Ag纳米粒子修饰聚合物纳米尖锥阵列的SERS衬底制备

表面增强拉曼散射(SERS)以其无损、超灵敏、快速检测分析等优点而备受关注,在化学和生物传感等应用领域有着极大的潜力。研制灵敏度高、重复性强、稳定性好的SERS基底,对于实现其在痕量分析、生物诊断中的实际应用具有重要意义。具有微/纳米结构的聚合物具有优异的机械性能、光学性能、耐化学性等优点。通过模板压印法,利用多孔阳极氧化铝(AAO)在聚合物聚碳酸酯(PC)表面制备一种高度有序的纳米PC尖锥阵列结构,然后通过蒸发镀膜在PC尖锥阵列上沉积一层银膜,制备了大面积Ag纳米颗粒修饰的高度有序聚合物纳米尖锥阵列。高曲率纳米针状结构顶端的银颗粒及颗粒之间狭小的纳米间隙能产生大量的SERS"热点"。这种方法得到了均匀,可重复,大面积高增强的SERS活性基底,并进一步研究了不同沉积厚度银膜的SERS特性。用扫描电子显微镜(SEM)对其进行了表征,以结晶紫作为探针分子对这种结构进行研究。结果表明:拉曼信号强度随银厚度的增加显示为先增强后减弱的趋势。基底对结晶紫的拉曼增强因子达到5.4×10~6,基底主要拉曼峰强度的RSD为10%,说明该基底具有很好的检测灵敏性和重复性。此外,基底在存放40 d后,在相同条件下仍然保持着高SERS性能,表现出很好的稳定性。整个制备过程简单易行,重复性好,制作成本非常低廉,而且能够规模化制备,可方便地作为活性基底应用于SERS研究,必将具有广阔的研究和应用前景。     

银纳米颗粒阵列的表面增强拉曼散射效应研究

利用具有高密度拉曼热点的金属纳米结构作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,可以显著增强吸附分子的拉曼信号.本文通过阳极氧化铝模板辅助电化学法沉积制备了高密度银(Ag)纳米颗粒阵列;利用扫描电子显微镜和反射谱表征了样品的结构形貌和表面等离激元特性;用1, 4-苯二硫醇(1, 4-BDT)为拉曼探针分子,研究了Ag纳米颗粒阵列的SERS效应.通过优化沉积时间,制备出高SERS探测灵敏度的Ag纳米颗粒阵列,检测极限可达10~(-13)mol/L;时域有限差分法模拟结果证实了纳米颗粒间存在强的等离激元耦合作用,且发现纳米颗粒底端的局域场增强更大.研究结果表明Ag纳米颗粒阵列可作为高效的SERS基底.     

金纳米颗粒阵列基底的化学置换制备及其表面增强拉曼散射特性研究

表面增强拉曼(SERS)作为一种分析手段,具有高灵敏度、高选择性、高重复性、非破坏性等优点,在过去的几十年中,被广泛应用在成分检测、环境科学、生物医药及传感器等领域。其中以金、银等贵金属纳米颗粒薄膜在表面增强拉曼(SERS)活性基底方面得到了更为广泛的应用。SERS技术一个关键的因素是如何制设计并备具有大面积、高增强能力及高重复性、可循环使用的SERS基底。通常,贵金属纳米颗粒规则阵列结构的单元颗粒电磁增强特性及其颗粒间的电磁耦合增强特性的综合作用可大力提升SERS基底的探测性能。然而,利用传统微纳米加工方法如光刻、电子束光刻等方法制备得到的贵金属纳米阵列结构的表面粗糙度不够理想。结合光刻与化学置换方法制备金纳米颗粒四方点阵列孔洞结构,并研究其作为SERS基底的电磁增强特性。具体研究利用光刻法在硅衬底上制备了规则排列的四方点阵列孔洞结构,用磁控溅射在其表面镀上金属铁膜;接着在衬底上旋涂浓度为1.893 8 mol·L-1的氯金酸液膜,在孔洞内铁和氯金酸发生置换反应,进而孔洞生成金纳米颗粒,最终得到金纳米颗粒四方点阵SERS活性基底。采用罗丹明6G(R6G)分子作为探测分子测试不同金纳米颗粒阵列结构基底的SERS谱。实验结果表明,随着化学置换反应时间的延长,金纳米颗粒排列更加紧凑有序,SERS谱增强性能更好。     

