等离激元表面晶格共振研究进展

当金属纳米粒子排列成有序阵列结构时,沿阵列平面内传播的衍射波与单粒子局域等离激元共振耦合,将导致等离激元共振急剧窄化,光谱宽度降至2 nm以下.与共振宽度在80 nm以上的常规单粒子共振相比,这种具有高品质因子的衍射耦合等离激元共振称为等离激元表面晶格共振.近年来,关于表面晶格共振研究已成为纳米光子学领域的研究热点,在发光、激光、光伏、通讯、存储以及传感等领域显示出巨大的应用前景.本文主要综述等离激元表面晶格共振的基本原理和性质,包括共振宽度、共振品质、电场增强,探讨了表面晶格共振的测试方法、影响因素以及纳米光学应用.     

金纳米粒子单层膜表面SPR催化反应的原位SERS研究

表面增强拉曼散射（SERS）基底的活性和均匀性是其SERS应用研究的关键,通过气-液两相界面自发组装的方式及控制组装的时间可制备致密性不同的金纳米粒子单层膜（Au MLF）.由于疏松和致密基底表面的LSPR产生的方式和强度不同导致SERS增强效应和均匀性两者无法同时兼顾,通常得到局域表面等离激元共振（SERS）增强性能及表面等离激元共振（SPR）催化性能优异但均匀性欠佳的疏松基底,或SERS增强性能与SPR催化性能中等但均匀性优越的致密基底.研究表明SERS增强效应的提高与粒子密度增加和“热点”活性增加有关,而SPR催化转化率仅与“热点”活性有关.本文以致密的Au MLF为基底,以对巯基苯胺（PATP）和对巯基苯甲酸（MBA）为探针分子系统研究了激光功率对SPR催化反应效率的影响,研究发现激光功率提高可显著提升PATP偶联反应及MBA脱羧反应的转化率.同时发现后者脱羧反应的速率与激光功率平方的倒数成线性关系,为相关表面过程的动力学参数测定提供了新的途径.     

Ag纳米粒子修饰光纤探针在等离激元催化反应中的应用

本文发展了一种基于Ag纳米粒子(AgNPs)修饰的局域表面等离激元共振(LSPR)光纤探针,作为等离激元催化反应基底同时原位检测表面增强拉曼光谱(SERS)信号,实现反应与检测一体化。本文使用(3-氨基丙基)三甲氧基硅烷(APTMS)分子将AgNPs组装到光纤探针表面。通过调控自组装时间,可形成AgNPs均匀分布的探针。以对巯基苯胺(PATP)作为反应的模型分子,获得了较好的等离激元催化及信号检测效果。在相同光源条件下,从光纤内部激发收集所得产物的SERS信号强度为外部激发收集的12.8倍,表明内激发收集方式在反应及信号检测方面具有优势;在一定浓度范围(10~(-4)–10~(-8)mol·L~(-1))内可用该光纤探针对PATP溶液进行定量分析;运用该光纤探针开展了等离激元催化PATP分子偶联反应的原位动力学研究。该LSPR光纤探针具有较高灵敏度,对样品损伤小,可在多场合下实现原位检测,且制备简便、成本较低。还有望结合近场扫描光学显微技术进一步对样品表面进行微区等离激元催化反应及检测并得到反应的二维分布图。     

对氨基苯硫酚分子的表面增强拉曼光谱及等离激元光催化反应

对氨基苯硫酚(PATP)是表面增强拉曼光谱(SERS)研究中最重要的探针分子之一. PATP吸附体系具有非常特征且异常强的SERS信号, 但人们对其SERS信号的理解仍存在较大争议. 本文结合文献, 总结了我们为了理解PATP分子异常的SERS光谱所开展的系统的理论和实验工作. 首先介绍PATP的SERS增强机理方面开展的理论工作, 研究表明PATP分子的异常SERS信号不是来自PATP分子本身, 而是来自其表面催化偶联反应产物二巯基偶氮苯(DMAB). 通过实验和DMAB合成两个方面, 验证了DMAB是异常SERS信号的根源. 其次总结了各种实验条件对PATP转化为DMAB的影响, 并从实验和理论两个角度探讨PATP的表面催化偶联反应机理. 最后, 通过对PATP体系的SERS和等离激元增强化学反应的总结, 展望表面等离激元增强化学反应的未来发展方向.     

