无需基底、无需标记且可重复的SERS技术——基于等离子体-卤化物工程化金纳米颗粒实现

《ACS Measurement Science Au》：Background-Free, Label-Free, and Reproducible SERS via Plasma–Halide-Engineered Gold Nanoparticles

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表面增强拉曼光谱（SERS）经常受到来自有机配体（例如柠檬酸）的基底背景信号的限制，这些背景信号会降低光谱的保真度、灵敏度和定量能力。我们报道了一个以测量为导向的 SERS 平台，该平台基于通过微等离子体合成的纳米金颗粒（AuNPs，14–100 nm），并使用溴化物（Br–）对表面进行纯化。溴化物能够竞争性地替代结合较弱的柠檬酸，同时保持对拉曼光谱的无干扰性，从而在不引入新峰的情况下抑制 1000–1800 cm–1 范围内的基线特征。一个最佳的溴化物浓度窗口（约 1.5 mM，约 3 小时）可以实现有效的清洁效果，同时避免表面钝化。这样处理后的基底能够提供强烈的信号增强（增强因子 >10^6），亚纳米摩尔的检测限（罗丹明 6G 为 10–9 M；孔雀石绿为 10–10 M），以及宽的线性工作范围（分别为 10–9–10–4 和 10–10–10–4 M）。点与点之间的变异性很低（RSD <约 8%），并且储存数周后活性仍能保持（信号损失小于 90%），这突显了其实际的可重复性和稳定性。光谱分析和表面电荷分析证实了配体的替代作用以及在清洁的 au 表面上吸附的改善，同时保留了等离子体响应。这种简单、环保且可扩展的等离子体-卤化物策略提供了无背景、无标记且可重复的 sers 测量结果。该平台利用静电互补性，为阳离子分析物的定量痕量分析提供了非常有效的方法，这在环境监测和化学安全领域具有重要意义。

1. 引言
表面增强拉曼光谱（sers）是一种强大的分析技术，能够实现超灵敏的无标记分子检测，并具有指纹级别的特异性。其应用范围涵盖生物传感、催化、光电学、癌症诊断和环境监测等多个学科。(1?4) 最近，先进等离子体阵列和混合纳米结构的设计进一步提高了 sers 的灵敏度和特异性。(5,6) 这些工程化的基底，通常与分子富集策略结合使用，已被证明对复杂目标（如生物分子、多种药物和环境污染物）的痕量检测非常有效。(7,8) 然而，sers 的广泛应用受到了一个持续存在的挑战的阻碍：来自 sers 活性纳米材料表面的杂质或稳定剂的背景拉曼信号。这些信号经常与分析物峰重叠，降低了增强因子，并影响了可重复性，尤其是在无标记检测弱散射生物分子（如目标蛋白质和癌相关外泌体) 时。(5,9?13) 因此，开发具有高增强效率的无背景 sers 活性材料至关重要。这样的材料能够提供清晰的光谱基线，并增强分析物与表面的相互作用，从而实现精确和可重复的检测。推进这一领域的研究对于开启下一代 sers 应用至关重要，从探索分子动力学到实现临床相关的诊断应用。

传统缓解这一问题的策略通常涉及合成后的配体交换或多步骤复合纳米结构组装，这会复杂化合成过程，降低可扩展性，并引入批次间的差异。(14) 例如，sers 活性材料（如银 (ag) 和金 (au) 纳米颗粒 (nps) 的湿化学合成以及残留的封端剂（如柠檬酸）常常会吸附在纳米颗粒表面，导致强烈的背景拉曼信号和较差的分析物吸附，这两者都严重阻碍了 sers 的性能，尤其是在无标记检测中。(15?17) 此外，合成过程通常需要较长的反应时间、较高的温度和有毒试剂，这使其不适合大规模或环保地制备高质量的 sers 基底。尽管已经开发了多种策略（包括多步骤洗涤、配体交换和混合材料集成）来解决这个问题，但它们通常涉及复杂的程序、苛刻的试剂或缺乏可扩展性。(18) 此外，只有少数方法同时解决了表面清洁、等离子体优化和环境可持续合成这三个关键挑战。

低温等离子体辅助合成，特别是使用常压微等离子体，已成为一种环保、快速且多功能的技术，替代了传统的湿化学方法。微等离子体系统产生丰富的活性物种混合物，包括电子、离子和自由基，可以在不需要苛刻还原剂或稳定剂的情况下驱动还原和成核过程。这使得在温和、溶剂兼容且环境友好的条件下合成金属纳米颗粒成为可能，大大减少了浪费和能耗。此外，等离子体生成的活性物种可以在纳米颗粒合成过程中调节还原动力学和成核密度。与传统方法不同，后者通常需要较高的温度、有毒试剂或较长的反应时间，等离子体合成可以在几分钟内精确控制颗粒大小、形态和表面化学性质。(19) 这些优势对于 sers 活性材料尤为重要，因为必须精细调节表面纯度、尺寸均匀性和等离子体特性，以确保强烈且可重复的拉曼增强。(20?24) 在这里，我们报道了一种协同的等离子体-卤化物表面工程策略，首次制备了无背景、sers 活性的 aunps，这些纳米颗粒具有可调的大小和清洁的表面（图 1）。该方法独特地结合了微等离子体辅助的绿色合成和基于卤化物的表面纯化，消除了对苛刻化学品或多材料构建的需求，同时保持了高 sers 活性。使用常温微等离子体辅助合成平台，我们实现了aunps 的快速、绿色制备，其直径可控（14–100 nm），随后通过溶液中的溴离子 (br–) 处理选择性去除表面污染物。重要的是，br– 本身对拉曼光谱无干扰，从而能够在不引入新信号的情况下抑制光谱背景，这是 sers 应用中的一个关键且常被忽视的要求。所得基底表现出强烈的 sers 活性，能够实现亚纳米摩尔的检测限（罗丹明 6g 为 10–9 m；孔雀石绿为 10–10 m），同时保持高信号的可重复性和长期稳定性。这项工作首次展示了使用微等离子体-卤化物双重方法生产 sers 活性 aunps，这些纳米颗粒同时经过表面纯化、等离子体调节和可扩展，无需额外的材料涂层或多步骤组装。我们的发现不仅为制备低背景 sers 基底建立了一个简单而强大的范例，结合了绿色合成、结构可调性和分析灵敏度，还为生物医学传感、环境监测和即时诊断 (poc) 诊断提供了广泛的应用潜力。

