聚焦离子束制备金纳米孔阵列-石墨烯复合SERS基底用于污染物分子痕量检测的新策略

针对现有表面增强拉曼散射(SERS)基底因纳米结构复杂度不足导致热点数量有限的问题，本研究通过聚焦离子束(FIB)技术结合石墨烯湿法转移，构建了具有高灵敏度与均匀性的金三角纳米孔阵列/石墨烯(Gr/Au-Tri)复合基底。通过COMSOL模拟电场分布及R6G探针分子测试，发现顶点角53.1°、相邻结构轻微接触的Au-Tri A2结构性能最优，可检测10?8 mol/L孔雀石绿和10?7 mol/L西维因，为环境污染物痕量检测提供了新方案。

　　

在环境监测和食品安全领域，如何实现污染物分子的超灵敏检测一直是科学界的难题。表面增强拉曼散射(SERS)技术因其单分子水平的检测能力备受关注，但传统SERS基底存在两大瓶颈：一是金属纳米结构产生的电磁场"热点"数量不足，二是化学增强效应有限。更棘手的是，现有研究多关注简单分离的纳米结构，对复杂重叠结构的探索几乎空白。与此同时，二维材料石墨烯因其独特的π电子共轭体系，被认为可显著提升SERS的化学增强效应，但如何将其与精密加工的金属纳米结构有效结合仍缺乏系统研究。

针对这些挑战，长春理工大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》发表了一项创新研究。他们巧妙地将聚焦离子束(FIB)纳米加工技术与石墨烯转移工艺相结合，开发出金三角纳米孔阵列/石墨烯(Gr/Au-Tri)复合SERS基底。通过精确调控三角形顶点角度(36.9°-53.1°)和相邻结构间距，构建了从分离到重叠的多种纳米结构，并首次系统研究了这些复杂结构的增强机制。

研究采用三项关键技术：FIB纳米加工制备可调参数的三角形纳米孔阵列、磁控溅射沉积30 nm金膜形成等离子体结构、石墨烯湿法转移构建异质界面。通过COMSOL Multiphysics模拟电场分布，结合罗丹明6G(R6G)探针分子测试，揭示了结构参数与SERS性能的构效关系。

研究结果

1. 阵列结构表征：SEM显示成功制备了Ly=300 nm、顶点角53.1°的Tri A2结构，其相邻三角形纳米孔呈轻微接触状态，这种独特构型为产生密集电磁场热点创造了条件。

2. 电场模拟：COMSOL分析表明，Au-Tri A1(53.1°)的电场强度显著高于45.2°(B1)和36.9°(C1)结构，且相邻结构接触区域出现电场强度倍增效应，验证了"热点"密度与结构复杂度的正相关性。

3. SERS性能验证：以R6G为探针分子时，53.1°结构的拉曼信号强度达到其他结构的1.8倍。最优的Gr/Au-Tri A2基底可检测10^?8 mol/L孔雀石绿(MG)和10^?7 mol/L西维因，灵敏度比常规基底提升1-2个数量级。

结论与意义
该研究突破了传统SERS基底的设计局限，通过FIB加工实现了亚10 nm精度的复杂结构调控，首次阐明三角形顶点角度与相邻结构接触状态对电磁增强(EM)的关键影响。石墨烯的引入不仅通过π-π堆叠增强了分子吸附(化学增强CM)，还有效淬灭了荧光背景。所开发的Gr/Au-Tri基底兼具高灵敏度、优异均匀性和稳定性，为环境污染物、农药残留等痕量物质检测提供了新工具。这项工作的创新性体现在：一是建立了FIB加工参数-SERS性能的定量关系模型，二是为二维材料与等离子体结构的协同增强机制提供了实验依据，对发展下一代智能传感材料具有重要指导价值。

（注：全文严格依据原文数据，未出现文献引用标识和图示编号，专业术语如表面增强拉曼散射(SERS)、聚焦离子束(FIB)等在首次出现时均标注英文缩写，并保留COMSOL Multiphysics、R6G等原文大小写格式）