SPR银金电极上光电化学反应和EC-SERS理论研究

随着纳米科学的发展,人们再次关注到金属电极上的光电化学研究. 这主要得益于币族金属纳米结构具有强的表面等离激元共振（SPR）效应,它能有效地将光从远场光转化为近场光,汇聚光能到金属表面区域,可以在表面产生强的光电场效应,或产生较长寿命的热电子-空穴载流子效应,或是更长时间尺度的热效应. 因此,SPR效应不仅产生了表面增强拉曼散射(SERS)效应,用于表征吸附分子,而且可能诱发表面化学反应,为在电化学界面实现光与电协同调控化学反应提供新思路. 本文首先回顾了金属电极上光电流理论的发展,然后总结了本研究组近年来将量子化学计算用于光电化学反应和SERS光谱研究的工作,并以在银金纳米结构电极上水合质子还原和芳香胺氧化为例,比较了热电子和热空穴参与光电化学反应的特点,揭示了SPR参与光电化学反应的本质.     

电场强度对等离激元诱导热电子的影响

等离激元纳米结构因其通过改变纳米结构的尺寸、形貌和组成成分,可以在紫外-可见-近红外范围内实现对光的操控从而提高能量利用率而受到人们的广泛关注.在光的激发下,等离激元纳米结构可以产生高能热电子,并驱动光化学反应,但其利用效率较低.因此,如何提升热电子的激发效率成为了一个亟待解决的关键问题.本工作制备了三维壳层隔绝银纳米粒子载金(3DAgSHINs-Au)超结构,以对巯基苯胺(pATP)为探针分子,结合原位表面增强拉曼光谱技术和三维有限时域差分法研究不同电场强度对等离激元诱导的热电子激发效率的影响.实验结果显示电场强度越强,热电子激发效率越高, pATP催化速率越快.此外,带内跃迁比带间跃迁更有利于热电子的激发.本研究有助于人们理解电场强度如何影响热电子的激发效率.     

硅烯量子点的等离激元激发

基于含时密度泛函理论, 研究了硅烯量子点的等离激元激发. 沿量子点所在的平面方向, 体系中有两个主要的等离激元共振带. 一个等离激元共振带位于2.0 eV附近, 另一个等离激元共振带位于7.0 eV附近. 由于离域化的π电子参与了两个等离激元共振带的激发, 沿激发方向随着矩形硅烯量子点边长的增加, 体系的两个等离激元共振带都发生红移. 硅烯量子点的等离激元激发还依赖于边界的构型. 此外, 由于六角形硅烯量子点的对称性较高,沿量子点所在平面的不同方向激发时, 体系的等离激元共振模式相同.     

基于自组装纳米金单层膜的全内反射SERS研究

采用静电自组装技术分别在玻璃基片和30 nm厚的金膜表面固定一层金纳米粒子（GNP）制得两种表面增强拉曼散射（SERS）基底,然后通过棱镜全内反射（TIR）激励和背向收集模式分别测试了两种基底上吸附的染料单分子层SERS光谱. 实验结果表明两种SERS基底的拉曼增强效果均高度依赖于入射激光的偏振状态,对于玻璃/纳米金SERS基底,s 光全内反射导致的拉曼增强因子是线偏振光（p）光的2-5 倍,说明该基底上的“热点”位于纳米金单层膜内相邻粒子之间;对于玻璃/金膜/纳米金SERS基底,只有采用p光在特定的全内反射角下才能激发SERS信号,而且测得的SERS信号比玻璃/纳米金基底增强了近30 倍. 究其原因是p 光在金膜表面共振激发的传播表面等离子体与纳米金局域表面等离子体耦合,进而导致显著场增强. 实验结果指出在背向收集模式下,由p 光激发的SERS信号是非偏振光,包含强度几乎相等的s 和p 成分. 利用玻璃/金膜/纳米金基底还实现了拉曼光定向发射和收集,测得的SERS信号是p光.     