图 1. 通过微等离子体辅助方法合成的 aunps 的形态学表征。通过调节两个关键参数（柠檬酸钠 (sc) 浓度和氩气 (ar) 流量）实现了颗粒大小的调控。当柠檬酸钠浓度分别降至 10、5 和 2 mm，同时保持氩气流量为每分钟 25 标准立方厘米 (sccm) 时，获得了平均直径为 60、80 和 100 nm 的 aunps。相反，当氩气流量增加到 40 sccm 且柠檬酸钠浓度保持在 10 mm 时，合成了 14 nm 的 aunps。扫描电子显微镜 (sem) 和透射电子显微镜 (tem) 确认合成的 aunps 主要是球形的，具有狭窄的尺寸分布。14 nm aunps 在低（80k×）和高（200k×）放大倍数下的 tem 图像（图 1a,b）显示颗粒分散良好，没有明显聚集。高分辨率 tem (hrtem) 分析（图 1c）显示出 0.23 nm 的晶格间距，对应于面心立方 (fcc) 金结构的 (111) 面，与先前的报道一致。(25) 基于 tem 的尺寸分布分析（图 1d）显示平均颗粒直径为 14.3 ± 0.4 nm。对于较大的 aunps，基于 sem 的测量确认平均直径分别为 59.3 ± 7.5、79.2 ± 8.5 和 106.9 ± 13.4 nm（图 1e–h），验证了通过调节柠檬酸钠浓度在等离子体处理下成功实现了尺寸控制。

图 2. 通过微等离子体在不同条件下合成的 aunps 的 plasmon 光学性质。谱图显示了清晰且对称的表面等离子体共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531、543 和 573 nm（来自 tem 和 sem 数据）（图 2a）。这些红移与金纳米结构预期的尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联凸显了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和等离子体特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。

为了研究纳米颗粒大小与光学响应之间的关系，使用 uv–vis 吸收光谱（图 2）检查了合成 aunps 的 plasmon 特性。光谱显示了定义明确且对称的表面 plasmon 共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531 和 573 nm（图 2a）。这些红移与金纳米结构的预期尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联强调了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和 plasmon 特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。

上述结果可以基于经典成核和生长原理以及等离子体-液体相互作用的特定特性来解释。在较高的柠檬酸钠浓度下，有更多的封端剂可用于稳定新生核，有利于形成大量较小的颗粒，从而抑制生长（图 2a）。相反，较低的柠檬酸钠浓度减少了表面钝化，使得较少的核能够生长成较大的颗粒，这是由于空间位阻和静电稳定作用的降低。此外，增加氩气流速率增强了活性等离子体物种（如水合电子和自由基）的生成，加速了 au3+ 离子的还原动力学（图 2d）。需要注意的是，气体流动对活性物种生成的影响非常动态，且密切依赖于实验配置。虽然在某些等离子体系统中增加流速可能会稀释活性物种，但在我们的大气压微等离子体设置中，较高的氩气流速率积极改变了等离子体羽流与液体表面之间的流体动力学相互作用。这改变了电子通量密度，增强了气液界面的对流质量传递，从而促进了观察到的活性物种（如水合电子和自由基）的持续生成。(19,26,27) 这导致了更高的过饱和度，促进了突发性成核，最终产生了较小的 aunps。因此，该系统中的颗粒大小控制源于等离子体诱导的还原速率和柠檬酸盐介导的生长稳定之间的微妙平衡。为了进一步验证微等离子体步骤的关键作用，使用相同的前体浓度（0.75 mm haucl4 和 2 mm 柠檬酸钠）进行了对照实验。如图 s2a 所示，反应 20 分钟后记录的吸收光谱缺乏明显的表面 plasmon 共振峰。这表明在这一阶段纳米颗粒的形成尚未完成。只有在反应 2 小时后（图 s2b），才会出现特征性的 plasmon 峰，确认了柠檬酸盐还原金纳米颗粒的最终形成。相比之下，微等离子体过程在短短 20 分钟内就实现了快速纳米颗粒的形成。这种对比直接突显了微等离子体在加速成核和生长中的关键作用。微等离子体方法能够在常温条件下精细调节这些参数，无需苛刻试剂或高温即可精确且可重复地控制纳米颗粒的形态，这对于优化 plasmon 特性和相应的 sers 增强性能至关重要。

