过渡金属纳米结构的构筑及其紫外光激发的表面增强拉曼散射效应研究

论文摘要

表面增强拉曼散射（SERS）效应可以使某些纳米结构表面的吸附物种的拉曼信号强度得到极大的增强。由此使得表面增强拉曼光谱成为一种超高灵敏度的表面检测谱学技术,成功地应用于电化学和分析科学等领域。然而,SERS研究的激发线几乎集中在可见光至近红外光的波长范围,若能将激发线拓宽至紫外光区,将对SERS的应用体系拓展和复杂机理揭示做出实质性的贡献。SERS效应高低与基底的纳米结构密切相关,迄今传统的SERS基底制备方法难以在多种金属体系获得UV-SERS活性。并且,由于目前拉曼谱仪在紫外光区的性能远低于可见光区（如光通量,CCD量子收集效率,透镜收集效率等）,造成UV拉曼信号强度低,故大大限制了UV-SERS的发展。因此,本论文工作的重点是发展和优化UV-SERS活性基底,并利用UV-SERS研究一些重要体系的SERS机理。主要的创新点和成果有以下几点:（1）设计和制备具有高UV-SERS活性的纳米结构。利用电化学氧化还原循环法、纳米粒子（包括核壳结构粒子）合成法和聚苯乙烯球模板法,制备了不同的金属纳米结构,以DNA碱基腺嘌呤、SCN-为探针分子,首次获得了Pt、Pd、Co、Ni四种Ⅷ族过渡金属体系波长325 nm的紫外光激发下的UV-SERS效应。（2）研究了Pt和Pd纳米粒子的尺寸、形状和结晶度对UV-SERS效应的影响,提出良好的结晶度是激发纳米粒子的表面等离子体共振吸收（SPR）和提高UV-SERS活性的重要前提。（3）系统研究了波长对核壳结构纳米粒子增强效应的影响。通过比较可见和紫外光激发下,Au@Pd和Au@Pt核壳结构纳米粒子的增强效应与Pd或Pt壳厚度的关系,证明了币族金属Au和过渡金属Pd或Pt在可见和紫外光区具有不同的增强效应。可见光激发下,Au核对增强起主要贡献,而在紫外光激发下,增强的贡献皆来自于Pd或Pt壳。（4）具有可调SPR吸收且大面积形貌均匀的过渡金属纳米碗阵列的制备和UV-SERS研究。利用聚苯乙烯球模板法,电沉积了直径D在200 nm至900 nm、厚度在0.1 D-1.2 D范围内变化的纳米碗阵列。以腺嘌呤为探针分子,首次获得了Pt和Pd纳米碗的UV-SERS。UV-SERS增强效应与纳米碗的大小和深度密切相关,其中聚苯乙烯球直径200 nm,沉积厚度0.3 D的Pd纳米碗表现出最好的UV-SERS增强效应。（5） UV-SERS的电磁场增强机理研究。利用紫外-可见（反射）吸收谱研究了Pt和Pd纳米粒子和纳米碗的吸收特征,首次从实验上证实了Pt和Pd在紫外区有SPR吸收。通过对比分析UV-SERS信号强度与SPR吸收特征,发现两者之间存在较好的匹配关系,证明电磁场增强机理对Pt和Pd纳米结构的UV-SERS效应具有重要作用。（6）系统研究了腺嘌呤/金属体系的增强机理。通过改变激发光波长（325 nm、514.5 nm和632.8 nm）和电极电位,研究了腺嘌呤吸附在Rh和Pd电极上的电荷转移增强（CT）机理。观察到波长为325 nm的紫外激光所引起峰值电位的明显位移,以及峰值电位与激发光能量之间具有斜率为正的线性关系,说明CT机理对增强有贡献且电荷转移方向是从金属到分子。这一结果对理解腺嘌呤在Au或Ag的单分子SERS和TERS的巨大增强效应,具有重要的启示作用。另外,推断出该体系共存电荷转移增强、共振增强和电磁场增强三种增强作用。（7）利用SERS研究了电化学共吸附和表面取向问题。详细研究了质子化DNA碱基与ClO4-在金纳米粒子上的共吸附行为和质子化碱基间的氢键作用;观察到电极表面的吸附氢和氧对吡嗪在铑上取向改变具有较大影响,电位和浓度变化皆会引起的吸附取向的改变。综上所述,本论文工作成功地将UV-SERS拓宽到Pt、Pd、Co和Ni四种过渡金属体系,研究了表面等离子体共振吸收对过渡金属UV-SERS的重要贡献,并结合UV-SERS和Vis-SERS对腺嘌呤/Rh（Pd）体系的增强机理进行了系统研究,促进了UV-SERS研究的进展。最后应指出,如果拉曼谱仪及相关光学元件（如CCD收集效率、谱仪的光通量等）在紫外光区的性能能够达到目前可见光区的水平,对于同样的分子/金属体系,UV-SERS的信号甚至要强于Vis-SERS。这预示着UV-SERS还有很大的发展潜力,随着拉曼谱仪和各种光学元件在紫外光区性能的改进,以及制备具有更高UV-SERS活性的纳米结构,UV-SERS以及UV-SERRS将在不远的将来得到广泛应用。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• §1.1 光的散射与拉曼光谱
• §1.2 表面增强拉曼光谱