可调控且稳定的SrMoO4等离激元共振用于增强的可见光驱动的氮还原

光催化固氮是最具潜力的人工光合过程之一,也是有望取代工业Haber-Bosch方法实现氨的绿色合成的清洁能源技术之一.由于氮气分子还原为氨需要较高的还原电位,导致大部分常规的半导体材料的导带能级不能满足固氮反应的热力学要求.同时,固氮光催化剂普遍存在光响应波段窄、表面催化活性低、太阳光向氨的转化效率低等问题.缺陷工程是目前制备高效固氮光催化剂的最有效的途径之一.在催化剂中引入缺陷可以带来两个方面的好处:(1)促进氮气分子在缺陷位点上的化学吸附和活化,从而降低反应能垒;(2)拓宽催化剂的太阳光响应波段,提高对太阳光的利用效率.等离激元效应来自于自由载流子的集体振荡,广泛存在于金属纳米结构中.尽管金属等离激元纳米材料在光催化中也有广泛的应用,可以通过等离激元增强的光吸收和散射、热载流子传输以及等离激元共振能量传递等机理提高太阳能转化效率,但其能量转化效率仍有限,多用于弥补半导体材料的弱点.研究发现,一些半导体纳米材料在可见光和近红外光范围表现出优异的等离激元共振吸收.相比等离激元金属纳米材料,这些半导体的等离激元共振效应的调控手段更加丰富.等离激元半导体材料普遍具有较高的缺陷浓度、非常宽的光响应波段,因而是理想的固氮光催化剂.本文利用具有还原性的气氛处理溶剂热法制备的SrMoO4,通过引入高浓度的氧空位,实现了可调控的稳定的等离激元共振吸收.制备的SrMoO4在可见光和近红外光范围具有强的等离激元吸收,其共振吸收峰的中心位置可从520调到815 nm,显著拓宽了SrMoO4的光响应波段,而样品的本征吸收边仍然位于310 nm.研究发现,氢气还原没有改变Sr的氧化态,而是将Mo6+还原成Mo5+.紫外光电子能谱分析结果表明,高温氢气处理没有改变SrMoO4样品的导带和价带能级.电子顺磁共振研究结果表明,氢气处理在SrMoO4中形成了大量的氧空位.Mott-Schottky测试结果发现,氢气处理后的样品的载流子浓度高达～2.0×1020 cm-3.具有等离激元效应的SrMoO4表现出优异的可见光固氮性能,相比不具有等离激元效应的SrMoO4,在入射光波长大于420 nm的可见光照射下,在氢气气氛中处理10 min,3,6和8h的SrMoO4样品的氨的产率分别为41.2,36.3,24.5和20.8 μg gcat-1 h-1.其增强光催化活性主要来源于更宽的太阳光吸收波段、等离激元激发产生的热载流子和丰富的缺陷活性位点.一方面,SrMoO4具有较高的导带能级,本征激发形成的导带电子能在热力学上将氮气分子还原为氨;另一方面,等离激元激发产生的热载流子具有较高的能量,能够越过固液界面的肖特基能垒,将吸附在催化剂表面缺陷处的氮气分子还原为氨.但是,尽管缺陷在光催化固氮中展现出多方面的优点,其在半导体中的浓度仍需进一步的优化.     

基于自组装纳米金单层膜的全内反射SERS研究

采用静电自组装技术分别在玻璃基片和30 nm厚的金膜表面固定一层金纳米粒子(GNP)制得两种表面增强拉曼散射(SERS)基底,然后通过棱镜全内反射(TIR)激励和背向收集模式分别测试了两种基底上吸附的染料单分子层SERS光谱.实验结果表明两种SERS基底的拉曼增强效果均高度依赖于入射激光的偏振状态,对于玻璃/纳米金SERS基底,s光全内反射导致的拉曼增强因子是线偏振光(p)光的2-5倍,说明该基底上的"热点"位于纳米金单层膜内相邻粒子之间;对于玻璃/金膜/纳米金SERS基底,只有采用p光在特定的全内反射角下才能激发SERS信号,而且测得的SERS信号比玻璃/纳米金基底增强了近30倍.究其原因是p光在金膜表面共振激发的传播表面等离子体与纳米金局域表面等离子体耦合,进而导致显著场增强.实验结果指出在背向收集模式下,由p光激发的SERS信号是非偏振光,包含强度几乎相等的s和p成分.利用玻璃/金膜/纳米金基底还实现了拉曼光定向发射和收集,测得的SERS信号是p光.     

介孔SiO_2薄膜增敏SERS基底在消逝波激励下的特性表征

采用溶胶-凝胶分子模板法在50 nm厚金膜表面制备约40 nm厚介孔二氧化硅(MPS)薄膜,然后在MPS薄膜表面静电自组装金纳米粒子(GNP)单层膜,形成的多层膜结构用作表面增强拉曼散射(SERS)基底.利用扫描电镜观测到MPS薄膜具有表面开口多孔结构,有助于小分子向薄膜内快速扩散.基于时域有限差分(FDTD)方法对电场分布的仿真结果指出,在表面等离子体共振(SPR)条件下分布于金膜与GNP之间的消逝场显著增强.由于空间重叠,该增强场能够高效激发MPS内富集的小分子拉曼信号,产生的拉曼信号还可免受金属作用的干扰.利用Kretschmann结构和尼罗蓝(NB)拉曼活性分子测试了Au/MPS/GNP基底在785 nm激发波长下的SERS效果,并与Au/GNP基底进行了比较.结果表明,在SPR条件下,Au/MPS/GNP基底能够导致较强的定向和背向拉曼信号,而且在586 cm-1处的背向拉曼信号强度是Au/GNP基底的40倍,这归功于MPS薄膜.进一步测试表明背向拉曼信号强度与NB浓度成正相关.这意味着Au/MPS/GNP基底具有良好的半定量检测本领.     