2.2. 微拉曼光谱研究等离子体-卤化物修饰的 aunps
为了研究通过微等离子体合成的 aunps 的内在背景信号，在 500–3000 cm–1 的光谱范围内进行了拉曼光谱分析。如图 3a 所示（图 s4 中的 14 nm aunps 代表光谱），所有 aunp 样品在 1000–1800 cm–1 范围内都表现出明显的背景特征。 8%），并且储存数周后活性仍能保持（信号损失小于 90%），这突显了其实际的可重复性和稳定性。光谱分析和表面电荷分析证实了配体的替代作用以及在清洁的 au 表面上吸附的改善，同时保留了等离子体响应。这种简单、环保且可扩展的等离子体-卤化物策略提供了无背景、无标记且可重复的 sers 测量结果。该平台利用静电互补性，为阳离子分析物的定量痕量分析提供了非常有效的方法，这在环境监测和化学安全领域具有重要意义。 1. 引言 表面增强拉曼光谱（sers）是一种强大的分析技术，能够实现超灵敏的无标记分子检测，并具有指纹级别的特异性。其应用范围涵盖生物传感、催化、光电学、癌症诊断和环境监测等多个学科。(1?4) 最近，先进等离子体阵列和混合纳米结构的设计进一步提高了 sers 的灵敏度和特异性。(5,6) 这些工程化的基底，通常与分子富集策略结合使用，已被证明对复杂目标（如生物分子、多种药物和环境污染物）的痕量检测非常有效。(7,8) 然而，sers 的广泛应用受到了一个持续存在的挑战的阻碍：来自 sers 活性纳米材料表面的杂质或稳定剂的背景拉曼信号。这些信号经常与分析物峰重叠，降低了增强因子，并影响了可重复性，尤其是在无标记检测弱散射生物分子（如目标蛋白质和癌相关外泌体) 时。(5,9?13) 因此，开发具有高增强效率的无背景 sers 活性材料至关重要。这样的材料能够提供清晰的光谱基线，并增强分析物与表面的相互作用，从而实现精确和可重复的检测。推进这一领域的研究对于开启下一代 sers 应用至关重要，从探索分子动力学到实现临床相关的诊断应用。 传统缓解这一问题的策略通常涉及合成后的配体交换或多步骤复合纳米结构组装，这会复杂化合成过程，降低可扩展性，并引入批次间的差异。(14) 例如，sers 活性材料（如银 (ag) 和金 (au) 纳米颗粒 (nps) 的湿化学合成以及残留的封端剂（如柠檬酸）常常会吸附在纳米颗粒表面，导致强烈的背景拉曼信号和较差的分析物吸附，这两者都严重阻碍了 sers 的性能，尤其是在无标记检测中。(15?17) 此外，合成过程通常需要较长的反应时间、较高的温度和有毒试剂，这使其不适合大规模或环保地制备高质量的 sers 基底。尽管已经开发了多种策略（包括多步骤洗涤、配体交换和混合材料集成）来解决这个问题，但它们通常涉及复杂的程序、苛刻的试剂或缺乏可扩展性。(18) 此外，只有少数方法同时解决了表面清洁、等离子体优化和环境可持续合成这三个关键挑战。 低温等离子体辅助合成，特别是使用常压微等离子体，已成为一种环保、快速且多功能的技术，替代了传统的湿化学方法。微等离子体系统产生丰富的活性物种混合物，包括电子、离子和自由基，可以在不需要苛刻还原剂或稳定剂的情况下驱动还原和成核过程。这使得在温和、溶剂兼容且环境友好的条件下合成金属纳米颗粒成为可能，大大减少了浪费和能耗。此外，等离子体生成的活性物种可以在纳米颗粒合成过程中调节还原动力学和成核密度。与传统方法不同，后者通常需要较高的温度、有毒试剂或较长的反应时间，等离子体合成可以在几分钟内精确控制颗粒大小、形态和表面化学性质。(19) 这些优势对于 sers 活性材料尤为重要，因为必须精细调节表面纯度、尺寸均匀性和等离子体特性，以确保强烈且可重复的拉曼增强。(20?24) 在这里，我们报道了一种协同的等离子体-卤化物表面工程策略，首次制备了无背景、sers 活性的 aunps，这些纳米颗粒具有可调的大小和清洁的表面（图 1）。该方法独特地结合了微等离子体辅助的绿色合成和基于卤化物的表面纯化，消除了对苛刻化学品或多材料构建的需求，同时保持了高 sers 活性。使用常温微等离子体辅助合成平台，我们实现了aunps 的快速、绿色制备，其直径可控（14–100 nm），随后通过溶液中的溴离子 (br–) 处理选择性去除表面污染物。重要的是，br– 本身对拉曼光谱无干扰，从而能够在不引入新信号的情况下抑制光谱背景，这是 sers 应用中的一个关键且常被忽视的要求。所得基底表现出强烈的 sers 活性，能够实现亚纳米摩尔的检测限（罗丹明 6g 为 10–9 m；孔雀石绿为 10–10 m），同时保持高信号的可重复性和长期稳定性。这项工作首次展示了使用微等离子体-卤化物双重方法生产 sers 活性 aunps，这些纳米颗粒同时经过表面纯化、等离子体调节和可扩展，无需额外的材料涂层或多步骤组装。我们的发现不仅为制备低背景 sers 基底建立了一个简单而强大的范例，结合了绿色合成、结构可调性和分析灵敏度，还为生物医学传感、环境监测和即时诊断 (poc) 诊断提供了广泛的应用潜力。 图 1. 通过微等离子体辅助方法合成的 aunps 的形态学表征。通过调节两个关键参数（柠檬酸钠 (sc) 浓度和氩气 (ar) 流量）实现了颗粒大小的调控。当柠檬酸钠浓度分别降至 10、5 和 2 mm，同时保持氩气流量为每分钟 25 标准立方厘米 (sccm) 时，获得了平均直径为 60、80 和 100 nm 的 aunps。相反，当氩气流量增加到 40 sccm 且柠檬酸钠浓度保持在 10 mm 时，合成了 14 nm 的 aunps。扫描电子显微镜 (sem) 和透射电子显微镜 (tem) 确认合成的 aunps 主要是球形的，具有狭窄的尺寸分布。14 nm aunps 在低（80k×）和高（200k×）放大倍数下的 tem 图像（图 1a,b）显示颗粒分散良好，没有明显聚集。高分辨率 tem (hrtem) 分析（图 1c）显示出 0.23 nm 的晶格间距，对应于面心立方 (fcc) 金结构的 (111) 面，与先前的报道一致。(25) 基于 tem 的尺寸分布分析（图 1d）显示平均颗粒直径为 14.3 ± 0.4 nm。对于较大的 aunps，基于 sem 的测量确认平均直径分别为 59.3 ± 7.5、79.2 ± 8.5 和 106.9 ± 13.4 nm（图 1e–h），验证了通过调节柠檬酸钠浓度在等离子体处理下成功实现了尺寸控制。 图 2. 通过微等离子体在不同条件下合成的 aunps 的 plasmon 光学性质。谱图显示了清晰且对称的表面等离子体共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531、543 和 573 nm（来自 tem 和 sem 数据）（图 2a）。这些红移与金纳米结构预期的尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联凸显了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和等离子体特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。 为了研究纳米颗粒大小与光学响应之间的关系，使用 uv–vis 吸收光谱（图 2）检查了合成 aunps 的 plasmon 特性。光谱显示了定义明确且对称的表面 plasmon 共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531 和 573 nm（图 2a）。这些红移与金纳米结构的预期尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联强调了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和 plasmon 特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。 上述结果可以基于经典成核和生长原理以及等离子体-液体相互作用的特定特性来解释。在较高的柠檬酸钠浓度下，有更多的封端剂可用于稳定新生核，有利于形成大量较小的颗粒，从而抑制生长（图 2a）。相反，较低的柠檬酸钠浓度减少了表面钝化，使得较少的核能够生长成较大的颗粒，这是由于空间位阻和静电稳定作用的降低。此外，增加氩气流速率增强了活性等离子体物种（如水合电子和自由基）的生成，加速了 au3+ 离子的还原动力学（图 2d）。需要注意的是，气体流动对活性物种生成的影响非常动态，且密切依赖于实验配置。虽然在某些等离子体系统中增加流速可能会稀释活性物种，但在我们的大气压微等离子体设置中，较高的氩气流速率积极改变了等离子体羽流与液体表面之间的流体动力学相互作用。这改变了电子通量密度，增强了气液界面的对流质量传递，从而促进了观察到的活性物种（如水合电子和自由基）的持续生成。(19,26,27) 这导致了更高的过饱和度，促进了突发性成核，最终产生了较小的 aunps。因此，该系统中的颗粒大小控制源于等离子体诱导的还原速率和柠檬酸盐介导的生长稳定之间的微妙平衡。为了进一步验证微等离子体步骤的关键作用，使用相同的前体浓度（0.75 mm haucl4 和 2 mm 柠檬酸钠）进行了对照实验。如图 s2a 所示，反应 20 分钟后记录的吸收光谱缺乏明显的表面 plasmon 共振峰。这表明在这一阶段纳米颗粒的形成尚未完成。只有在反应 2 小时后（图 s2b），才会出现特征性的 plasmon 峰，确认了柠檬酸盐还原金纳米颗粒的最终形成。相比之下，微等离子体过程在短短 20 分钟内就实现了快速纳米颗粒的形成。这种对比直接突显了微等离子体在加速成核和生长中的关键作用。微等离子体方法能够在常温条件下精细调节这些参数，无需苛刻试剂或高温即可精确且可重复地控制纳米颗粒的形态，这对于优化 plasmon 特性和相应的 sers 增强性能至关重要。 2.2. 微拉曼光谱研究等离子体-卤化物修饰的 aunps 为了研究通过微等离子体合成的 aunps 的内在背景信号，在 500–3000 cm–1 的光谱范围内进行了拉曼光谱分析。如图 3a 所示（图 s4 中的 14 nm aunps 代表光谱），所有 aunp 样品在 1000–1800 cm–1>
1. 引言
表面增强拉曼光谱（sers）是一种强大的分析技术，能够实现超灵敏的无标记分子检测，并具有指纹级别的特异性。其应用范围涵盖生物传感、催化、光电学、癌症诊断和环境监测等多个学科。(1?4) 最近，先进等离子体阵列和混合纳米结构的设计进一步提高了 sers 的灵敏度和特异性。(5,6) 这些工程化的基底，通常与分子富集策略结合使用，已被证明对复杂目标（如生物分子、多种药物和环境污染物）的痕量检测非常有效。(7,8) 然而，sers 的广泛应用受到了一个持续存在的挑战的阻碍：来自 sers 活性纳米材料表面的杂质或稳定剂的背景拉曼信号。这些信号经常与分析物峰重叠，降低了增强因子，并影响了可重复性，尤其是在无标记检测弱散射生物分子（如目标蛋白质和癌相关外泌体) 时。(5,9?13) 因此，开发具有高增强效率的无背景 sers 活性材料至关重要。这样的材料能够提供清晰的光谱基线，并增强分析物与表面的相互作用，从而实现精确和可重复的检测。推进这一领域的研究对于开启下一代 sers 应用至关重要，从探索分子动力学到实现临床相关的诊断应用。