DNA模板自组装正电荷纳米金基底的增强SERS效应

本文将合成的直径为10 nm的正电荷金纳米颗粒通过静电作用高密度自组装到带负电荷的长链λ-DNA分子上, 形成了高密度的具有纳米间隙的金纳米颗粒网络结构。研究了孤立的金纳米颗粒和所自组装的金纳米颗粒-DNA复合材料作为表面增强拉曼散射(SERS)基底的活性。原本对SERS信号响应较弱的10 nm直径的金纳米颗粒, 在自组装到DNA上形成具有纳米间隙的金纳米颗粒网络后, 产生了均匀、一致、强烈的SERS增强响应。我们利用用该基底对罗丹明G(R6G)、吡啶(Py)和对巯基苯胺(4-ATP)等不同类型的小分子化合物进行SERS检测的结果表明, 此方法制备SERS基底产率高、均一, 具有较好的SERS增强效果好, SERS信号稳定性和重复性相对常规孤立的金纳米颗粒SERS基底有很大提高。     

高灵敏光纤SERS基底的性能研究

由于光纤长度可控以及其独特的光学性能使得光纤SERS基底的检测灵活简单，在本研究中，采用油水分离的实验方法在光纤端面上修饰了银纳米颗粒，证明了该方法可以制备光纤SERS基底并有效增强拉曼信号。我们将结晶紫溶液作为分析物对制备的SERS光纤基底进行了表征，并对光纤SERS基底的均匀性、灵敏度和稳定性三个方面进行了研究。在实际应用中，使用光纤基底对罗丹明6G和农药中间体合成中广泛使用的4-氨基苯硫酚进行了检测。这些实验结果证明了自组装法为光纤SERS基底的制备提供了可行思路。     

银覆盖冠状硅柱阵列基底的制备、SERS特性分析及肿瘤标志物miRNA-106a的检测

以聚苯乙烯(PS)小球为模板,采用金属辅助刻蚀和湿法化学刻蚀技术,制备大面积冠状硅柱阵列,再原位生长银纳米粒子后得到银覆盖冠状硅柱阵列(Ag/Si CPA)基底。实验表明,制备的基底具有优良的表面增强拉曼散射(SERS)特性,电磁增强因子达到1.81×10~6。同时,将制备的罗丹明分子(R6G)标记的DNA发卡探针与基底链接,在与miRNA-106a互补杂交后进行SERS信号检测,获得相应的剂量-响应曲线。结果表明,基于(Ag/Si CPA)基底的SERS特性,开展miRNA-106a的检测,具有特异性好和灵敏度高的优势,检测范围为1 fmol·L~(-1)～100 pmol·L~(-1),检测极限为0.917 fmol·L~(-1)。此外,与实时荧光定量多聚核苷酸链式反应(RT-qPCR)方法相比,不仅检测结果一致,而且基于SERS光谱技术的检测方法具有更高的灵敏度。     