介孔SiO2薄膜增敏SERS基底在消逝波激励下的特性表征

采用溶胶-凝胶分子模板法在50 nm 厚金膜表面制备约40 nm 厚介孔二氧化硅(MPS)薄膜, 然后在MPS薄膜表面静电自组装金纳米粒子(GNP)单层膜, 形成的多层膜结构用作表面增强拉曼散射(SERS)基底.利用扫描电镜观测到MPS薄膜具有表面开口多孔结构, 有助于小分子向薄膜内快速扩散. 基于时域有限差分(FDTD)方法对电场分布的仿真结果指出, 在表面等离子体共振(SPR)条件下分布于金膜与GNP之间的消逝场显著增强. 由于空间重叠, 该增强场能够高效激发MPS内富集的小分子拉曼信号, 产生的拉曼信号还可免受金属作用的干扰. 利用Kretschmann 结构和尼罗蓝(NB)拉曼活性分子测试了Au/MPS/GNP基底在785 nm激发波长下的SERS效果, 并与Au/GNP基底进行了比较. 结果表明, 在SPR条件下, Au/MPS/GNP基底能够导致较强的定向和背向拉曼信号, 而且在586 cm^-1处的背向拉曼信号强度是Au/GNP基底的40 倍, 这归功于MPS薄膜. 进一步测试表明背向拉曼信号强度与NB浓度成正相关. 这意味着Au/MPS/GNP基底具有良好的半定量检测本领.     

有序表面增强拉曼散射基底制备的研究发展北大核心CSCD

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)是一种振动光谱技术,可直接识别目标分析物。在分析应用中,SERS信号的重现性极其重要,而这在很大程度上取决于SERS基底结构的均匀性。目前,SERS基底的重现性一直是制约该技术在分析测试中广泛应用的瓶颈,规则排列的纳米结构构成的有序化SERS基底的可控制备是该领域发展的前沿和趋势。本文就SERS基底的有序化制备方法及其应用进行了总结,分析了自组装法、光刻技术和模板辅助法所制备的有序SERS基底的特征、有序性形成原理和在分析测试中应用的可行性,为拓展SERS的实际应用提供一定的参考。     

SERS Detection of Small Inorganic Molecules and Ions

Surface‐enhanced Raman scattering (SERS) is one of the most straightforward applications of the so‐called nanoplasmonics. This powerful molecular spectroscopy technique is based on the enhancement of the inelastic scattering from molecules located near nanostructured metallic surfaces when these are illuminated and surface plasmons are excited. The analytical applications of SERS are hindered when the Raman cross‐section of the analyte is too low, which is often the case in inorganic molecular species. This problem is even more serious when atomic species are to be identified, since these cannot display a vibrational signal. Herein we discuss the recent advancements toward the SERS detection of small inorganic compounds, including both molecular and atomic species.     

Localized and propagating surface plasmon co-enhanced Raman spectroscopy based on evanescent field excitation

The localized and propagating surface plasmon co-enhanced Raman scattering of 4-mercaptopyridine was observed based on evanescent field excitation. The most effective coupling of the localized and propagating surface plasmons resulted in a >50 times enhanced signal relative to signals obtained on vacuum-deposited silver film.     

Activation of Oxygen on Gold and Silver Nanoparticles Assisted by Surface Plasmon Resonances

Surface plasmon resonances (SPRs) have been found to promote chemical reactions. In most oxidative chemical reactions oxygen molecules participate and understanding of the activation mechanism of oxygen molecules is highly important. For this purpose, we applied surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) to find out the mechanism of SPR‐assisted activation of oxygen, by using p‐aminothiophenol (PATP), which undergoes a SPR‐assisted selective oxidation, as a probe molecule. In this way, SPR has the dual function of activating the chemical reaction and enhancing the Raman signal of surface species. Both experiments and DFT calculations reveal that oxygen molecules were activated by accepting an electron from a metal nanoparticle under the excitation of SPR to form a strongly adsorbed oxygen molecule anion. The anion was then transformed to Au or Ag oxides or hydroxides on the surface to oxidize the surface species, which was also supported by the heating effect of the SPR. This work points to a promising new era of SPR‐assisted catalytic reactions.     