传统缓解这一问题的策略通常涉及合成后的配体交换或多步骤复合纳米结构组装，这会复杂化合成过程，降低可扩展性，并引入批次间的差异。(14) 例如，sers 活性材料（如银 (ag) 和金 (au) 纳米颗粒 (nps) 的湿化学合成以及残留的封端剂（如柠檬酸）常常会吸附在纳米颗粒表面，导致强烈的背景拉曼信号和较差的分析物吸附，这两者都严重阻碍了 sers 的性能，尤其是在无标记检测中。(15?17) 此外，合成过程通常需要较长的反应时间、较高的温度和有毒试剂，这使其不适合大规模或环保地制备高质量的 sers 基底。尽管已经开发了多种策略（包括多步骤洗涤、配体交换和混合材料集成）来解决这个问题，但它们通常涉及复杂的程序、苛刻的试剂或缺乏可扩展性。(18) 此外，只有少数方法同时解决了表面清洁、等离子体优化和环境可持续合成这三个关键挑战。

低温等离子体辅助合成，特别是使用常压微等离子体，已成为一种环保、快速且多功能的技术，替代了传统的湿化学方法。微等离子体系统产生丰富的活性物种混合物，包括电子、离子和自由基，可以在不需要苛刻还原剂或稳定剂的情况下驱动还原和成核过程。这使得在温和、溶剂兼容且环境友好的条件下合成金属纳米颗粒成为可能，大大减少了浪费和能耗。此外，等离子体生成的活性物种可以在纳米颗粒合成过程中调节还原动力学和成核密度。与传统方法不同，后者通常需要较高的温度、有毒试剂或较长的反应时间，等离子体合成可以在几分钟内精确控制颗粒大小、形态和表面化学性质。(19) 这些优势对于 sers 活性材料尤为重要，因为必须精细调节表面纯度、尺寸均匀性和等离子体特性，以确保强烈且可重复的拉曼增强。(20?24) 在这里，我们报道了一种协同的等离子体-卤化物表面工程策略，首次制备了无背景、sers 活性的 aunps，这些纳米颗粒具有可调的大小和清洁的表面（图 1）。该方法独特地结合了微等离子体辅助的绿色合成和基于卤化物的表面纯化，消除了对苛刻化学品或多材料构建的需求，同时保持了高 sers 活性。使用常温微等离子体辅助合成平台，我们实现了aunps 的快速、绿色制备，其直径可控（14–100 nm），随后通过溶液中的溴离子 (br–) 处理选择性去除表面污染物。重要的是，br– 本身对拉曼光谱无干扰，从而能够在不引入新信号的情况下抑制光谱背景，这是 sers 应用中的一个关键且常被忽视的要求。所得基底表现出强烈的 sers 活性，能够实现亚纳米摩尔的检测限（罗丹明 6g 为 10–9 m；孔雀石绿为 10–10 m），同时保持高信号的可重复性和长期稳定性。这项工作首次展示了使用微等离子体-卤化物双重方法生产 sers 活性 aunps，这些纳米颗粒同时经过表面纯化、等离子体调节和可扩展，无需额外的材料涂层或多步骤组装。我们的发现不仅为制备低背景 sers 基底建立了一个简单而强大的范例，结合了绿色合成、结构可调性和分析灵敏度，还为生物医学传感、环境监测和即时诊断 (poc) 诊断提供了广泛的应用潜力。

图 1. 通过微等离子体辅助方法合成的 aunps 的形态学表征。通过调节两个关键参数（柠檬酸钠 (sc) 浓度和氩气 (ar) 流量）实现了颗粒大小的调控。当柠檬酸钠浓度分别降至 10、5 和 2 mm，同时保持氩气流量为每分钟 25 标准立方厘米 (sccm) 时，获得了平均直径为 60、80 和 100 nm 的 aunps。相反，当氩气流量增加到 40 sccm 且柠檬酸钠浓度保持在 10 mm 时，合成了 14 nm 的 aunps。扫描电子显微镜 (sem) 和透射电子显微镜 (tem) 确认合成的 aunps 主要是球形的，具有狭窄的尺寸分布。14 nm aunps 在低（80k×）和高（200k×）放大倍数下的 tem 图像（图 1a,b）显示颗粒分散良好，没有明显聚集。高分辨率 tem (hrtem) 分析（图 1c）显示出 0.23 nm 的晶格间距，对应于面心立方 (fcc) 金结构的 (111) 面，与先前的报道一致。(25) 基于 tem 的尺寸分布分析（图 1d）显示平均颗粒直径为 14.3 ± 0.4 nm。对于较大的 aunps，基于 sem 的测量确认平均直径分别为 59.3 ± 7.5、79.2 ± 8.5 和 106.9 ± 13.4 nm（图 1e–h），验证了通过调节柠檬酸钠浓度在等离子体处理下成功实现了尺寸控制。

图 2. 通过微等离子体在不同条件下合成的 aunps 的 plasmon 光学性质。谱图显示了清晰且对称的表面等离子体共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531、543 和 573 nm（来自 tem 和 sem 数据）（图 2a）。这些红移与金纳米结构预期的尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联凸显了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和等离子体特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。

为了研究纳米颗粒大小与光学响应之间的关系，使用 uv–vis 吸收光谱（图 2）检查了合成 aunps 的 plasmon 特性。光谱显示了定义明确且对称的表面 plasmon 共振 (spr) 带，随着颗粒直径的增加而逐渐红移。具体来说，平均直径为 14、60 和 100 nm 的 aunps 的吸收峰值分别位于 520、531 和 573 nm（图 2a）。这些红移与金纳米结构的预期尺寸依赖性 spr 表现一致，并与从 tem 和 sem 分析获得的尺寸测量结果相符。颗粒大小与光学响应之间的密切关联强调了微等离子体辅助合成在控制 aunps 形态和 plasmon 特性方面的有效性，使其适用于 sers 应用。

