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.     

罗丹明6G在银纳米线阵列上的SERS光谱研究

制备出有序、均匀的活性衬底一直足表面增强拉曼散射(SERS)研究中的关键.阳极氧化法制备的多孔氧化铝膜的结构有序、均匀,为纳米金属SERS基底的制备提供了模板.以沉积了银的多孔氧化铝组装体为衬底,研究了罗丹明6G(Rh6G)分子的表面增强拉曼散射光谱.结果表明,沉积了银的多孔氧化铝模板是很好的SERS衬底,Rh6G分子在此衬底上的SERS谱强度与银纳米线在表面的显露高度有关,而其拉曼频移未受表面状态的影响,而PO43-离子的存在使SERS强度得到很大提高.     

Au/TiN复合薄膜制备及其表面增强拉曼光谱研究

表面增强拉曼散射光谱(SERS)已用于环境监测、生物医药、食品卫生等领域,而高活性SERS基底是表面增强拉曼散射光谱技术应用的关键。TiN作为新型等离子材料具有较强的SERS性能,同时化学稳定性及生物相容性较好,但其SERS性能不如贵金属金强。该研究采用氨气还原氮化法和电化学沉积法,在TiN薄膜表面沉积贵金属Au纳米颗粒制备出Au/TiN复合薄膜。在Au/TiN复合薄膜中单质Au和TiN两种物相共存;随着电化学沉积时间延长,TiN薄膜表面单质金纳米颗粒数量逐渐增多,金纳米颗粒尺寸增大,颗粒间距减小。由于金与TiN两者的本征表面等离子共振耦合作用,Au/TiN复合薄膜的共振吸收峰发生了偏移。利用罗丹明6G为拉曼探针分子,对Au/TiN复合薄膜进行SERS性能分析,发现Au/TiN复合薄膜上的R6G探针分子的拉曼峰信号强度随沉积时间延长呈现先增大后减小的规律;当电化学沉积时间为5 min时,R6G拉曼信号峰较高,复合薄膜样品的SERS活性最大。将Au/TiN复合薄膜和Au薄膜分别浸泡在10-3,10-5,10-7,10-8及10-9 mol·L-1 R6G溶液5 min,进行检测限分析,发现Au/TiN复合薄膜检测极限达10-8 mol·L-1,增强因子达到8.82×105,与Au薄膜和TiN薄膜相比,Au/TiN复合薄膜上对R6G探针分子SERS活性最高。这得益于Au/TiN复合膜中表面等离子体产生的耦合效应,使得局域电磁场强度增强,从而引起R6G探针分子拉曼信号增强。通过2D-FDTD模拟电场分布发现Au/TiN,Au及TiN薄膜具有电场增强作用,其中Au/TiN复合薄膜的增强作用尤为显著,这也证实了氮化钛与金纳米颗粒之间存在耦合效应。另外发现TiN与Au之间可能存在电荷转移,促进了4-氨基苯硫酚氧化反应,进而证实了TiN与Au薄膜的协同作用。此外,Au/TiN复合薄膜均匀性较好,相对平均偏差仅为7.58%。由此可见,采用电化学沉积制备的Au/TiN复合薄膜具有作为SERS基底材料的应用潜力。     

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 ℃。     

双金属锥形光纤表面增强拉曼散射探针拉曼增强特性

为了提高金属纳米粒子在光纤表面的富集密度,同时提高光纤表面增强拉曼散射(SERS)复合结构拉曼增强特性的稳定性,提出一种双金属(金和银)锥形光纤SERS探针结构。首先,采用化学还原法制备出形貌均一的金银纳米粒子;然后,采用光诱导的方法实现双金属在锥形光纤上的富集。制备的光纤SERS探针表现出良好的实验效果：对罗丹明6G(R6G)检测到的最低浓度低至10^-10 mol/L;增强因子为2.07×10⁸;相较于单金属银光纤SERS探针,双金属样品的稳定性提高了7倍(96 h后)。     

玻璃基质中银纳米粒子的表面增强拉曼光谱研究

本文利用离子交换技术结合后续处理过程在玻璃基质中引入Ag纳米粒子,首先通过Ag+交换把Ag+引入到载玻片中,再结合进一步的K+交换或后续热退火处理使Ag+还原成Ag纳米粒子。分别采用吸收光谱和扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)对所制备的Ag纳米粒子进行光学性质和表面形貌的表征。为了研究Ag纳米粒子的表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)活性,我们分别以含Ag纳米粒子的载玻片和不同浓度的罗丹明6G(R6G)溶液作为基底和探针分子进行了拉曼光谱测试,基底呈现良好的增强效果。根据表面增强拉曼光谱的测试结果,给予相应的分析和解释。     