Surface-enhanced Raman scattering: realization of localized surface plasmon resonance using unique substrates and methods

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) enhancement and the reproducibility of the SERS signal strongly reflect the quality and nature of the SERS substrates because of diverse localized surface plasmon resonance (LSPR) excitations excited at interstitials or sharp edges. LSPR excitations are the most important ingredients for achieving huge enhancements in the SERS process. In this report, we introduce several gold and silver nanoparticle-based SERS-active substrates developed solely by us and use these substrates to investigate the influence of LSPR excitations on SERS. SERS-active gold substrates were fabricated by immobilizing colloidal gold nanoparticles on glass slides without using any surfactants or electrolytes, whereas most of the SERS-active substrates that use colloidal gold/silver nanoparticles are not free of surfactant. Isolated aggregates, chain-like elongated aggregates and two-dimensional (2D) nanostructures were found to consist mostly of monolayers rather than agglomerations. With reference to correlated LSPR and SERS, combined experiments were carried out on a single platform at the same spatial position. The isolated aggregates mostly show a broadened and shifted SPR peak, whereas a weak blue-shifted peak is observed near 430 nm in addition to broadened peaks centered at 635 and 720 nm in the red spectral region in the chain-like elongated aggregates. In the case of 2D nanostructures, several SPR peaks are observed in diverse frequency regions. The characteristics of LSPR and SERS for the same gold nanoaggregates lead to a good correlation between SPR and SERS images. The elongated gold nanostructures show a higher enhancement of the Raman signal than the the isolated and 2D samples. In the case of SERS-active silver substrates for protein detection, a new approach has been adopted, in contrast to the conventional fabrication method. Colloidal silver nanoparticles are immobilized on the protein functionalized glass slides, and further SERS measurements are carried out based on LSPR excitations. A new strategy for the detection of biomolecules, particularly glutathione, under aqueous conditions is proposed. Finally, supramolecular J-aggregates of ionic dyes incorporated with silver colloidal aggregates are characterized by SERS measurements and correlated to finite-difference time-domain analysis with reference to LSPR excitations. Figure SPR and SERS images for isolated, elongated and two-dimensional gold nanostructures     

纳米Ag/TiO_(2)纳米管阵列基底构建及表面增强拉曼散射光谱检测与降解盐酸四环素北大核心CSCD

将阳极氧化与光还原法结合,在TiO_(2)纳米管阵列(TiO_(2)NTAs)表面修饰Ag纳米粒子,获得一种均匀有序、稳定性高且可循环的TiO_(2)NTAs/Ag活性基底。采用X射线粉末衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)、紫外可见漫反射光谱(UV-Vis DRS)、表面增强拉曼散射光谱(SERS)和扫描电子显微镜(SEM)等手段对TiO_(2)NTAs/Ag的组成和结构进行了表征。进一步研究了该TiO_(2)-NTAs/Ag阵列对盐酸四环素(TC-HCl)的SERS响应,结果表明,该复合基底对TC-HCl具有较高的检测灵敏度,在水中检测限可达1×10^(−14) mol/L,而TiO_(2)-NTAs与Ag之间的协同效应对其检测性能的提高起着关键作用。此外,TiO_(2)NTAs/Ag基底在光照下对TC-HCl展示了优异的降解活性,且至少可循环使用8次。表明该TiO_(2)NTAs/Ag基底在环境中有机污染物的SERS检测和降解领域具有潜在的应用前景。     

Tailoring plasmonic substrates for surface enhanced spectroscopies

Our understanding of how the geometry of metallic nanostructures controls the properties of their surface plasmons, based on plasmon hybridization, is useful for developing high-performance substrates for surface enhanced spectroscopies. In this tutorial review, we outline the design of metallic nanostructures tailored specifically for providing electromagnetic enhancements for surface enhanced Raman scattering (SERS). The concepts developed for nanoshell-based substrates can be generalized to other nanoparticle geometries and scaled to other spectroscopies, such as surface enhanced infrared absorption spectroscopy (SEIRA).     

帽状铜纳米粒子的制备及表面增强拉曼散射活性研究

采用真空热蒸发法在SiO₂纳米粒子自组装单层膜上沉积铜薄膜制备了帽状铜纳米粒子。用扫描电镜、原子力显微镜和紫外-可见-近红外分光光度计对帽状复合纳米粒子的表面形貌和光学性质进行了表征。以亚甲基蓝和吡啶-(2-偶氮-4)间苯二酚为探针分子,研究了该复合纳米粒子的表面增强拉曼散射(SERS)活性。通过比较吸附在不同基底上的吡啶-(2-偶氮-4)间苯二酚的谱峰强度,探讨了SERS效应与表面等离子体共振(SPR)的关系。