上述结果可以基于经典成核和生长原理以及等离子体-液体相互作用的特定特性来解释。在较高的柠檬酸钠浓度下，有更多的封端剂可用于稳定新生核，有利于形成大量较小的颗粒，从而抑制生长（图 2a）。相反，较低的柠檬酸钠浓度减少了表面钝化，使得较少的核能够生长成较大的颗粒，这是由于空间位阻和静电稳定作用的降低。此外，增加氩气流速率增强了活性等离子体物种（如水合电子和自由基）的生成，加速了 au3+ 离子的还原动力学（图 2d）。需要注意的是，气体流动对活性物种生成的影响非常动态，且密切依赖于实验配置。虽然在某些等离子体系统中增加流速可能会稀释活性物种，但在我们的大气压微等离子体设置中，较高的氩气流速率积极改变了等离子体羽流与液体表面之间的流体动力学相互作用。这改变了电子通量密度，增强了气液界面的对流质量传递，从而促进了观察到的活性物种（如水合电子和自由基）的持续生成。(19,26,27) 这导致了更高的过饱和度，促进了突发性成核，最终产生了较小的 aunps。因此，该系统中的颗粒大小控制源于等离子体诱导的还原速率和柠檬酸盐介导的生长稳定之间的微妙平衡。为了进一步验证微等离子体步骤的关键作用，使用相同的前体浓度（0.75 mm haucl4 和 2 mm 柠檬酸钠）进行了对照实验。如图 s2a 所示，反应 20 分钟后记录的吸收光谱缺乏明显的表面 plasmon 共振峰。这表明在这一阶段纳米颗粒的形成尚未完成。只有在反应 2 小时后（图 s2b），才会出现特征性的 plasmon 峰，确认了柠檬酸盐还原金纳米颗粒的最终形成。相比之下，微等离子体过程在短短 20 分钟内就实现了快速纳米颗粒的形成。这种对比直接突显了微等离子体在加速成核和生长中的关键作用。微等离子体方法能够在常温条件下精细调节这些参数，无需苛刻试剂或高温即可精确且可重复地控制纳米颗粒的形态，这对于优化 plasmon 特性和相应的 sers 增强性能至关重要。

2.2. 微拉曼光谱研究等离子体-卤化物修饰的 aunps
为了研究通过微等离子体合成的 aunps 的内在背景信号，在 500–3000 cm–1 的光谱范围内进行了拉曼光谱分析。如图 3a 所示（图 s4 中的 14 nm aunps 代表光谱），所有 aunp 样品在 1000–1800 cm–1 范围内都表现出明显的背景特征。>这个光谱范围通常被称为分子指纹区域，其中包含了关键的振动模式，如芳香环的弯曲、C=O伸缩以及C–N/C–C骨架振动，这些对于基于SERS的生物传感、药物监测和无标记诊断中分子种类的准确识别至关重要。(18,28,29) 然而，来自残余表面配体的背景信号（例如柠檬酸或等离子体-液体反应产生的部分还原产物）可能会与这些振动模式重叠，从而干扰弱分析物信号的检测。这种干扰会降低光谱的清晰度和分析灵敏度，这对于痕量级或无标记检测尤其不利。

图3 通过KBr表面处理实现拉曼背景抑制和SERS增强。(a) 使用微等离子体还原法合成的不同大小（14、60、80和100纳米）的AuNPs的拉曼光谱，所有光谱在指纹区域（1000–1800 cm–1）都显示出显著的背景信号，干扰了分析物的检测。(b) 14纳米AuNPs在1.5 mM KBr处理3小时前后的拉曼光谱，显示背景特征得到了显著抑制。(c) 处理前后背景区域的放大比较，证实了有效的表面清洁。(d) 使用罗丹明6G (R6G) 作为探针分子时，不同KBr浓度（0、1.5和3 mM）下14纳米AuNPs的SERS光谱。在1.5 mM KBr时观察到最佳的增强效果，而过高的Br–浓度会导致由于表面钝化而使信号减弱。

为了解决这个问题，选择了14纳米AuNPs作为模型，通过溴化钾（KBr）处理来优化表面清洁。如图3b,c所示，加入1.5 mM KBr并轻轻混合3小时后，有效地抑制了背景拉曼特征，表明吸附的杂质被成功置换，表面也得到了钝化。然后使用R6G作为模型分析物评估了这种表面纯化对SERS活性的影响。值得注意的是，1.5 mM KBr处理使R6G在612 cm–1处的峰强度增加了大约1.3倍。然而，进一步将KBr浓度增加到3 mM时，信号略有下降（从1.5 mM条件下降了约1.07倍），如图3d所示。这种趋势可以通过溴离子的双重作用来解释：在中等浓度下，Br–离子作为有效的竞争性吸附剂，取代了残留的有机物质，暴露出更清洁的金表面，增强了分析物与基底的相互作用。然而，在较高浓度下，过量的溴可能会导致表面过度钝化或静电排斥效应，从而阻碍分析物的吸附，降低SERS增强效果。这些发现证实，卤化物辅助的表面工程是一种高效且可调的方法，可以最小化拉曼背景并优化表面活性，这对于实现无背景的高性能SERS基底至关重要。

