动态多级周期纳米棒阵列及其SERS研究

具有"热点"结构的有序纳米图案由于其高灵敏度和高重复性可以作为表面增强拉曼散射(SERS)基底。基于多级周期阳极氧化铝模板独特的三维孔道,以聚合物复制其多级结构,得到具有一定长径比的纳米棒阵列,并蒸镀贵金属银获得SERS活性。通过精确调控多级周期纳米棒阵列周期内和周期间纳米棒的间距,使纳米棒在等离子体驱动过程中以周期为单位转变为"闭合"状态,从而实现动态响应过程并获得高效SERS活性位点。该动态响应基底有望进一步发展为智能等离激元器件。     

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。     

不同介质中Au纳米粒子二聚体SERS增强效应的理论模拟研究

对贵金属纳米粒子结构表面等离激元的精准调控一直是表面增强拉曼光谱领域的热点,在众多影响SPR的因素中,介质环境一直被众多研究者忽视。本文利用理论模拟系统地研究了介质环境对于贵金属纳米结构SPR的影响,研究发现介质的介电常数增大,SPR的峰位置红移,在合适的激发线下,其所对应的SERS增强效应增大。改变介质的种类可实现SERS"热点"从纳米粒子-纳米粒子模式向纳米粒子-金属基底模式的有效转移。     

复合Ag/SiO_2正弦光栅基底SERS特性分析

当前微流控表面增强拉曼散射(SERS)检测领域常用的贵金属纳米颗粒溶胶单位体积内热点区域数量有限且热点区域范围较小,而贵金属纳米三维阵列结构加工时间长,成本高昂并存在"记忆效应"。本文提出了集成到微流道的复合Ag/SiO_2正弦光栅SERS基底结构,可以利用激光干涉光刻技术进行制备,无需预制掩膜版,可实现大面积、低成本SERS基底简易快速制备。利用严格耦合波分析方法(RCWA)建立了复合正弦光栅表面电场增强数学评估模型,推导了表面等离子体共振(SPP)耦合吸收率数学模型,分析了入射光、复合正弦光栅结构与外界环境介电常数的优化匹配关系,得到了入射光785 nm条件下的最佳复合正弦光栅结构。通过制备加工并实验验证了复合正弦光栅的SERS性能,SERS增强因子(EF)能够达到10~4。     

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.     

氧化铟锡纳米阵列中的协同增强拉曼散射现象研究

一些具有表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)性能的金属氧化物材料近年来被广泛研究,它们具有相较于传统贵金属材料更为优异的信号均匀度、材料稳定性和生物兼容性等。目前金属氧化物SERS的研究瓶颈在于拉曼增强效果一般,需要对其检测灵敏度进行有效提升方可实现日后的广泛应用。因为金属氧化物具有若干种区别于贵金属的材料特征,例如带隙、化学计量比、激子等多个维度的材料特性,所以金属氧化物可以通过调控若干种材料性能以达到协同增强拉曼散射的目的。本文选取氧化铟锡(Indium Tin Oxide, ITO)作为示例来研究重掺杂金属氧化物纳米阵列中的协同增强拉曼散射现象。该体系同时集成了重掺杂半导体材料的SERS性能以及光学干涉腔的特征,协同性地实现了ITO纳米阵列的SERS性能提升。该研究为金属氧化物SERS基底的研究提供了一个很好的案例,在对金属氧化物SERS材料性能进行提升时,需要对金属氧化物中可能产生的干涉现象进行有效利用。     

钴的表面增强拉曼散射中的电磁增强因子计算

本文初步探讨了钴电极的表面增强拉曼散射机理。采用二维阵列理论模型在 0 .5～ 4.0eV的光子能量范围对钴纳米椭球阵列的表面增强拉曼散射 (SERS)现象进行了理论分析。有关计算表明 ,经过合适的表面粗糙化的钴金属电极能产生较弱的表面增强效应 (SERS增强因子约 1 0 2 ～ 1 0 4 ) ,制备出具有高纵横比的纳米粒子阵列是得到钴体系较大的SERS增强因子的关键     

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.     

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。     

两种纳米粒子的自组装及表面增强拉曼光谱研究

在氨基硅烷化的单晶硅片表面通过静电自组装技术组装上金和金核铂壳两种纳米粒子,通过改变基底浸泡在溶胶中的时间控制基底上纳米粒子的密度。用扫描电子显微镜(SEM)对基底表面上的形貌进行表征,结果表明纳米粒子呈亚单层二维阵列分布。以吡啶(Py)为探针分子,用波长为632.8 nm的激发光作为激发光源,研究纯金和金铂复合基底上的表面增强拉曼光谱(SERS)行为。数据显示在金纳米粒子之间引入金核铂壳纳米粒子后,Py的两个特征峰的频率没有明显变化,但谱峰的强度却变弱了,其SERS信号衰减最大可至原来的24%。这是由于引入的铂的d态电子使金的等离子体激发猝灭,从而破坏了电磁场增强,使金的SERS信号衰减。     

