银纳米粒子链表面增强拉曼散射基底的长效稳定性与可重复使用性研究：薄层介电封装的保护机制与应用前景

为解决银基表面增强拉曼散射(SERS)传感器因银纳米粒子(Ag NPs)易氧化导致的性能退化问题，研究人员通过薄层氧化铝(Al2O3)或氧化硅(SiOx)封装Ag NPs链，系统研究了介电层厚度对基底稳定性、清洁性和可重复使用性的影响。结果表明，5 nm厚度的封装层在保护Ag NPs的同时保持了对联吡啶分子的高SERS信号，其中Al2O3封装的基底在18个月内保持优异等离子体特性，且可通过乙醇和水清洁重复使用。该研究为开发长效稳定的SERS传感器提供了新策略。

　　

在化学检测、环境监测和工业安全等领域，表面增强拉曼散射(SERS)技术因其超高灵敏度（可检测<10^?6 mol/L的分子浓度）成为研究热点。然而，作为SERS基底核心材料的银纳米粒子(Ag NPs)极易被空气氧化，导致等离子体共振特性衰减，严重制约了传感器的长期稳定性和实际应用。尽管已有研究尝试通过合金化、功能化或聚合物封装提升稳定性，但清洁性和重复使用性问题始终未能有效解决。

针对这一挑战，研究人员创新性地采用倾斜角沉积技术制备了Ag NPs链结构，并通过离子束溅射(IBS)沉积3-10 nm厚的氧化铝(Al_2>3)或氧化硅(SiO_x)介电封装层。通过高角度环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)证实，这种封装能有效维持NPs的链状排列，5 nm厚度在保护性与信号强度间达到最佳平衡。

研究团队运用多种关键技术：1）双离子束溅射系统制备具有纳米波纹结构的Al₂O₃缓冲层；2）倾斜角沉积法自组装Ag NPs链；3）有限差分时域(FDTD)模拟计算电磁场增强效应；4）共聚焦拉曼光谱系统评估SERS性能；5）历时18个月的等离子体共振稳定性追踪。

3.1 形貌与远场特性
HAADF-STEM显示封装后的Ag NPs链保持25 nm周期排列，横向尺寸10-12 nm，纵向14-17 nm。Al₂O₃封装样品在18个月内等离子体共振峰位稳定，而SiO_x封装样品12个月后出现15%信号衰减，电镜证实后者存在AgO_x氧化层形成。

3.2 封装厚度与SERS性能
FDTD模拟表明5 nm封装层可使电磁场增强效应延伸至基底表面。实验证实3 nm封装SERS信号最强，但7 nm Al₂O₃和10 nm SiO_x仍可检测联吡啶信号，折射率差异导致Al₂O₃样品信号衰减更显著。

3.3 清洁性与重复使用性
Al₂O₃封装基底经乙醇/水清洗后SERS信号完全消失，且可重复使用；而SiO_x封装基底因多孔性导致分子残留，但更适合功能化改性。

这项发表于《Thin Solid Films》的研究突破性地证明：离子辅助沉积的5 nm Al₂O₃封装层可同时实现Ag NPs的长期抗氧化（18个月）、有效清洁和重复使用，其机制源于致密封装阻隔环境侵蚀。该技术为开发工业化SERS传感器提供了新范式，未来需在苛刻环境耐受性和多功能分子检测方面进一步验证。