基于消失场激发的表面等离子体场增强拉曼散射的研究

论文摘要

金属周围的表面等离子体（SPs）被认为是表面增强拉曼散射（SERS）现象产生的一个关键因素,也是目前拉曼光谱研究中的一个热点。本论文的研究内容分为以下几个部分。SPR-SERS显微光谱仪的搭建。我们搭建了一台能够同时测量SPR曲线和SERS光谱信号的SPR-SERS显微光谱仪。利用该仪器我们可以研究SPR对SERS的贡献,同时检测SPR信号和SERS)光谱信号。由于该仪器能够同时检测SPR光谱（?）SERS光谱,我们不但能够得到被分析物吸附在银膜表面引起的SPR折射率的变化信息,而且能够得到被分析物的分子结构信息。此外由于该仪器在暗背景下激发SERS信号,抑制了背景噪音,提高了SERS（?）言号的信噪比。二：表面等离子体共振与表面增强拉曼散射相关性的研究。我们利用SPR-SERS显微拉曼光谱仪同时检测4-巯基吡啶（4-Mpy）拉曼探针分子水溶液的SPR谱（?）SERS谱,通过对比同时测量的SPR曲线（?）SERS强度随入射角的变化曲线的轮廓发现最强的SERS信号对应的入射角均略小于SPR共振角。此外,在不同的银膜厚度下测量SERS信号和SPR曲线,发现在SPR反射率最低的条件下SERS信号最强。这些实验结果直接证实了在此体系下SPR产生的电场增强是SERS现象的主要原因。三：传导型与局域型表面等离子体共同增强拉曼散射。SPs可分为传导型表面等离子体（PSPs）和局域型表面等离子体（LSPs）,两者均可增强拉曼散射,将PSPs（?）LSPs结合用于增强SERS可获得更强的拉曼信号并能提高SERS检测灵敏度。我们设计了一种基于消失场激发的银纳米粒子辅助下的LSPR-PSPR共同增强拉曼散射的方法。比较了在蒸镀的银膜表面得到的拉曼探针分子的SERS信号及LSPR-PSPR共同激发SERS（?）言号的强度,结果表明在SPR共振角附近LSPR-PSPR共同激发SERS信号强度是没有银纳米粒子吸附时银膜表面得到的SERS信号55倍。LSPR-PSPR共同激发SERS的方法适合在水相环境下测量,实验中我们利用该方法检测了腺嘌呤及三聚氰胺的不同浓度的水溶液的SERS)谱,实验结果显示该方法检测腺嘌呤及三聚氰胺的水溶液的最低检测线分别为10-7M和10-9M。此方法在生物分子检测方面具有明显的优势及应用前景。四：长程表面等离子体增强拉曼散射。相对于传统SPs,LRSPs能够得到更强的金属膜表面电场及更长的电场穿透深度这对获得更强的SERS信号及提高SERS检测灵敏度具有关键作用。我们构筑了用于激励长程表面等离子体（LRSPs）的多层膜SPR结构,通过控制缓冲层LiF厚度和银膜厚度获得了（?）LRSPs相关的半峰宽较窄的SPR曲线、较强的银膜表面电场强度以及较长的电场穿透深度。我们利用LRSPs的优势在多层膜SPR结构下获得了更强的SERS信号,LRSPs对SERS增强因子的贡献为54。

论文目录

• 提要
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 拉曼散射
• 1.1.1 表面增强拉曼散射的发现
• 1.1.2 表面增强拉曼散射机理
• 1.1.3 表面增强拉曼散射的研究进展及其应用
• 1.2 表面等离子体
• 1.2.1 传导型表面等离子体
• 1.2.2 局域表面等离子体
• 1.2.3 表面等离子体的应用
• 1.3 基于表面等离子体的表面增强光谱学
• 1.3.1 基于表面等离子体的表面增强荧光
• 1.3.2 基于表面等离子体的表面增强拉曼光谱学
• 1.4 本论文的设想和研究内容
• 第二章:SPR-SERS显微光谱仪的搭建
• 2.1 前言
• 2.2 SPR增强拉曼散射原理
• 2.3 SPR-SERS显微拉曼光谱仪的仪器结构
• 2.3.1 光源部分
• 2.3.2 SPR检测部分
• 2.3.3 SERS检测部分
• 2.3.4 样品台部分
• 2.3.5 控制系统部分
• 2.4 SPR-SERS显微拉曼光谱仪的组装和调试
• 2.5 本仪器装置的结构特征
• 2.6 实验仪器的测试结果
• 2.6.1 实验样品和实验仪器
• 2.6.2 实验测试及结果讨论
• 2.7.小结
• 第三章:表面等离子体共振与表面增强拉曼散射相关性研究
• 3.1 前言
• 3.2 理论模拟
• 3.2.1 电场强度随入射角变化
• 3.2.2 SPR反射率的计算
• 3.3 实验部分
• 3.3.1 仪器结构
• 3.3.2 样品制备
• 3.3.3 实验结果与结果讨论
• 3.4 小结
• 第四章:传导型与局域型表面等离子体共同增强拉曼散射
• 4.1 前言
• 4.2 实验以及实验样品
• 4.2.1 实验仪器
• 4.2.2 实验样品制备
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 4.3 小结
• 第五章:长程表面等离子体增强拉曼散射
• 5.1 前言
• 5.2 理论模拟结果
• 5.2.1 LRSPR和传统SPR性质的比较
• 5.2.2 缓冲层厚度和金属膜厚度的优化
• 5.3 实验仪器及实验样品制备
• 5.3.1 实验仪器
• 5.3.2 实验样品的配置
• 5.3.3 传统SPR and LRSPR结构的构筑
• 5.4 实验结果与讨论
• 5.4.1 LRSPR对银表面电场强度的增强
• 5.4.2 LRSPR激励下的电场穿透深度
• 5.4.3 LRSPR对SERS的贡献
• 5.5 小结
• 参考文献
• 作者简介
• 攻读博士学位期间发表论文列表
• 致谢