Étude sur les hautes performances du SERS des points de carbone fonctionnalisés pour la détection des contaminants colorants

Contexte académique

Les molécules de colorants jouent un rôle important dans la vie quotidienne, mais les problèmes de pollution environnementale causés par leur utilisation ne peuvent être ignorés. Parmi eux, le vert de malachite (Malachite Green, MG) est un colorant de la famille des triphénylméthanes ayant des effets potentiellement cancérigènes, tératogènes et mutagènes. Bien que le MG soit largement utilisé en aquaculture pour traiter les infections parasitaires et fongiques chez les poissons, son utilisation a été explicitement interdite dans de nombreux pays en raison de sa toxicité élevée et de ses problèmes de résidus. Cependant, l’absence d’alternatives efficaces et abordables sur le marché signifie que son utilisation n’a pas été complètement arrêtée. Pour surveiller sa présence à l’état de traces dans des environnements biologiques complexes, une technique de détection hautement sensible et sélective est nécessaire.

Les méthodes traditionnelles de détection, telles que la chromatographie liquide à haute performance (HPLC) et la spectroscopie Raman couplée à l’électrophorèse capillaire (CE-RS), bien que précises, souffrent de processus de prétraitement d’échantillons fastidieux, chronophages et coûteux. La diffusion Raman amplifiée par surface (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS), en tant qu’une technique analytique ultrasensible, peut amplifier le signal Raman de 10^10 à 10^11 fois au niveau de la molécule unique, offrant ainsi un énorme potentiel d’applications. Cette étude vise à développer un nouveau substrat SERS pour détecter efficacement et sensiblement le MG, tout en fournissant un support technique pour les applications dans les domaines de l’environnement et de la sécurité alimentaire.

Source de l’article

Cet article a été co-rédigé par Yanqiu Yang, Lingru Kong, Yong Ding, Lixin Xia, Shuo Cao et Peng Song. Les auteurs proviennent respectivement du Département de Physique et de Chimie de la Liaoning University, ainsi que de l’Yingkou Institute of Technology. L’étude a été publiée dans le Journal of Advanced Research (volume 68, 2025, pages 89-98) et mise en ligne le 9 février 2024. La recherche a été financée par plusieurs projets du Fonds national pour les sciences naturelles de Chine et du Département de l’éducation de la province du Liaoning.

Processus de la recherche

1. Construction d’un nouveau nanocomposite Ag-CDs-PBA

L’étude commence par la préparation de points de carbone (Carbon Dots, CDs) par la méthode hydrothermale, suivie d’une purification par dialyse. Ensuite, la poudre de CDs est immergée dans une solution d’acide phénylboronique (Phenyl Boric Acid, PBA) pour former le complexe CDs-PBA. Puis, par la réduction du nitrate d’argent (AgNO3), des nanoparticules d’argent (Ag NPs) sont déposées à la surface de CDs-PBA, obtenant ainsi le matériau composite Ag-CDs-PBA. Pour vérifier ses performances, un échantillon témoin de Ag-CDs a également été préparé.

2. Conception de l’expérience de détection SERS du MG

Les objets d’étude incluent des poissons d’eau douce et des échantillons d’eau réels. D’abord, des poissons vivants sont exposés à des solutions de MG à différentes concentrations pendant deux jours avant l’extraction des échantillons de tissus de poisson. Des échantillons d’eau réelle sont prélevés dans les eaux de la rivière Hunhe et des eaux usées industrielles, filtrés, puis enrichis en différentes concentrations de MG par une méthode d’ajout d’étalon. Tous les échantillons sont soumis à une détection SERS par le substrat Ag-CDs-PBA, et les spectres Raman sont enregistrés.

3. Caractérisation des matériaux et tests de performance

La morphologie et la structure cristalline de Ag-CDs-PBA sont caractérisées par microscopie électronique à transmission (TEM) et diffraction des rayons X (XRD). La composition chimique de surface du matériau est analysée par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) et spectroscopie photoélectronique des rayons X (XPS). La spectroscopie Raman est utilisée pour évaluer l’effet d’amplification du substrat SERS, et les calculs de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) révèlent le mécanisme de transfert de charge entre les CDs et le PBA.

Résultats principaux

1. Résultats de la caractérisation des matériaux

Les images TEM montrent que les Ag NPs sont uniformément distribuées à la surface des CDs, avec une taille de particules d’environ 40 nm, tandis que les CDs ont un diamètre compris entre 2-6 nm. L’analyse XRD indique que la cristallinite du matériau composite Ag-CDs-PBA est élevée, et la présence de nanoparticules d’argent améliore significativement sa stabilité. Les résultats FTIR et XPS montrent que l’introduction du PBA modifie considérablement les groupes fonctionnels de surface des CDs, renforçant ainsi l’interaction entre le matériau et les molécules cibles.

2 Évaluation des performances du SERS

Les expériences montrent que le substrat Ag-CDs-PBA présente une sensibilité et une sélectivité élevées pour la détection du MG. Même à une concentration de MG de 10^-10 M, les pics Raman caractéristiques sont clairement observés, ce qui démontre les excellentes performances de détection de ce substrat. De plus, les calculs DFT confirment un fort effet de transfert de charge entre les CDs et le PBA, expliquant davantage le mécanisme d’amplification du signal SERS.

3. Test d’application réelle

Dans les échantillons d’eau réels, le substrat Ag-Cds-PBA a permis avec succès la détection de traces de MG, avec un taux de récupération allant de 94,10% à 108,45%, ce qui montre son potentiel pour une utilisation dans des environnements complexes. En outre, le substrat maintient une bonne activité SERS après plusieurs cycles d’utilisation, ce qui démontre son excellente stabilité et reproductibilité.

Conclusion et importance

Cette étude a réussi à construire un nouveau substrat SERS Ag-Cds-PBA, permettant la détection hautement sensible et sélective du vert de malachite. En régulant l’effet de transfert de charge entre les CDs et le PBA, la recherche a grandement amélioré les performances SERS du substrat, tout en fournissant un nouvel outil technique pour la détection de polluants traces dans des environnements complexes. Cette étude ne présente pas seulement une valeur scientifique importante, mais montre également un large potentiel dans les domaines de l’environnement et de la sécurité alimentaire.

Points clés de la recherche

1. Haute sensibilité : Le substrat Ag-CDs-PBA est capable de détecter le MG à une très faible concentration (10^-10 M), montrant des performances de détection exceptionnelles.
2. Forte sélectivité : L’introduction du PBA supprime efficacement les interférences causées par d’autres substances, permettant une identification spécifique des molécules cibles.
3. Application pratique : Le substrat a été appliqué avec succès à la détection dans des échantillons d’eau réelle et de poisson, validant son applicabilité à des environnements complexes.
4. Innovation : Les calculs DFT ont révélé le mécanisme de transfert de charge entre les CDs et le PBA, fournissant une base théorique pour l’amplification du signal SERS.

Autres informations pertinentes

L’étude explore également d’autres applications du substrat Ag-Cds-PBA pour la détection de molécules colorantes telles que la rhodamine 6G et le violet de gentiane, élargissant ainsi son champ d’application. De plus, la stabilité à long terme et les propriétés d’auto-nettoyage du substrat offrent un soutien solide pour son utilisation dans des applications pratiques.