退火法制备石墨烯-银纳米粒子及其增强拉曼实验

针对目前SERS基底上金属颗粒制备过程中存在的分布不均匀、易氧化和稳定性差等缺点,通过热蒸镀和高温退火获得分布均匀的SERS基底;同时结合石墨烯优良的光学性能、化学惰性、荧光猝灭以及本身的SERS增强等优点,制备了稳定的石墨烯-银纳米颗粒（GE/AgNPs）复合结构SERS基底。通过GE/AgNPs复合结构的拉曼光谱稳定性试验证明了石墨烯在GE/AgNPs结构中起到隔绝银纳米颗粒与空气直接接触及催化氧化银脱氧的作用,有利于SERS基底的时间稳定性。(1) 石墨烯、Ag纳米颗粒及其复合结构的制备。首先采用热蒸镀和高温退火的方法使Ag纳米颗粒均匀地沉积在SiO₂/Si基底上,再采用化学气相沉积法在Cu箔上制备少层石墨烯,并用湿法转移法将石墨烯转移到目标基底上,并实验研究了以不同的退火顺序对GE/AgNPs基底造成的影响。(2) 石墨烯、Ag纳米颗粒及其复合基底的表征。分别采用光学显微镜、扫描电子显微镜和拉曼光谱进行表征,得到转移后的纯石墨烯较完整地覆盖在SiO₂/Si基底上面,表面比较平整,但在少数地方仍然存在褶皱和杂质;SEM表征结果表明对于不同制备流程的GE/AgNPs复合结构上的Ag纳米颗粒基本呈球形。基本符合Ostwald熟化理论,通过对退火温度和时间的控制能获得平均粒径在40~60 nm的银颗粒,且分布较均匀。此外,在不同退火顺序中,石墨烯的加入对银纳米颗粒的扩散形成扩散势垒,从而出现较大的不规则的颗粒。(3) 基底稳定性试验和仿真分析。通过基底本身的Raman mapping测试,分析了石墨烯拉曼特征峰峰值和半高宽的变化,得知基底对石墨烯本身的拉曼增强效果主要来源于银纳米颗粒间的电磁场增强。同时采用浓度为10-6 mol·L-1的罗丹明6G (R6G)水溶液作为探针分子,对转移了石墨烯的GE/AgNPs复合基底和未转移石墨烯的Ag纳米颗粒基底进行了SERS稳定性实验。结果表明GE/AgNPs复合基底在1~33 d内衰减较缓慢,30 d后仍能探测到拉曼信号约为原来信号的35.1%~40.6%;而纯Ag基底上随着Ag纳米颗粒在空气中迅速氧化,基底的SERS性能显著下降,在30 d后只有原来信号的5.9%~11.3%。此外,通过实验得到覆盖了石墨烯之后的增强因子约为6.05×105。最后采用时域有限差分算法（FDTD）计算了复合结构的电磁场分布和理论增强因子,其理论增强因子可以达到5.7×105。实验和仿真结果的差异,主要是源于石墨烯的化学增强作用。     

聚甲基丙烯酸甲酯间隔的金纳米立方体与金膜复合结构的表面增强拉曼散射研究

金属纳米颗粒与金属薄膜的复合结构由于其局域表面等离子体和传播表面等离子体间的强共振耦合作用,可作为表面增强拉曼散射(SERS)基底,显著增强吸附分子的拉曼信号.本文提出了一种聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)间隔的90 nm金纳米立方体与50 nm金膜复合结构的SERS基底,通过有限元方法数值模拟,得到PMMA的最优化厚度为15 nm.实验制备了PMMA间隔层厚度为14 nm的复合结构,利用罗丹明6G (R6G)为拉曼探针分子, 633 nm的氦氖激光器作为激发光源,研究了复合结构和单一金纳米立方体的SERS效应,发现复合结构可以使探针分子产生比单一结构更强的拉曼信号.在此基础上,研究了不同浓度金纳米立方体水溶液条件下复合结构中R6G的拉曼光谱.结果表明,当金纳米立方体水溶液浓度为5.625μg/mL的条件下复合结构中R6G的拉曼信号最强,且可测量R6G的最低浓度达10~(–11) mol/L.     