• §1.2.1 表面增强拉曼光谱（SERS）的特点和应用
• §1.2.2 SERS基底的制备方法
• §1.2.3 SERS增强机理
• §1.3 表面等离子体共振（SPR）理论和应用
• §1.3.1 表面等离子体共振（SPR）理论
• §1.3.2 表面等离子体共振（SPP&1SPR）应用
• §1.4 表面增强共振拉曼（SERRS）的特点和应用
• §1.5 紫外光激发的表面增强拉曼散射效应（UV-SERS）
• §1.5.1 紫外光激发的优势和应用
• §1.5.2 UV-SERS的研究现状及发展趋势
• §1.6 本论文工作的目的和设想
• 参考文献
• 第二章 实验
• §2.1 仪器和装置
• §2.1.1 拉曼谱仪
• §2.1.2 电解池
• §2.1.3 光学性质表征仪器
• §2.1.4 形貌表征仪器
• §2.1.5 电化学仪器
• §2.1.6 纳米粒子合成装置和仪器
• §2.2 镜头的选择和相关知识
• §2.2.1 镜头的分类
• §2.2.2 镜头参数的识别
• §2.2.3 镜头收集效率的计算方法
• §2.2.4 选择镜头需要考虑的因素
• §2.3 SERS基底的制备方法
• §2.4 试剂
• 参考文献
• 第三章 铂、钴、镍粗糙电极和纳米粒子的UV-SERS研究
• 前言
• §3.1 铂、钴、镍粗糙电极的制备和UV-SERS研究
• §3.1.1 电化学氧化还原循环法（ORC）制备铂、钴、镍粗糙电极
• §3.1.2 铂、钴、镍粗糙电极的UV-SERS研究
• §3.2 铂纳米粒子的合成和UV-SERS研究
• §3.2.1 铂纳米粒子的合成和组装
• §3.2.2 不同铂纳米粒子的UV-SERS研究
• §3.3 质子化腺嘌呤吸附在铂纳米立方体的UV-SERS研究
• §3.4 光学元件性能对UV-SERS信号强度的影响
• 本章小结
• 参考文献
• 第四章 核壳结构纳米粒子的UV-SERS研究
• 前言
• §4.1 Au@Pt和Au@Pd核壳纳米粒子的合成和表征
• §4.1.1 Au@Pt核壳纳米粒子的合成和表征
• §4.1.2 Au@Pd核壳纳米粒子的合成和表征
• §4.2 腺嘌呤在Au@Pt核壳纳米粒子的UV-SERS
• §4.3 腺嘌呤在Au@Pd核壳纳米粒子的UV-SERS
• §4.4 激发光波长对核壳纳米粒子增强效应的影响
• §4.5 Au@Co核壳纳米粒子的UV-SERS
• §4.6 UV-SERS增强因子计算
• §4.6.1 纳米粒子组装层数对增强效应和粗糙度的影响
• §4.6.2 共焦系统折合深度计算
• §4.6.3 增强因子计算
• 本章小结
• 参考文献
• 第五章 钯和铂有序纳米碗的制备和UV-SERS研究
• 前言
• §5.1 钯和铂有序纳米碗的制备和表征
• §5.1.1 聚苯乙烯球的组装
• §5.1.2 在模板中沉积钯和铂纳米碗
• §5.1.3 钯和铂有序纳米碗的SEM表征
• §5.2 钯和铂有序纳米碗的UV-SERS研究
• §5.2.1 钯有序纳米碗的UV-SERS研究
• §5.2.2 铂有序纳米碗的UV-SERS研究
• §5.3 钯和铂有序纳米碗的等离子体共振吸收研究
• §5.3.1 金属纳米碗的等离子体共振吸收研究进展
• §5.3.2 钯和铂纳米碗的等离子体共振吸收研究
• 本章小结
• 参考文献
• 第六章 腺嘌呤/过渡金属体系的电荷转移（CT）增强机理研究
• 前言
• §6.1 腺嘌呤/铑体系的CT增强机理研究
• §6.1.1 溶液pH1时腺嘌呤/铑体系的CT增强机理研究
• §6.1.2 溶液pH2.83时腺嘌呤/铑体系的CT增强机理研究
• §6.1.3 质子化腺嘌呤在紫外区的共振增强机理研究
• §6.2 腺嘌呤/Au@Pd纳米粒子体系的CT增强机理研究
• §6.2.1 溶液pH1时腺嘌呤/Au@Pd的CT增强机理研究
• §6.2.2 溶液pH2.83时腺嘌呤/Au@Pd的CT增强机理研究
• 本章小结
• 参考文献
• 第七章 DHA碱基间的氢键检测和吡嗪吸附取向的SERS研究
• 4^-的共吸附行为及氢键检测研究'>§7.1 质子化DNA碱基与ClO₄^-的共吸附行为及氢键检测研究
• §7.1.1 pH值对共吸附的影响
• §7.1.2 电位对共吸附的影响
• §7.1.3 质子化碱基间氢键的检测
• §7.2 吡嗪在铑电极上的吸附取向研究
• §7.2.1 电位的影响
• §7.2.2 浓度的影响
• §7.2.3 铑电极表面吸附物质的影响及吸附构型的确立
• §7.3 本章小结
• 参考文献
• 总结与展望
• 在学期间发表论文
• 致谢