微等离子体合成金纳米颗粒/TEMPO纤维素纳米复合材料及其在SERS传感中的应用潜力

本研究针对传统金纳米颗粒(AuNPs)合成方法存在的高能耗、污染严重等问题，采用大气压微等离子体(APM)技术，开发了一种绿色、高效的AuNPs/TEMPO氧化纤维素纳米纤维(CNF)复合材料一锅合成法。通过紫外-可见光谱(UV-vis)、X射线衍射(XRD)等技术证实了材料的结构特性，结合密度泛函理论(DFT)揭示了界面相互作用机制，最终以亚甲基蓝(MB)为模型验证了其在表面增强拉曼散射(SERS)传感中的应用潜力，为环保型纳米传感器设计提供了新思路。

　　

研究背景与科学问题
金纳米颗粒(AuNPs)因其独特的表面等离子体共振效应和催化活性，在生物传感、癌症治疗等领域具有广泛应用。然而，传统湿化学合成法需使用强还原剂、高温条件和表面活性剂，不仅能耗高，还可能引入有害杂质。与此同时，纳米纤维素作为可再生材料虽具有优异力学性能，但其强亲水性导致纤维易团聚，限制了其在功能复合材料中的应用。如何通过绿色方法实现AuNPs与纳米纤维素的稳定复合，并阐明两者界面作用机制，成为当前研究的难点。

研究设计与技术方法
湖南省自然科学基金资助的研究团队采用大气压微等离子体(APM)技术，以氦气为载气，在室温下通过高压放电产生的活性粒子（如OH^•、H₂O₂）还原氯金酸(HAuCl₄)，实现了AuNPs与TEMPO氧化纤维素(CNF)的一步复合。通过调控前驱体浓度（0.1-0.5mM）和处理时间（0-8分钟），结合UV-vis光谱追踪LSPR（局域表面等离子体共振）峰位移，X射线光电子能谱(XPS)分析元素价态，透射电镜(TEM)观察颗粒形貌，并利用DFT计算揭示了AuNPs与CNF羧基的电荷转移机制。

主要研究结果

1. 方法学创新性
   APM处理仅需8分钟即可使溶液由无色变为紫色，UV-vis显示540nm处出现典型AuNPs特征峰，且峰位随前驱体浓度增加发生红移，表明颗粒尺寸增大。XRD证实面心立方结构金晶体形成，XPS显示Au⁰占比达87.5%，验证了高效还原能力。

2. 界面作用机制
   FTIR检测到CNF羧基振动峰位移，DFT计算表明AuNPs与CNF的-COOH基团通过O-Au键合，电荷转移量达0.25e，这种强相互作用使复合材料无需表面活性剂即可稳定分散。

3. 应用性能验证
   以亚甲基蓝(MB)为探针分子，复合薄膜的SERS检测限低至10^-8 M，增强因子(EF)计算为1.2×10⁵，优于多数湿化学法制备的基底，归因于APM处理的清洁表面和高密度"热点"形成。

结论与展望
该研究开创性地将APM技术应用于纳米纤维素基复合材料制备，突破了传统方法的环境污染瓶颈。通过多尺度表征与理论计算相结合，首次阐明了AuNPs与TEMPO-CNF的电子耦合机制，为设计高性能生物兼容性SERS基底提供了新范式。未来可通过调控等离子体参数进一步优化颗粒分布，拓展其在即时诊断(POCT)等领域的应用。《Vacuum》发表的这项成果，标志着绿色纳米制造技术向实际应用迈出了关键一步。