金银/氮化钛表面增强拉曼基底制备及对烟酸的定量检测

表面增强拉曼光谱技术对分子具有特异性识别以及快速无损检测的能力,使其在药物检测方面具有重大的潜力。通过贵金属和氮化钛之间协同作用,使复合基底具有较高的SERS性能,提供了一种基于SERS技术的药物检测方法。采用电化学沉积及自组装法,制备出贵金属/氮化钛复合薄膜。研究表明,在复合薄膜中存在面心立方晶型TiN、金属单质Au和Ag三种物相;电子显微镜显示平均粒径分别为90和50 nm的金属Au和Ag颗粒均匀分布在TiN薄膜表面;基底的紫外-可见吸收图谱中出现了贵金属金与银纳米颗粒及TiN薄膜三者的特征等离子体共振吸收峰。以该复合薄膜为SERS基底,对烟酸溶液进行拉曼检测。结果显示,贵金属/氮化钛复合薄膜对烟酸具有显著的SERS效应,最低检测浓度为10-5 mol·L-1,对1 033 cm-1处烟酸拉曼信号强度及浓度取对数,发现两者间呈一定线性关系,其R2为0.969,得益于TiN,Au和Ag之间可发生表面等离子体共振引起电磁场增强,以及电荷转移效应。研究还发现,烟酸通过COO-基团垂直吸附在贵金属/氮化钛基底表面;在酸性环境下,烟酸N原子质子化主要以阳离子N＋H（Ⅰ）形式存在;在碱性环境时,主要以阴离子COO-（Ⅲ）形式存在。绞股蓝总甙溶液中模拟烟酸非法添加,该复合基底对其最低的拉曼检测浓度是10-5 mol·L-1,为现场快速检测非法添加药物提供了新途径。     

稳定的金-银与金-铜合金纳米颗粒的制备和应用

金、银、铜等贵金属的纳米结构都具有表面等离激元共振效应,在表面增强拉曼散射(SERS)和光催化领域具有重要的应用价值。合金纳米颗粒有望兼具多种金属的优点,赋予金属纳米颗粒更多优良品质。本论文中,我们通过改进“Brust”法,成功合成了直径1～5 nm的Au_1Ag_1和Au_1Cu_1合金纳米颗粒,所制备的合金纳米颗粒在空气中具有良好的稳定性,并在有机溶剂中具有良好的溶解性。利用溶液法组装的Au_1Ag_1和Au_1Cu_1合金SERS基底,分别对532 nm和785 nm的激发光表现出良好SERS性能。相同条件下,Au_1Ag_1基底比Au基底对R6G探针分子的拉曼信号强度提高了2～4倍,表现出良好的SERS活性。Au_1Cu_1合金基底则比Au_1Ag_1合金和Au基底表现出更强的光催化活性,在光催化领域表现出潜在的应用价值。     

AAO模板法制备CdS纳米微粒的SERS光谱研究

在自制的孔径约15nm多孔氧化铝模板上沉积银纳米粒子,然后用电化学方法在此衬底上沉积CdS纳米微粒。研究了CdS纳米阵列在457.5nm波长激光激发下的表面增强拉曼散射(SERS)性质。实验结果显示CdS的SERS信号有三个振动模式,分别对应1LO、2LO和3LO纵光学声子模,它们的强度随着作为SERS衬底的银纳米粒子高度的增加而增强,当银纳米粒子的长/径比(长度与直径的比值)达到4时,这种增强趋近饱和。最后对CdS纳米微粒光学声子模的增强机理进行了分析和讨论。     

具有可调谐的LSPR和SERS性能的“爆米花”状Au@Ag核壳超结构的制备（英文）

本文通过使用多巴胺二硫代氨基甲酸(DDTC)作为还原剂来控制银纳米颗粒以异相成核的生长模式在金立方表面进行生长,合成出"爆米花"状的金银纳米超结构。这种结构的纳米颗粒在可见光区表现出可调谐的等离子体共振特性,并且通过改变硝酸银的浓度能够精细的调节银层的厚度。此外,使用液液界面自组装技术将纳米颗粒组装成单层膜,然后将结晶紫作为探针分子来研究纳米颗粒的表面增强拉曼散射特性(SERS)和银层厚度之间的依赖关系。并系统的研究了三种激发波长对SERS基底的响应。结果表明"爆米花"状的金银核壳超结构具有可调节的局域表面等离子体共振(LSPR)和SERS特性,在太阳能电池、催化、化学传感等领域具有广阔的应用前景。     