为了进一步阐明KBr在调节表面性质和胶体稳定性方面的作用，在卤化物处理前后对AuNPs进行了Zeta电位测量（图S5）。所有经过KBr处理的AuNP样品都表现出显著更负的Zeta电位，表明表面电荷密度增加，静电稳定性得到改善。这一变化与先前的研究一致，表明溴离子能够有效地通过静电相互作用置换表面吸附的柠檬酸分子。(30,31) 柠檬酸和溴之间的配体交换机制进一步通过FT-IR光谱得到验证（图S6）。柠檬酸稳定的AuNPs的FT-IR光谱在1589 cm–1（ν_as(COO–)）和1384 cm–1（ν_s(COO–)）处显示出两个特征性的羧酸伸缩振动，分别对应于表面吸附的柠檬酸基团的不对称和对称模式。在1419 cm–1处的较弱带表明部分COO–基团通过静电相互作用与AuNP表面发生了配位。KBr处理后，这个1419 cm–1带在3小时内逐渐消失，证明Br–离子有效地取代了金表面的柠檬酸配体。(32)进行了XPS分析，以研究不同反应时间（0至3小时）后14纳米AuNPs的表面化学组成。如图S8和S9以及表S1–S3所示，高分辨率光谱揭示了与表面物种相对应的明确的结合能峰。C 1s和O 1s光谱表明初始金表面存在柠檬酸残留。(31?34)具体来说，O 1s光谱显示了位于529.5、531.2至531.5、532.4和535.7 eV的多个组分，分别对应于O–Au、O=C、C–OH和结合水。(35?38)初始的Au 4f光谱显示出典型的金属金峰在82.9和86.6 eV，(39)以及83.4和87.1 eV的组分。(40,41)加入KBr后，Br 3d信号明显出现，结合能分别位于68.5 eV（Br 3d5/2）和69.5 eV（Br 3d3/2），证实了溴离子的成功吸附。(42)为了定量追踪配体的置换情况，评估了不同处理时间下这些元素的原子百分比。氧的原子百分比从0小时时的43.61%下降到3小时时的28.86%，证明了富氧柠檬酸配体的去除。溴的原子百分比从0%增加到2小时时的1.36%，并在3小时时稳定在0.95%。在同一时期内，可检测到的金原子百分比从0.31%增加到0.88%。这些比例变化证实了溴离子的受控吸附。该处理方法排除了体积较大的柠檬酸分子，暴露出活跃的金位点，并成功避免了导致表面钝化的过量溴积累。重要的是，这些定量XPS数据直接与我们的拉曼背景抑制结果相符。柠檬酸配体的显著减少完美解释了之前观察到的1000至1800 cm–1指纹区域内宽背景信号的消失。此外，高分辨率的Au 4f光谱显示3小时KBr处理后的结合能发生了正向偏移。Au 4f7/2和Au 4f5/2峰向更高的结合能移动，到3小时时分别达到了84.3和88.0 eV。(43)这种偏移表明金表面的电子环境发生了变化。高电负性的溴离子化学吸附到金表面并从中剥离了电子密度。这种电子相互作用稳定了清洁后的活跃位点，并调节了局部电子结构。这种卤化物诱导的电子调制与物理暴露的等离子体热点协同作用，提供了额外的化学增强机制，以最大化整体SERS性能。(44)用Br–替换柠檬酸不仅净化了纳米粒子表面，还增强了粒子之间的静电排斥，从而减少了聚集并提高了胶体稳定性。改善的表面均匀性有利于SERS应用。为了评估KBr处理后的胶体稳定性，监测了AuNPs在7天内的光学和流体力学性质。UV–vis光谱显示LSPR峰保持稳定（554–561 nm，图S10），表明光学性质一致。Zeta电位保持高度负值（?75.9至–58.4 mV，图S11a），确保了足够的静电稳定性。(45,46)DLS结果显示仅有轻微的粒子尺寸波动（100–160 nm），没有出现大颗粒聚集（图S11b），这一结果进一步通过SEM观察得到确认。这些结果表明AuNPs保持了良好的胶体稳定性，适用于可靠的SERS应用。更均匀和清洁的表面增强了分析物分子的接近性和结合亲和力，从而产生了更强且更可重复的拉曼信号。KBr处理后观察到的R6G信号强度的增加与此机制一致，进一步验证了卤化物离子在优化AuNP基底物理化学环境中的作用。基于这些证据，1.5 mM KBr被确定为最佳处理浓度。它在有效 surface cleaning 和保持分析物吸附位点之间取得了平衡，实现了背景抑制而不影响SERS灵敏度。因此，在后续实验中采用了这一优化条件，用于环境污染物的敏感检测。

卤化物离子，特别是溴（Br–），被知道可以通过化学吸附机制强烈吸附到贵金属表面如金上。选择Br–而不是Cl–是因为它在金表面的吸附力更强，能够有效地置换残留的柠檬酸配体，同时保持胶体稳定性。相反，I–由于吸附力过强，常常导致不利的纳米粒子聚集和等离子体阻尼，这对SERS性能有害。(30,47?49)这种表面亲和性使Br–能够置换弱结合的有机稳定剂或残留副产物，如柠檬酸或部分氧化的物种，这些通常在纳米粒子合成过程中引入。通过竞争性地替代这些表面杂质，Br–有效地“清洁”了纳米粒子表面，暴露出更均匀且化学上更易接近的金界面。具体来说，Br–离子占据了原本由柠檬酸占据的相同结合位点。在这种情况下，“净化”指的是清除光谱背景，而不是创建一个完全裸露的表面。(30,31)这种置换过程增强了AuNPs的胶体和表面静电性质，表现为Zeta电位的增加和聚集倾向的减少。更重要的是，有机残留物的去除消除了特别是在关键指纹区域（1000–1800 cm–1）的 unwanted 振动信号，这些信号常常干扰SERS对目标分子的检测。至关重要的是，Br–在典型激发波长下本身是拉曼不活跃的，在大多数SERS分析相关的光谱范围内不显示出任何特征性拉曼带。这是由于其简单的单原子离子结构和缺乏可极化的化学键，这些键会产生显著的拉曼散射，这意味着它有效地为准确测量创建了一个干净的、无拉曼背景的基线，这一机制在其他高性能SERS研究中也得到了成功应用。(47?49)因此，Br–处理不仅通过改善分析物结合和场增强来提高SERS性能，而且不会引入额外的背景，从而获得了清晰、高对比度的拉曼光谱。这一性质使Br–成为工程化低背景、高灵敏度SERS基底的理想添加剂，特别是在无标记和痕量级检测场景中，其中光谱清晰度至关重要。

2.3. SERS 对等离子体-卤化物工程化AuNPs的研究为了系统评估和优化KBr处理对AuNPs SERS性能的影响，选择了两种代表性的环境污染物R6G和MG作为模型分析物。使用四种不同大小的AuNP（14、60、80和100纳米）获得了SERS光谱，如图4a所示。R6G的特征拉曼峰位于612、772、1182、1360、1506和1647 cm–1，与文献中的分配一致。这些峰对应于关键的振动模式：612 cm–1峰来源于C–C–C键的平面内弯曲；772和1182 cm–1峰分别归因于平面外和平面内的C–H振动；而1360、1506和1647 cm–1峰反映了芳香C–C伸缩模式。(50?52)在测试的不同粒子尺寸中，100纳米AuNPs表现出最高的SERS强度，其次是80、60和14纳米粒子（图4b）。这种尺寸依赖的趋势归因于局部表面等离子体共振（LSPR）效应：较大的纳米颗粒在光激发下支持更强、扩展更多的电磁场，从而增强了局部场强和拉曼信号的放大。(53)

图4 优化和评估用于R6G SERS检测的微等离子体制备、尺寸可控的AuNPs。(a) 使用不同大小（14、60、80和100纳米）的AuNPs获得的R6G拉曼光谱。(b) 使用不同大小AuNPs在612 cm–1处的拉曼峰强度比较。(c) 使用100纳米AuNPs在10–9至10–4 M浓度范围内的R6G拉曼光谱。(d) R6G SERS强度（612 cm–1）与100纳米AuNPs的关系，作为R6G浓度从10–9至10–4 M的函数。(e) 均匀性测试：使用100纳米AuNPs在随机位置的R6G SERS强度（612 cm–1）。(f) 时间稳定性研究：使用不同天数的AuNPs的R6G SERS强度（612 cm–1）。