石墨烯-银纳米颗粒复合结构制备工艺优化及表面增强拉曼光谱特性

在石墨烯-Ag纳米颗粒复合结构表面增强拉曼散射（SERS）基底常规制备工艺的基础上,提出了采用偶联剂吸附的方法来改善Ag纳米颗粒在目标基底上分布的均匀性;采用双层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）来转移石墨烯,以减少石墨烯表面的缺陷;采用退火处理的方法来降低SERS基底的拉曼背景噪声,从而提高拉曼光谱的对比度。实验结果表明,采用优化制备工艺得到的复合结构SERS基底均匀性有较大提高,石墨烯G峰和2D峰的增强拉曼光谱对比度分别提高了54.9%和64.3%,罗丹明6G（R6G）分子在774和1 363 cm-1处的拉曼光谱强度随浓度变化关系的拟合优度（R2）分别达到了0.997 5和0.986 7。     

锥形光纤SERS探针的工艺优化和拉曼光谱增强实验

采用化学腐蚀法制备锥形光纤,采用溶液化学沉积法将银纳米颗粒修饰到锥形光纤端面,形成光纤表面增强拉曼散射(SERS)探针。改变反应温度、沉积时间、硝酸银溶液浓度等关键参数,优化了光纤SERS探针的制备工艺。以R6G为探针分子,对不同工艺条件制备的光纤SERS探针进行拉曼测试实验。结果表明:在室温下,当沉积时间为120s、硝酸银溶液浓度为0.1mol/L时,最优的增强因子约为10~(10),此时光纤SERS探针的拉曼检测性能最好。对应10组样品的银纳米颗粒的直径和面积覆盖率,利用FDTD Solutions进行仿真建模分析,计算得到了拉曼增强因子理论值为10~7~10~8。     

Cu2O-Au复合结构的制备及其在SERS中的应用

表面等离激元催化反应为表面过程的拓展提供了一条新的途径,但在单一贵金属表面的反应效率往往较低,因此发展符合纳米结构已经成为该领域的研究热点。通过合成八面体的氧化亚铜(Cu₂O),并引入高均匀性和高SERS活性的金纳米粒子单层膜(Au MLF),将两者完全结合,构建了Cu₂O-Au复合异质结SERS基底。以对硝基苯硫酚(PNTP)为探针,通过表面增强拉曼光谱(SERS)研究了Cu₂O-Au表面等离激元驱动的偶联反应。结果表明,Cu₂O与Au MLF的复合,其SERS性能及催化活性都得到了较大的提升,为发展高性能的新型复合纳米结构提供了实验基础。     

内吞金纳米粒子的鼻咽癌细胞SERS光谱

采用内吞方法将金纳米粒子引入细胞内,测试分析单个活性CNE-1鼻咽癌细胞的常规拉曼光谱和SERS光谱,并对其进行初步谱峰归属。CNE-1细胞的常规拉曼光谱有6个主要的拉曼峰:718,1001,1123,1336,1446和1660cm-1;沉积于细胞内的金纳米粒子强烈地增强了细胞内生化物质拉曼信号,在内吞金纳米粒子的CNE-1细胞的拉曼光谱中出现了20多个SERS拉曼信号,主要拉曼峰的强度明显高于常规拉曼信号。DNA骨架振动(1026,1097,1336和1585cm-1)证明金纳米粒子通过内吞作用而进入细胞核内。结果表明,基于胶体金SERS技术可能为活性鼻咽癌细胞内生化物质的探测提供一种高灵敏的方法。     

微腔型银修饰光纤SERS探针的制备及性能研究

提出了一种基于银修饰的微腔型光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针,采用湿法检测,将光纤SERS探针直接放入待测溶液中,以罗丹明6G（R6G）溶液为探针分子,对所制备的光纤SERS探针进行远端实验性能研究。利用氢氟酸化学腐蚀的方法制备了一种微腔型光纤结构,通过控制氢氟酸的腐蚀时间得到了一系列不同腐蚀时间、不同微腔长度的光纤结构。实验研究了光纤结构的微腔长度对光纤SERS探针性能的影响,以浓度为10-3 mol·L-1的R6G溶液为探针分子,通过不断地优化纳米银溶胶与R6G溶液的混合顺序及比例,采用裸光纤微腔结构对混合溶液进行拉曼检测,发现当混合溶液的混合顺序及比例为先后混合等体积的纳米银溶胶和R6G溶液时,此时得到的混合溶液的拉曼信号增强性能最佳。利用得到的混合溶液去寻找拉曼信号增强效果最高时光纤微腔结构的结构参数,实验结果表明,在相同的实验条件下,当光纤放入氢氟酸中腐蚀时间为5 min时,此时光纤微腔结构的拉曼信号增强效果最佳。在显微镜下测量的多组腐蚀时间为5 min的光纤,其微腔长度平均约为81 μm。对得到的光纤微腔结构,采用制备过程可控的磁控溅射技术制备了一系列银纳米薄膜/多模光纤（Ag/MMF）的复合材料。当磁控溅射时间为10 min时,获得了光纤SERS探针（Ag/MMF-10）。实验以去离子水配制了不同浓度的R6G溶液,以不同浓度的R6G溶液为探针分子,Ag/MMF-10探针的远端检测限（LOD）低至10-7 mol·L-1。该光纤SERS探针拉曼信号的再现性光谱检测中显示各个特征峰的相对标准偏差（RSD）均小于10%。同时,该光纤SERS探针对浓度为10-6 mol·L-1的R6G溶液的增强因子（AEF）可高达2.64×106。实验结果表明所制备的银修饰的光纤SERS基底具有较高的灵敏度和良好的再现性。因此,该光纤SERS探针在生物医学检测、农残化学分析等痕量检测方面有潜在的应用价值。     

