01
研究背景
挥发性有机化合物 (Volatile organic compounds，VOCs) 是一类常见的环境污染，其过量排放不仅会造成光化学烟雾、温度室效应、雾霾等重大环境问题，还会成为火灾、爆炸、中毒等事故的潜在来源，给公众安全和生命健康带来极大威胁。此外，挥发性有机化合物是广泛存在于呼出气体、血液和尿液中的生物标志物，其水平的变化对癌症的早期诊断具有重要意义。表面增强拉曼光谱 (surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS) 作为一种高灵敏的检测技术，具有分子指纹识别、快速响应、不受水分子影响等优点，在 VOCs 气体检测中具有独特的优势。然而，气体分子的高迁移率使其难以吸附在固体基底上，这是 SERS 技术在 VOCs 气体检测实际应用中面临的主要挑战。针对这一问题，研究人员开发了一系列新型 SERS 基底以及气体富集技术，以促进气体分子在基底材料表面的吸附，在 VOCs 气体检测中取得了重大的进展。
02
综述内容
近日，河北大学孟祥雨博士等综述了 SERS 技术在 VOCs 气体检测中的最新研究进展，重点介绍了 SERS 基底材料的设计及在环境和呼出气检测中的应用，包括金属有机框架 (metal-organic frameworks, MOFs)、层状双氢氧化物 (layered double hydroxides, LDHs)、微流控芯片和水凝胶等其他基底材料，并提出了近年来 SERS 在 VOCs 检测中面临的挑战和未来发展前景。
图1 SERS基底的设计及应用。
在基底材料设计方面，MOFs 具有可调节的孔径进而实现对气体分子的筛选，是一种理想的气体筛选和富集材料。近年来，多种 MOFs 材料以及贵金属/MOFs 复合材料的 SERS 性能被相继报道。并且 MOFs 壳层厚度对 SERS 性能的影响被详细的探究，由于较厚的壳层阻碍了 Au 纳米粒子之间的电磁耦合，导致 SERS 强度随着 ZIF-8 壳层厚度的增加而降低。与 MOFs 材料相比，LDHs 具有丰富的介孔结构、较低的分子扩散阻力和较高的热稳定性等特点，也是一种优异的气体 SERS 检测基底。然而，多孔材料 SERS 气体传感器可能会使气体分子远离热点区域，从而干扰气体的微流动，降低信号强度。因此，研究人员将 SERS 与微流控技术结合，通过几十到几百微米的通道控制分子流动，促进分子吸附，显著提高了 SERS 性能。此外，研究者设计了多种 SERS 基底来提高 VOCs 的检测效率，包括 Ag 纳米棒、三维介孔 Ag/SiO₂、钙钛矿、Ni₃S₂/MoS₂@Ag@PDMS 柔性基底等，增强了基底材料的稳定性和柔韧性，适用于各种复杂环境及呼出气的检测。
在 SERS 技术的应用方面，该综述首先介绍了 SERS 技术在环境中 VOCs 气体检测中的应用。通过将 SERS 基底与远程拉曼系统结合，实现了2~10米的远距离检测，其检测限可以达到 ppb 级别。其次，介绍了 SERS 技术对呼出气中 VOCs 的检测，研究者通过 Tedlar 气体采样袋、抽滤、将滤纸置于口罩呼吸阀处制成口罩检测器等方法实现了对呼出气的富集 (图3)，实现了对呼出气中 VOCs 成分的有效检测，并成功应用于健康人群和癌症患者的有效区分。
03
总结展望
由于 SERS 技术的高灵敏度和选择性增强能力，在 VOCs 气体的检测中具有广阔的应用前景。然而，目前还存在一些需要解决的问题：
1：成本问题。高价格限制了 SERS 技术大规模应用的经济可行性。为了降低成本和增加 SERS 活性衬底的种类，研究人员开发了一系列非贵金属 SERS 基底，以减少对贵金属的依赖。
2：信号稳定性。SERS 信号的稳定性有待进一步提高，如均匀性、可重复性和对环境因素的敏感性等。应开发新的策略和技术，如限制增强拉曼光谱 (CERS) 策略和单原子增强拉曼散射 (SAERS) 效应，通过防止贵金属纳米颗粒的聚集来改善信号的稳定性和均匀性。
3：选择性吸附。对复杂混合物中特定 VOCs 的选择性富集和增强具有一定的挑战性。通过设计具有特定孔径的 MOFs，可以提高 SERS 技术对复杂样品中特定分子的选择性富集能力。
4：复杂数据处理。在实际检测的复杂体系中，SERS 光谱信号较复杂，需要通过机器学习快速对 SERS 光谱数据进行分析，减少人工干预，提高分析效率。这对于需要快速响应的应用场景，如环境监测和疾病诊断，尤为重要。
克服这些挑战将为 SERS 在各种环境 (包括环境监测、工业安全和医疗诊断) 中检测和分析挥发性有机化合物铺平道路。
04
论文信息
Application and development of SERS technology in detection of VOC gases
Xiangyu Meng, Yuening Wang, Xiaoyu Song, Yue Liu, Yujiao Xie, Lei Xu, Jian Yu, Lin Qiu, Xiaotian Wang and Jie Lin
Mater. Chem. Front., 2025, Advance Article
https://doi.org/10.1039/D4QM00812J
*文中图片皆来源上述文章
点击“阅读原文”直达上述文章
推荐阅读
吉林大学邹晓新团队综述 | 质子交换膜电解水阳极催化层的多尺度调控
沈阳工业大学武祥团队 | 氧缺陷调节 NH₄V₄O₁₀ 电极材料结构用于低温锌离子存储器件
微信改版，公众号文章不再以时间轴排列啦！
将Frontiers Journals设为星标⭐ 不错过更多精彩内容！
喜欢今天的内容？
👇 就来分享、点赞、在看三连吧 👇