为了确定优化基底的检测限，使用100纳米AuNPs对不同浓度的R6G进行了SERS测量。如图4c和图S12a所示，系统达到了10–9 M的检测限（LOD）。在10–9至10–4 M的范围内，612 cm–1处的SERS强度与R6G浓度之间存在强线性关系（图4d），突显了该平台用于定量检测的潜力。SERS增强因子（EF）是通过以下公式计算的：EF = (ISERS/IRaman) × (CRaman/CSERS)，其中ISERS和IRaman分别表示在有和没有SERS基底时R6G在612 cm–1处的拉曼强度，CSERS和CRaman表示每种情况下使用的分析物浓度。(54) 计算得到的EF为2.12 × 10^6，表明由于卤素介导的表面清洁和LSPR优化的协同效应，实现了高增强效率。进行了对照实验以区分等离子体处理和KBr改性的各自贡献。在相同的条件下，等离子体处理的AuNPs对R6G的SERS响应明显强于仅使用KBr的样品（图S13–S15）。使用相对增强因子（REF）（在10–4 M浓度范围内）进行的定量分析显示，等离子体处理的颗粒增强效果更高（7.90），而仅使用KBr的样品为4.96。(55) 这些结果表明，等离子体处理起主导作用，而单独使用KBr是不够的，它们的组合可以提高整体的SERS性能。除了高灵敏度和背景抑制外，SERS基底的实际应用还需要出色的信号再现性和长期稳定性。为了评估再现性，我们使用罗丹明6G作为探针，在KBr处理的100 nm AuNP基底上随机选择的10个位置收集了SERS光谱。所得到的相对标准偏差（RSD）为6.1%，表明基底表面的信号分布非常均匀（图4e和图S12b）。此外，稳定性测试显示，在室温条件下储存30天后，SERS强度几乎没有变化，信号衰减不到7%（图4f和图S12h）。这些结果表明，我们的微等离子体-卤素工程化的AuNPs不仅具有强增强效果和低背景，还具有稳定且一致的性能。这种再现性和稳定性对于实际应用至关重要，特别是在临床诊断、环境监测和便携式传感平台中，其中批次间的一致性和长保质期是必不可少的。

使用等离子体-卤素工程化的AuNPs进行无标记SERS检测
为了进一步验证AuNP基底的SERS性能，MG被用作额外的目标分析物。MG是一种有毒的合成染料，广泛用于水产养殖和工业；然而，由于其致癌性和生物累积性，已受到监管限制。(56) 尽管有这些限制，MG仍然被非法使用，因此需要使用灵敏、快速和可靠的检测方法。传统技术如HPLC和质谱法虽然准确，但需要复杂的程序。SERS提供了一种强大的替代方法，能够实现无需标记的超痕量检测，并且样品准备简单。(57) 因此，开发低背景、高灵敏度的SERS基底对于有效监测环境中的MG污染和食品安全至关重要。图5a和图5b分别比较了经KBr处理和未经处理的AuNPs的SERS信号。MG在1615 cm–1处显示出特征性的拉曼峰，这与先前的报告一致。(58,59) 如图所示，经KBr处理的AuNPs产生的信号明显更强，100 nm样品的SERS强度比未经处理的AuNPs提高了1.95倍。这种增强归因于Br–离子的有效背景抑制作用，这使得AuNP表面更加清洁，从而提高了分析物的结合效率，进而增强了SERS灵敏度。使用优化后的100 nm KBr处理的AuNPs，MG的检测限（LOD）低至10–10 M（图5c和图S18a）。在10–10至10–4 M的浓度范围内，观察到1615 cm–1处的SERS信号与MG浓度之间存在强烈的线性相关性（图5d）。使用之前描述的相同公式计算的增强因子（EF）为2.66 × 10^6，表明这些无背景基底具有强大的信号放大能力。

为了评估信号均匀性，我们在KBr处理的基底上随机选取了20个位置收集了SERS光谱，得到了8.57%的相对标准偏差（RSD）（图5e和图S18b），证实了良好的再现性。为了进一步研究KBr处理对分析物吸附的影响，使用与R6G或MG溶液混合的100 nm AuNPs进行了UV–vis光谱分析。与未经处理的样品相比，经KBr处理的AuNPs在526 nm（R6G）和615 nm（MG）处的吸光度下降更为明显（图S19），表明分子吸附增强。这一结果支持了Br–离子改善表面清洁度并提高目标分析物吸附效率的假设，从而增强了SERS信号。与以往依靠多步骤制备复杂的纳米杂化物或复合基底来达到类似灵敏度的报告相比（表S8），我们的方法提供了一种简单、可扩展且有效的方法。值得注意的是，如AuNPs@MIL-100(Fe)和AuNPs/TiO2/Ti3C2异质结构等代表性系统的MG检测限分别为3.04 × 10–10 M和2.71 × 10–10 M，而基于Au@Ag纳米棒的基底通常在10–9 M范围内达到检测限（表S8）。相比之下，目前的等离子体-卤素工程化的AuNPs使用相对简单的制备策略实现了相当的10–10 M检测限。这些发现强调了经过卤素处理的低背景AuNPs作为实用且高效的SERS平台的潜力，适用于痕量级检测，无需额外的结构修改。

观察到的增强拉曼散射主要归因于两个协同因素：(1) 与尺寸优化的AuNPs相关的等离子体场强化；(2) Br–处理引起的表面纯化效应。值得注意的是，MG在1615 cm–1处的拉曼模式（对应于芳香C═C伸缩振动）显示出最显著的增强，表明在热点区域附近具有强极化率和空间对准的振动模式得到了选择性放大。Br–有效地去除了柠檬酸，不仅最小化了光谱干扰，还增加了MG吸附的表面积，特别是通过π–π堆叠和静电相互作用。此外，纳米颗粒表面附近的场增强可能更有效地与对称的芳香伸缩模式（如1615 cm–1）耦合，这些模式更具极化性和表面定向性，从而促进了选择性的增强。这一机制强调了表面清洁度和纳米间隙可访问性对于实现强选择性和选择性SERS响应的重要性，对更广泛的分子传感应用具有重要意义。

2.5. 表面电荷对SERS选择性的影响
吸附是SERS的关键步骤，电静力强烈调控金属-溶液界面处的吸附。经过KBr处理后，AuNP获得更负的表面电势，这可能会提高胶体稳定性，但不利于共阴离子分析物的吸附。因此，我们探讨了单独的背景抑制（通过Raman不活跃的Br–清洁）是否能提高检测效果，或者电静力排斥是否抵消了这种效果。为此，我们选择了两种在测量pH下带负电的阴离子分子——甲基红（MR）和叶酸（FA）作为测试对象。(60?62) 如图S20所示，MR在1387 cm–1处显示出特征性的拉曼峰，与先前的报告一致。(63) MR的最低可检测浓度确定为10–6 M，并且在10–6至10–4 M的浓度范围内观察到1387 cm–1处的SERS强度与MR浓度之间存在强烈的线性相关性。使用100 nm AuNP检测FA时，在680 cm–1处观察到一个主导的拉曼带，与粉末光谱相比略有变化（图S21b），这可能是由于叶酸分子与Au表面之间的相互作用，导致局部化学环境和吸附配置的变化。实现的检测限为5 × 10–4 M，并且在680 cm–1处的SERS强度与FA浓度（10–4至10–3 M）之间获得了明显的线性关系（图S22a）。与R6G和MG的检测限相比，MR和FA都表现出更高的检测限，表明AuNP基底显示出分析物选择性。尽管通过卤素辅助的表面清洁过程有效降低了基底的拉曼背景，但检测灵敏度仍受到分析物与SERS活性表面之间电静力相互作用的影响。这些发现表明，虽然表面清洁显著提高了光谱清晰度和基线稳定性，但要实现最佳的SERS增强效果，仍需要分析物与清洁的等离子体表面之间的电静力互补性。这强调了表面清洁度和电荷兼容性在决定整体SERS性能方面的协同作用。