银纳米粒子修饰三维碳纳米管阵列SERS实验

为了使表面增强拉曼散射(SERS)基底的三维聚焦体积内包含更多的“热点”,能吸附更多探针分子和金属纳米颗粒,以便获得更强的拉曼光谱信号,提出了银纳米粒子修饰垂直排列的碳纳米管阵列三维复合结构作为SERS基底,并对其进行了实验研究。利用化学气相沉积(CVD)方法制备了垂直排列的碳纳米管阵列;采用磁控溅射镀膜方法先在碳纳米管阵列上形成一层银膜,再通过设置不同的高温退火温度,使不同粒径的银纳米粒子沉积在垂直有序排列碳纳米管阵列的表面和外壁。SEM结果表明：在有序碳纳米管阵列的表面和外壁都均匀地负载了大量银纳米粒子,并且银纳米颗粒的粒径、形貌及颗粒间的间距随退火温度的不同而不同。采用罗丹明6G(R6G)分子作为探针分子,拉曼实验结果表明：R6G浓度越高,拉曼强度越强,但是R6G浓度的增加与拉曼强度增强并不呈线性变化;退火温度为450 ℃,银纳米颗粒平均粒径在100～120 nm左右,退火温度为400 ℃,银纳米颗粒平均粒径在70 nm左右,退火温度为450 ℃的拉曼信号强度优于退火温度400和350 ℃。     

金光栅/金纳米颗粒SERS基底的设计、制备及其性能

表面等离子激元（SPP）和局域表面等离子共振（LSPR）耦合产生的电场增强显著高于单纯LSPR引起的电场增强。因此一种新型高效的表面增强拉曼散射（SERS）基底是寄希望于在一种复合基底中实现SPP-LSPR耦合获得的。基于SPP-LSPR耦合机理,提出一种针对633 nm激光使用的金光栅/金纳米颗粒SERS基底的设计思路以及光栅和纳米颗粒的具体结构参数。为了验证设计方法的正确性,利用电子束光刻法和化学合成法分别制备了具有相应几何尺寸特征的金光栅和金纳米颗粒,并将它们复合在一起得到了光栅/纳米颗粒SPP-LSPR耦合型复合SERS基底,这个基底相比仅有金纳米颗粒制备的LSPR型SERS基底,在检测R6G溶液时浓度可以降低2个数量级,增强因子是后者的72倍,实验结果和时域有限差分（FDTD）法理论拟合的结果基本一致。     

人血红细胞在纳米银膜上的表面增强拉曼光谱研究

将硝酸银和聚乙烯醇加入去离子水中混合后作为电解液,以紫外光激发,用银棒电解得到纳米银膜。用扫描电镜观测纳米银的形貌,发现银膜上的颗粒是紧靠在一起的。以该纳米银膜为基底,用便携式拉曼光谱仪对4个正常人和7个白血病人的血红细胞样品进行了表面增强拉曼散射(SERS)光谱的检测。实验中发现,该纳米银膜对人血红细胞的拉曼散射光谱具有较好的增强的效果和较好的重复性。比较正常人与白血病人血红细胞的SERS谱,存在明显的差别,7个白血病人血红细胞样品在1385 cm-1(吡咯四分之一环伸缩振动)处SERS峰消失,在1425 cm-1处的谱线(CαCm的对称伸缩振动)变宽和变强,对可能的原因进行了分析。     

纳米银膜的制备及其表面增强拉曼光谱研究

纳米银膜是用硝酸银和聚乙烯醇加入去离子水中作为电解液, 以紫外光激发, 用银棒电解而得到的。扫描电镜被用来具体观测了纳米银的形貌, 发现银膜上的颗粒是紧靠在一起的。我们以结晶紫作为探针分子进行了表面增强拉曼散射效应的的测定, 所用设备为便携式拉曼光谱仪。结果表明光谱的检测限为10-10, 具有很好的增强效果, 这为研究表面增强效应提供了一种新的基底。     

氯霉素在电解法制备纳米银膜上的表面增强拉曼光谱的研究

用电解法制备了一种纳米银膜, 并用扫描电镜和透射电镜进行了研究。我们得到了银膜上的氯霉素的SERS谱, 并且用gaussian’98软件对氯霉素的Raman谱进行了运算, 发现实验结果和理论计算结果有很好的相似性。本实验说明电解法制备的纳米银膜对于检测氯霉素有很好的应用前景。     