利用高活性和重复性的银薄膜衬底SERS检测芥子气及其水解产物

通过化学浴沉积的方法制备了一种高SERS活性和重复性的银薄膜衬底。分别采用扫描电子显微镜和拉曼光谱研究了沉积时间对银薄膜微观形貌和SERS活性的影响, 优化的沉积时间为120分钟。利用优化的银薄膜衬底, 可以检测到10-9 M 的罗丹明分子的SERS谱图, 表明该银薄膜衬底具有很高的SERS活性。相同实验条件下, 在一片银薄膜衬底上任意选择16个点测试R6G的SERS谱图。分别计算了R6G的8个特征峰16次检测的相对标准偏差, 最大相对标准偏差小于13% 。实验结果表明, 该衬底具有很好的重复性, 可应用于SERS 的定量分析。采用优化的银薄膜衬底检测了不同浓度的芥子气及其水解产物硫二甘醇。分别结合芥子气和硫二甘醇的常规拉曼光谱和文献报道, 对它们的SERS谱图进行了指认和归属。20分钟内, 对芥子气和硫二甘醇的检测限可分别达到320 ppm和1 ppm (g/g)。     

银/硅纳米孔柱阵列活性基底的SERS效应研究

以硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)为衬底,采用浸渍法制备出一种具有规则表面形貌特征的银/硅纳米孔柱阵列(Ag/Si-NPA),并以R6G为探测目标材料,对其表面增强拉曼(SERS)效应进行了研究。结果表明,对于R6G浓度低至10-15M,Ag/Si-NPA均能表现出清晰的特征SERS峰。随着浓度的降低,R6G的荧光淬灭,所测拉曼光谱的基线降低,但特征峰峰位基本保持不变。在低浓度10-15M时得到的SERS光谱,理论上证明为单分子光谱。此外,Ag/Si-NPA活性基底具有较好的稳定性,在长达28天的自然老化过程中,Ag/Si-NPA能够保持对R6G较高的探测水平,光谱具有较好的信噪比和分辨率。Ag/Si-NPA是一种理想的SERS活性基底。     

Fabrication and characterization of SERS‐active silver clusters on glassy carbon

In this article, a novel technique for the fabrication of surface enhanced Raman scattering (SERS) active silver clusters on glassy carbon (GC) has been proposed. It was found that silver clusters could be formed on a layer of positively charged poly(diallyldimethylammonium) (PDDA) anchored to a carbon surface by 4‐aminobenzoic acid when a drop containing silver nanoparticles was deposited on it. The characteristics of the obtained silver clusters have been investigated by atomic force microscopy (AFM), SERS and an SERS‐based Raman mapping technique in the form of line scanning. The AFM image shows that the silver clusters consist of several silver nanoparticles and the size of the clusters is in the range 80–100 nm. The SERS spectra of different concentrations of rhodamine 6G (R6G) on the silver clusters were obtained and compared with those from a silver colloid. The apparent enhancement factor (AEF) was estimated to be as large as 3.1 × 10⁴ relative to silver colloid, which might have resulted from the presence of ‘hot‐spots’ at the silver clusters, providing a highly localized electromagnetic field for the large enhancement of the SERS spectra of R6G. The minimum electromagnetic enhancement factor (EEF) is estimated to be 5.4 × 10⁷ by comparison with the SERS spectra of R6G on the silver clusters and on the bare GC surface. SERS‐based Raman mapping technique in the form of line scanning further illustrates the good SERS activity and reproducibility on the silver clusters. Finally, 4‐mercaptopyridine (4‐Mpy) was chosen as an analyte and the lowest detected concentration was investigated by the SERS‐active silver clusters. A concentration of 1.6 × 10⁻¹⁰ M 4‐Mpy could be detected with the SERS‐active silver clusters, showing the great potential of the technique in practical applications of microanalysis with high sensitivity. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于空芯微结构光纤拉曼探针的实验研究