3. 结论
总之，我们展示了一种简单、环保且可扩展的方法，使用等离子体-卤素工程化的金纳米粒子实现无背景、无标记和可重复的SERS。环境微等离子体可以制备尺寸可调的AuNPs（14–100 nm），而Raman不活跃的Br–可以有效地取代柠檬酸，抑制1000–1800 cm–1指纹窗口内的基线特征，而不会引入新的峰。最佳条件（约1.5 mM，约3小时）可以清洁表面，同时避免钝化，保持等离子体响应并改善吸附。所得基底具有EF >10^6、亚纳摩尔级别的检测限（10–9 M R6G；10–10 M MG）、宽的线性范围、低点间变异（RSD <约8%）和周稳定性（>90%的信号保留），突出了测量的准确性和实际稳健性。通过将表面清洁与等离子体设计分离，这种方法消除了对复杂杂化物或强烈化学试剂的需求，建立了可靠的定量痕量分析途径，特别是对于阳离子物种。我们预计该技术在环境监测、食品安全和生物分析传感中具有应用价值，并有望扩展到多种分析物和复杂基质，以及设备级别的实现（例如，纸质/柔性基底）。未来的工作将使用先进的映射/光谱技术进一步优化表面-吸附物能量学和热点均匀性，进一步加强清洁表面、高保真SERS的设计规则。

4. 实验部分
AuNPs的等离子体合成
为了制备前体溶液，将0.75 mM的氯金酸（HAuCl4）与不同浓度的柠檬酸钠（2、5和10 mM）混合，柠檬酸钠既作为还原剂也作为稳定剂。每种溶液都经过20分钟的微等离子体处理，如方案1所示。在这个环境微等离子体过程中，氩气放电产生的等离子体在气-液界面生成了包括水合电子、离子和自由基在内的丰富活性物种混合物。这些物种有效地推动了Au3+前体的快速还原和随后的纳米粒子成核，无需使用强烈的还原剂或高温。关于大气压微等离子体系统的物理设置、电极配置和基本机制的详细信息可以在我们之前的基础研究中找到。(19?22) 在此过程中，以25 sccm的流量将氩气引入系统，以合成平均直径分别为100、80和60 nm的AuNPs。为了合成平均直径为14 nm的较小AuNPs，使用了40 sccm的更高氩气流量，并保持柠檬酸钠浓度为10 mM。等离子体处理后，将所得溶液以9000 rpm的速度离心20分钟以去除未反应的前体和副产物。纯化的AuNPs在超声波处理5分钟后重新分散在去离子水中，以确保后续表征时的均匀分散。所得AuNP胶体溶液储存在4 °C的密封玻璃瓶中，以尽量减少空气暴露和潜在的表面氧化。储存期间没有添加额外的稳定剂。在这些条件下，纳米粒子保持了良好的胶体稳定性并保留了它们的等离子体性质，适用于后续的SERS测量。

表征方法
使用JASCO V-676 UV–vis吸收光谱仪分析了合成的AuNPs的光学性质。所有测量都在一对1 cm路径长度的石英比色皿中进行，使用相应的溶剂作为基线参考以消除背景干扰。SEM用于进一步检查AuNPs的表面形态和聚集状态。SEM图像是使用JEOL JSM-IT800系统获得的，该系统提供高分辨率图像。TEM分析用于检查AuNPs的形态和结构特征。成像使用Spectra 300 FEG-S/TEM仪器进行，加速电压为300 kV。TEM样品是通过将胶体AuNP溶液的液滴干法喷涂到Formvar/碳涂层铜网格（300目，EM Resolutions Ltd.）上制备的。粒子大小分布和晶格间距分析使用Digital Micrograph 3.7版本进行。此外，通过Otsuka ELSZ-2000 zeta电位和粒度分析仪测量AuNPs的表面电荷和胶体稳定性。XPS测量使用ULVAC-PHI Quantes光谱仪进行，该光谱仪配备了单色Al Kα X射线源（hν = 1486.6 eV），能量透过率为150.0 eV，分析范围为7.5至1400 μm。收集了扫描谱和高分辨率谱以分析样品的表面化学成分和键合状态。

SERS测量：合成的AuNP胶体溶液用KBr处理。拉曼测量的最佳条件是1.5 mM KBr并在搅拌下处理3小时。在基底制备之前，硅片（0.5 cm × 0.5 cm）依次用乙醇、丙酮和超纯水超声清洗5分钟，然后干燥。将50微升合成的AuNP胶体溶液滴涂到预清洗的硅片（0.5 cm × 0.5 cm）上，然后在50 °C的热板上干燥。干燥后的基底浸入R6G溶液中30分钟以进行分子吸附。浸泡后，基底在50 °C的热板上干燥并进行拉曼光谱分析。这个初始程序用于确定SERS增强的最佳AuNP尺寸。优化之后，使用更大体积的AuNPs制备最终的SERS基底。为了确保膜层均匀并最小化咖啡环效应，采用了分段滴涂策略。总共有200 μL的AuNP胶体溶液分25 μL的小批次沉积到清洁的0.5 cm × 0.5 cm硅片上。每滴溶液在加入下一批次前都在50 °C下缓慢干燥。再次将200 μL的AuNP胶体溶液滴涂到0.5 cm × 0.5 cm硅片上并在50 °C下干燥。随后，基底依次浸入R6G溶液中30分钟，以及MG、MR和FA溶液中各1小时，以确保足够的分子覆盖。最后一次吸附步骤后，基底在50 °C下再次干燥，然后进行拉曼测量。所有基底都接受相同的染料浓度、体积和浸泡时间，以确保均匀吸附。由于这种一致性，任何SERS信号的差异都是由基底本身的性质而非局部浓度变化引起的。显微拉曼光谱使用JASCO NRS-5100光谱仪在室温下进行，该光谱仪配备了532 nm激光激发源。在整个测量过程中，激光功率被仔细调节并保持在3.7 mW，以防止样品受到热损伤。在数据采集之前，使用在520 cm–1处有特征拉曼峰的硅片对光谱仪进行校准。对于对照实验，分别将50 μL仅用等离子体处理的14 nm金纳米颗粒以及仅用KBr处理的传统还原法合成的AuNPs沉积到硅片上。所有后续的样品制备步骤和拉曼测量条件都与主要实验组完全相同。