半胱氨酸作为耦联剂制备的纳米银膜上的SERS研究

在直流10V电压下电解聚乙烯醇和硝酸银的混合液3h制备纳米银胶,将经过半胱氨酸修饰后的载玻片浸入银胶24h制得纳米银膜。用紫外可见分光光度计对银胶进行了观测,由于其吸收峰半高宽较窄可知银胶中纳米银颗粒粒径分布较为均匀。同时,使用扫描电镜对银膜进行了表征。通过对半胱氨酸分子SERS信号的分析得出了纳米银粒子在玻璃表面上可能的组装方式。以结晶紫(Crystal Violet)和孔雀石绿(Malachite Green)作为探测分子,采用便携式拉曼光谱仪测得两种分子不同浓度下的SERS谱。发现该方法所制得的纳米银膜有很好的表面增强效果。最后分析了半胱氨酸分子SERS信号对探针分子光谱的影响。     

Highly ordered periodic array of metallic nanodots fabricated through template‐assisted nanopatterning and its use for surface‐enhanced Raman scattering spectroscopy of flexible crystalline‐silicon nanomembranes

We report on the fabrication of highly uniform periodic arrays of metallic nanodots formed on glass substrates through a facile anodic aluminum oxide template‐assisted process and their use in selective surface‐enhanced Raman scattering spectroscopy to probe the structural properties of flexible crystalline‐silicon nanomembranes deposited on polymer substrates. A 14‐fold enhancement in Raman scattering was observed from the thin flexible silicon membranes deposited on polyethylene terephthalate substrates, which were used to probe the internal strains in the silicon nanomembrane as a function of the bending radius. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

银微聚集体上的表面增强拉曼研究

本文对柠檬酸钠方法还原的银溶胶形成的微聚集体进行了表面增强拉曼(SERS)研究。通过表面等离子体成像以及SERS成像对该聚集体上的表面增强拉曼活性进行讨论。实验证明该聚集体具有较强的拉曼增强能力。对探测分子1H-1,2,3-triazolo[4,5-b]pyridine(TzPy)的检测浓度达到10-6mol/L,信噪比(S/N)为6左右。     

应用SERS滤纸基底检测饮料中违禁色素的研究

利用液/液界面自组装技术制备得到灵敏度高、均匀性好、价格低廉的表面增强拉曼光谱(SERS)滤纸基底,并使用该基底检测了饮料中可能掺杂的罗丹明B、日落黄和柯衣定等三种色素。首先分析了罗丹明B、日落黄和柯衣定的分子结构并对其进行了拉曼特征峰峰位归属;然后检测了罗丹明B、日落黄和柯衣定不同浓度水溶液的SERS光谱;最后在无任何预处理条件下,检测了饮料中的罗丹明B、日落黄和柯衣定含量。在一定浓度范围内,饮料中三种色素的浓度与其SERS特征峰强度分别满足一定的函数关系,其中罗丹明B和日落黄的浓度与拉曼特征峰强度之间呈非线性关系,而柯衣定的浓度与拉曼特征峰强度之间呈线性关系。评估了本方法检测饮料中的罗丹明B、日落黄、柯衣定的信号重复性及检测回收率,结果表明SERS方法可用来对饮料中罗丹明B、日落黄、柯衣定的浓度进行半定量分析。为饮料中添加色素的现场实时检测提供了一种简便快速高效的检测方式,可用于饮料的质量控制及市场监控。     

SERS signal response and SERS/SERDS spectra of fluoranthene in water on naturally grown Ag nanoparticle ensembles