表面增强拉曼散射(SERS)技术可有效增强样品分子的拉曼信号,对生物分子检测具有较高的灵敏性,因此在生化方面有着许多潜在的应用.而将空芯微结构光纤与SERS技术相结合不仅能够远端实时、分布式地检测,同时还可以增加光场与待测物的有效作用面积,减少传统光纤探针无法避免的石英背景信号等问题.本文基于空芯微结构光纤进行SERS探针的制备及性能测试研究,利用真空物理溅射法在空芯光纤内镀纳米Ag膜,从而制备成SERS探针,通过实验检测不同浓度的罗丹明6G (R6G)酒精溶液的拉曼信号.结果表明,在探针的近端正面成功探测到了浓度低至10~(-9)mol/L的R6G拉曼信号,在探针的远端反面探测到的浓度可小于10~(-6)mol/L.该实验结果为研究高灵敏度的SERS探针提供了一种新的手段.     

SERS activity of carbon nanotubes modified by silver nanoparticles with different particle sizes

A two-dimensional (2D) surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate is fabricated by decorating carbon nanotube (CNT) films with Ag nanoparticles (AgNPs) in different sizes, via simple and low-cost chemical reduction method and self-assembling method. The change of Raman and SERS activity of carbon nanotubes/Ag nanoparticles (CNTs/AgNPs) composites with varying size of AgNPs are investigated by using rhodamine 6G (R6G) as a probe molecule. Meanwhile, the scattering cross section of AgNPs and the distribution of electric field of CNTs/AgNPs composite are simulated through finite difference time domain (FDTD) method. Surface plasmon resonance (SPR) wavelength is redshifted as the size of AgNPs increases, and the intensity of SERS and electric field increase with AgNPs size increasing. The experiment and simulation results show a Raman scattering enhancement factor (EF) of 10⁸ for the hybrid substrate.     

Surface enhanced Raman scattering silica substrate fast fabrication by femtosecond laser pulses

We report the fabrication of surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) fused silica glass substrates using fast femtosecond-laser (fs-laser) scan, followed by silver chemical plating. A cross-section enhancement factor (EF) of 2.5×10⁶, evaluated by Rhodamine 6G (10⁻⁷ M solution), was obtained. The Raman mapping indicated a good uniformity over the fs-laser scanned area. The dimension and pattern of the SERS activated region can be conveniently controlled by laser 2D scanning, potentially enabling integration of SERS into a high-order optical–chemical analysis system on a glass chip.     

Polymer optical fiber SERS sensor with gold nanorods

A surface-enhanced Raman scattering sensor is developed by etching polymer optical fiber and coating with gold nanorods. The SERS sensing experiments are demonstrated with the analyte molecules of rhodamine 6G (R6G) at 514.5 nm laser excitation. The results show that a strong fiber Raman background scattering overwhelm the R6G molecule Raman signal in common optrod configuration, but a distinct R6G SERS spectrum with 9 order magnitude enhancement can be observed while directly focusing light on the probe. Further modeling indicates the enhancement is attributed to both nanorods local field and their coupling.     

基于纳米锥森林结构的表面增强拉曼散射透明器件研究

具有无损、超灵敏和实时检测优点的表面增强拉曼散射(SERS)器件具有重要研究意义。目前,针对SERS器件的大部分研究都围绕着非透明的器件展开。使用此类器件检测高浓度试剂时,激光只能从正面入射。这意味着入射激光需要穿透被测试剂分子层才能到达位于其下方的金属纳米结构表面,因此用于激发金属纳米结构表面等离子体共振(SPR)的激光能量被减弱,相应地,SERS光谱信号也被减弱;此外,SERS光谱信号因被测试剂分子层的遮挡,无法高效返回到电荷耦合元件(CCD)中,再次被大幅度减弱,甚至有可能完全无法被检测到。相比之下,如果使用透明SERS器件,检测过程中将被测试剂分子置于器件正面,激光从器件背面入射,此时高浓度被测试剂分子层对入射激光和SERS光谱信号的干扰最小。这种情况下,可以得到较好的光谱信号。通过在石英基底上旋涂聚酰亚胺(PI)层,然后通过氧等离子体对PI层进行无掩模轰击,在石英基底上自行生成纳米纤维掩模,配合反应离子刻蚀工艺(RIE)制备了石英纳米锥森林结构。之后,通过金属纳米颗粒溅射工艺,得到SERS透明器件。对于该SERS透明器件,在测试过程中,拉曼激光可从器件的正面以及背面分别入射。初步的测试结果表明,对于罗丹明6G(R6G)在10^-3~10^-6 mol·L^-1这一浓度范围内,背面入射方式收集的SERS光谱信号强度高于正面入射方式。另外,进一步研究了该SERS透明器件背面检测的一致性,得到了良好的结果,证明了其在实际生化检测中的可行性。这一工作有望扩展SERS在分析物检测领域中的应用。