维状结构能够形成大量的纳米级空隙，这些空隙不仅增加了材料的表面积，还为分子的吸附和光散射提供了理想的环境。此外，TiO?的{001}晶面能够有效促进电荷转移，从而增强SERS信号。这种结构与功能的协同作用使得P-Ag@FSO/TiO?-A材料在检测和降解有机分子方面表现出色。

为了进一步优化材料的性能，研究人员还探讨了不同TiO?晶相（如金红石相和锐钛矿相）对SERS和光催化效果的影响。他们发现，暴露{001}晶面的锐钛矿相TiO?在提升SERS活性方面具有显著优势，而金红石相则可能因结构特性不同，对光催化性能产生不同的影响。因此，选择合适的TiO?晶相对于实现材料的最佳性能至关重要。

综上所述，P-Ag@FSO/TiO?-A材料在结构设计、吸附能力和光催化性能方面均表现出色，使其成为一种具有广泛应用前景的SERS基底材料。这种材料不仅能够实现对低浓度有机分子的高灵敏度检测，还能通过其自清洁功能支持多次重复使用，从而满足环境监测和生物医学诊断等领域的实际需求。此外，该材料的柔性特性也使其在实际应用中更加便捷，适用于现场检测和复杂环境中的分析任务。未来，随着对SERS技术和光催化材料的深入研究，这种新型材料有望在更多领域得到应用，为环境治理和生物医学检测提供更加高效和可持续的解决方案。