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Synthesis, performance and growth mechanism of silver nanoparticle coated SERS fiber probe

Synthèse, performance et mécanisme de croissance de la sonde en fibre argentée SERS à la nanoparticule

¹ Yangtze Optical Fibre & Cable Joint Stock Co. Ltd., Wuhan, Hubei, PR China
² State Key Laboratory of Silicate Materials for Architectures, Wuhan University of Technology, Wuhan, Hubei, PR China
³ Department of Materials Science and Engineering, University of California, Los Angeles, CA, USA

^* e-mail: lh_648@whut.edu.cn

Received: 5 September 2018
Accepted: 19 November 2018

Abstract

Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) fiber probe provides abundant interaction area between light and materials, permits detection within limited space and is especially useful for remote or in situ detection. A silver decorated SERS fiber optic probe was prepared by hydrothermal method. This method manages to accomplish the growth of silver nanoparticles and its adherence on fiber optic tip within one step, simplifying the synthetic procedure. The effects of reaction time on phase composition, surface plasmon resonance property and morphology were investigated by X-ray diffraction analysis (XRD), ultraviolet-visible absorption spectrum (UV-VIS absorption spectrum) and scanning electron microscope (SEM). The results showed that when reaction time is prolonged from 4–8 hours at 180 °C, crystals size and size distribution of silver nanoparticles increase. Furthermore, the morphology, crystal size and distribution density of silver nanoparticles evolve along with reaction time. A growth mechanism based on two factors, equilibrium between nucleation and growth, and the existence of PVP, is hypothesized. The SERS fiber probe can detect rhodamin 6G (R6G) at the concentration of 10⁻⁶ M. This SERS fiber probe exhibits promising potential in organic dye and pesticide residue detection.

Résumé

La sonde de fibre de diffusion Raman améliorée en surface (SERS) fournit une zone d’interaction abondante entre la lumière et les matériaux, permet la détection dans un espace limité et est particulièrement utile pour la détection à distance ou in situ. Une sonde à fibres optiques SERS en argent a été préparée par la méthode hydrothermale. Cette méthode parvient à réaliser la croissance des nanoparticules d’argent et son adhérence sur la pointe de la fibre optique en une seule étape, en simplifiant la procédure de synthèse. Les effets du temps de réaction sur la composition de la phase, la propriété de résonance plasmon de surface et la morphologie ont été étudiés par l’analyse de diffraction des rayons X (XRD), le spectre d’absorption ultraviolet-visible (spectre d’absorption UV-VIS) et l’électron de balayage microscope (SEM). Les résultats ont montré que lorsque le temps de réaction est prolongé de 4–8 heures à 180 °C, la taille des cristaux et la distribution de la taille des nanoparticules d’argent augmentent. De plus, la morphologie, la taille cristalline et la densité de distribution des nanoparticules d’argent évoluent avec le temps de réaction. Un mécanisme de croissance basé sur deux facteurs, l’équilibre entre la culture et la croissance, et l’existence du PVP, est hypothétique. La sonde de fibre SERS peut détecter la rhodamine 6G (R6G) à la concentration de 10⁻⁶ M. Cette sonde de fibre de SERS présente le potentiel prometteur dans le colorant organique et la détection de résidu de pesticide.