We present experimental results of the time‐dependent Raman signal response of fluoranthene adsorbed on a naturally grown Ag nanoparticle ensemble, which serves as surface enhanced Raman scattering (SERS) substrate. In addition, SERS characteristics such as the concentration‐dependent calibration curves and the limit of detection (LOD) for fluoranthene in distilled water will be shown. The SERS substrate was prepared by Volmer–Weber growth under ultrahigh vacuum condition and exhibits a plasmon resonance wavelength at 491 nm. For the measurement of SERS signal response and SERS/shifted excitation Raman difference spectroscopy spectra of fluoranthene in water, experimental Raman setup containing a microsystem light source with two emission wavelengths (487.61 nm and 487.91 nm) was used. We experimentally demonstrate that the maximum SERS intensity is achieved 9 min after changing the analyte concentration from 0 nmol/l to 600 nmol/l. This response time is explained by a time‐dependent adsorption of the probe molecules onto the nanoparticles. The LOD for fluoranthene in water was evaluated applying shifted excitation Raman difference spectroscopy (SERDS) at different molecule concentrations. For SERDS, two emission wavelengths of a prototype microsystem light source have been used for Raman excitation. The experimental results reveal that the LOD for the probe molecules is very low. Experimentally, we have detected a fluoranthene concentration of only 4 nmol/l, which is very close to our estimated LOD of 2 nmol/l. Thus, the presented Raman setup, with a SERS substrate, whose plasmon resonance coincides with the excitation wavelength for SERS measurements, is well suited for in‐situ trace detection of pollutant chemicals in water. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Preparation of silver nanoparticles on zinc oxide nanowires by photocatalytic reduction for use in surface‐enhanced Raman scattering measurements

To increase the sensitivity in surface‐enhanced Raman scattering (SERS) measurements, the high surface area of zinc oxide nanowires (ZnO NWs) was used. ZnO NWs on silicon substrates were prepared and used as substrates for further growth of silver nanoparticles (AgNPs). Ultraviolet (UV) irradiation was used to reduce silver ions to AgNPs on the ZnO wires. With proper growth conditions for both ZnO NWs and AgNPs, the substrates exhibit SERS enhancement factors greater than 10⁶. To understand the influences of the morphologies of the ZnO NWs on the growth of AgNPs, the growing time and temperature were varied. The concentration of silver nitrate and irradiation time of UV radiation were also varied. The resulting AgNPs were probed with para‐nitrothiophenol to quantify the SERS enhancements obtained from the varying conditions. The results indicate that ZnO NWs could be grown at temperatures higher than 490 °C and higher growth temperatures result in smaller diameter of the formed ZnO NWs. Also, the morphologies of ZnO NWs did not significantly alter the SERS signals. The concentration of silver nitrate affects the SERS signals significantly and the optimal concentration was found to be in the range of 10–20 mM. With irradiation times longer than 90 s, the resulting AgNPs showed similar SERS intensities. With optimized conditions, the AgNPs/ZnO substrates are highly suitable for SERS measurements with a typical enhancement factor of higher than 10⁶. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

A detachable SERS active cellulose film: a minimally invasive approach to the study of painting lakes

The design and synthesis of a tailor‐made surface‐enhanced Raman scattering (SERS) active film that is fabricated to be removable from the surface of an artwork under study following effective measurements is detailed. It is shown that silver nanoparticles prepared by green chemical reduction with glucose can be effectively doped into a methylcellulose (MC) matrix for the formation of a gel, which can be subsequently applied to a minute area (ca 1–1.5 mm) of an artwork without posing a threat to its integrity. Studies have been aimed at characterizing this film's chemical and physical properties, with regard to the stability of the nanoparticles dispersed within the MC, the ease of application of the viscous gel, its speed of drying and the transparency of the dry film for SERS measurements. Importantly, results have led to reproducible SERS enhancements of the order 10³–10⁴ for studies carried out on reference laboratory dye components and unvarnished mock‐paintings. Techniques including optical and scanning electron microscopy were used to monitor the drying of the film and its resulting morphology, as well as to map the distribution of silver nanoparticles in the film so as to account for any visual modification to the underlying surface upon film removal. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.