生態農業：土壤碳蓄存之預測模型優化及驗證【材料科學與工程學系/薛涵宇副教授】
| 論文篇名 | 英文：Fabrication of Gyroid-Structured Metal/Semiconductor Nanoscaffolds with Ultrasensitive SERS Detection via Block Copolymer Templating 中文：高分子模板法製備螺旋結構金屬/半導體奈米支架應用於表面增強拉曼散射 |
| 期刊名稱 | Advanced Optical Materials |
| 發表年份,卷數,起迄頁數 | 2023, 11, 2202280 |
| 作者 | Lu, Ying-Chun; Tseng, Pei-Chieh; Yang, Min-Jung; Wang, Cheng-Jie; Ling, Yi-Chun; Lin, Chia-Feng; Hsueh, Han-Yu(薛涵宇)* |
| DOI | 10.1002/adom.202202280 |
| 中文摘要 | 表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)是一種無需標記又具有靈敏度的檢測技術，可以在不破壞分析物的情況下，同時且快速地分辨多種化學成分及微量元素的檢測，廣泛的應用在細菌分類、腫瘤辨識、殘留毒化物檢測及食品安全等。本研究以製造超靈敏的拉曼元件為目標，利用高分子嵌段共聚物中的螺旋二十四面體結構作為模板，透過無電電鍍技術與溶膠凝膠製程，成功製備出銀/二氧化鈦三維奈米網狀混成材料。結合相鄰貴金屬銀粒子間產生的電磁增強效應及二氧化鈦半導體與分析物之間的電荷轉移效應所產生的協同作用，達到高效能的表面增強拉曼散射效果，除此之外三維奈米網狀結構比起二維結構具有更大的表面積，提供更高密度的熱點及吸附更多分析物，可同時增強拉曼訊號。本實驗以染料分子Rhodamine 6G (R6G)和Crystal violet (CV)作為汙染物檢測此基板的拉曼增強效果，實驗結果證實，其最低檢測濃度為10-18 M，表示此基板具有很好的靈敏度，並且經由隨機多點測量及混和染料辨識測量證實基板有良好的訊號穩定度及可靠度，顯示此銀/二氧化鈦三維奈米網狀SERS活性基板有多項優異的特性，在應用層面上極具潛力。 |
| 英文摘要 | Surface-enhanced Raman scattering (SERS) is a label-free and powerful technique for monitoring dynamic molecular processes with high sensitivity and reproducibility. SERS has diverse applications in medicine, molecular science, biology, and chemical sensing. In this study, a template-based approach to create an ultrasensitive SERS-active substrate is proposed which involves combining nanostructured semiconductors and noble metals. A nanoporous polymer obtained from hydrolyzed gyroid-forming polystyrene-block-poly(l-lactide) (i.e., PS-b-PLLA) is used as a template for Ag reduction and TiO2 sol-gel reaction. After calcination to remove the polymeric template, TiO2 nanoscaffolds appear as self-supporting 3D nanoobjects with homogeneously and closely distributed Ag nanoparticles, providing a high density of regions with intense local field enhancement (hotspots). Rhodamine 6G molecules are used as probe molecules to demonstrate the SERS performance, revealing a markedly high average enhancement factor of up to 10(14). The intrinsic photocatalytic properties of TiO2 can degrade target organic chemicals for the self-cleaning and reproduction of SERS-active substrates. Moreover, a simple hydrazine reduction-based approach is applied for the formation of regenerated Ag/TiO2 nanoscaffolds to reduce the use of Ag-based SERS-active substrates, decreasing the costs associated with relevant industrial processes. |
| 發表成果與本中心研究主題相關性 | 全球人口不斷的增加，糧食危機日益嚴重，為了提高農作物產量以滿足人類基本生存需求，大量使用化學肥料提高土地的單位面積產量及減少作物的病蟲害，然而，過量的使用造成農藥殘留過高的問題，不僅危害人體也對環境造成傷害，因此，確保農產品在送到消費者手上前可以先做好農藥殘留的即時檢測監控技術，是一項重要的課題。目前，液相層析串聯質譜儀(LC/MS-MS)或氣相層析串聯質譜儀(GC/MS-MS)是常用於農藥殘留的檢測儀器，可以對農藥的成分及濃度進行檢測，具有靈敏度高之優點，然而，這些設備體積龐大且昂貴，還需要專業人員操作且分析費時，因為在進行檢測前，樣品還需先利用QuEChERS方法(Quick, Easy, Cheap, Effective, Rugged, Safe)進行萃取及淨化處理，增加了檢測的複雜性和成本，使得檢測不易普及化，農民很難在第一時間監控和改善農藥殘留的問題。由上述可知，開發一項操作簡單且可快速檢測農藥殘留的方法是刻不容緩的工作。表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS) 是一種結合拉曼光譜和奈米結構效應的技術，可以在不破壞檢測物的情況下，快速地分辨多種化學成分，具有高靈敏度和操作簡單等優點。本研究利用高分子模板法結合貴金屬材料與奈米結構半導體製備具超高靈敏度的SERS活性基板，由水解螺旋體結構的PS-b-PLLA雙嵌段共聚物得到奈米多孔聚合物作為銀還原與二氧化鈦溶膠凝膠法反應之模板，經高溫去除聚苯乙烯模板後，形成具有均勻且緊密分佈銀奈米粒子的二氧化鈦三維奈米網狀支架，可提供高密度的強烈電磁場增強(熱點)區域，其三維結構及金屬與半導體組合成的複合基板，可大大提升農藥檢測靈敏度，其檢測靈敏度高達1014；搭配手持式拉曼儀，可將該項檢測技術普及至一般農民，達到即時監控之目的。 |