银纳米有序阵列SERS活性基底的制备及在膀胱肿瘤细胞检测中的应用

以多孔阳极氧化铝(porous anodic alumina,PAA)膜为模板,采用真空电子束蒸镀技术,分别在PAA多孔层以及阻挡层表面形成了银纳米孔和银纳米帽有序阵列表面增强拉曼散射(surface-enhancedRaman scattering,SERS)活性基底,并以膀胱肿瘤细胞作为分子探针,测试和分析了这两种SERS活性基底的表面增强拉曼光谱的特性。结果表明,两种SERS活性基底对膀胱肿瘤细胞的拉曼散射信号均有很好的增强作用。银纳米帽有序阵列SERS活性基底不仅具有较高的SERS增强和荧光猝灭效应,而且不存在与PAA膜中草酸根杂质相关的干扰峰,可获得膀胱肿瘤细胞拉曼散射光谱的更多细节信息。     

利用AAO模板制备SERS基底检测SudanⅠ

通过模板法制备大面积、可控的、可重复的、热点集中的金纳米结构阵列,并在纳米结构阵列上通过化学修饰分子,吸附更多苏丹红Ⅰ分子至金纳米的SERS增强区域,实现其高灵敏的表面增强拉曼分析检测。以多孔阳极氧化铝为模板,通过真空蒸镀金,约200 nm厚度,复制氧化铝的孔洞结构,用碱液将氧化铝模板腐蚀去除,可得到氧化铝模板的互补结构,即大面积的、均匀的金半球纳米结构阵列。在金纳米结构阵列上修饰十二硫醇,硫醇巯基端与纳米金相结合,碳链端自组装形成非极性的疏水环境,疏水环境可以捕获苏丹红Ⅰ分子,使其吸附至纳米金结构表面的SERS增强区域,实现苏丹红Ⅰ的SERS检测。由于SERS基底表面的金半球纳米结构均匀、规整,在激光光斑的区域内,苏丹红Ⅰ的SERS信号均匀、稳定,可以对苏丹红Ⅰ进行定量分析。苏丹红Ⅰ的拉曼峰强度对数与浓度对数之间呈线性关系,线性相关系数达0.99,线性范围为5×10-4～10-7mol·L-1,回收率范围77%～117%。此方法的检测限可达到4×10-8mol·L-1,与国标的高效液相色谱的检测限相当。     

镍纳米球腔阵列上吸附分子拉曼散射的表面增强效应

通过聚苯乙烯纳米球为模板制备了规则排列的镍纳米球腔阵列。研究结果表明吸附于镍纳米球腔内的对巯基苯胺的拉曼散射可被极大增强。拉曼散射的表面增强被归因于纳米球腔阵列的协同表面等离子体共振与光的耦合导致的电磁场增强以及纳米球腔结构对电磁场的聚焦效应而使球腔内电磁场能量密度的增大。     

银纳米阵列直径对SERS增强效果的影响

采用电化学沉积法分别在不同孔径的阳极氧化铝(AAO)模板上沉积一系列直径不同,排列规则的银纳米阵列。以对氨基苯甲酸(PABA)和三聚氰胺两种分子分别作为探针分子, 研究了银纳米阵列的直径大小对其表面增强拉曼散射(SERS)效果的影响。结果表明, 在波长为514.5 nm的激光激发下, 探针分子的SERS信号强度随银纳米阵列直径的改变而明显变化, 并在银纳米阵列直径约为53 nm时, SERS强度达到最大。利用电磁增强机制对此实验结果进行了分析和解释。     

金微/纳颗粒阵列的SERS效应研究

表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,简称为SERS)能够提供有机分子的指纹特征信息,且具有灵敏度高和响应时间快等优点,是一项具有发展前景的分析技术。纳米结构SERS基底是获得SERS信号的关键。本文利用简便的电沉积方法在硅片上制备大面积的金微/纳颗粒阵列。金纳米颗粒之间存在大量狭小的纳米间隙,在光激发下产生大量的SERS"热点",从而具有很高的SERS灵敏度。而且,这种金微/纳结构具有高结构稳定性和化学稳定性。该结构对浓度低至10-12 M的罗丹明6G(R6G)具有很高的SERS灵敏性,且具有很好的SERS信号均匀性。利用这种微/纳结构阵列SERS基底,实现对水中低浓度农药甲基对硫磷的成功检测。这表明我们制备的金微/纳颗粒阵列在检测环境中的毒性有机物污染物方面具有潜在的应用前景。     

贵金属纳米结构为敏感层的锥形光纤探针及其SERS活性

表面等离激元纳米结构与便携式光纤拉曼系统相结合,在液体样品和生物活体组织的快速、实时监测上有较好的应用前景。其核心技术是将具有表面增强拉曼散射(SERS)活性的贵金属纳米结构耦合到光纤探针表面。本文基于共价键结合原理,将3-巯丙基三甲氧基硅烷通过与锥形光纤探针表面的硅羟基形成共价键修饰在光纤上;同时,硅烷偶联剂末端的巯基与金或银纳米结构形成Au-S或Ag-S共价键,将金纳米粒子和银纳米立方体牢牢吸附到光纤探针表面。这种SERS光纤探针具有很高的稳定性(SERS信号相对标准偏差低于3%),对农残甲基对硫磷的敏感度达到10纳摩尔,对污染物的远程、便携式在线检测具有重要意义。