新型三维贵金属SERS基底的设计及其痕量检测应用
作者单位:宁夏大学
学位级别:硕士
导师姓名:徐艳茹;汪燕青
授予年度:2023年
学科分类:081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 080501[工学-材料物理与化学] 070302[理学-分析化学] 0805[工学-材料科学与工程(可授工学、理学学位)] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学]
主 题:表面增强拉曼散射 时域有限差分法 三维等离激元 贵金属 痕量检测
摘 要:表面增强拉曼光谱(简称SERS)能够反映分子结构特征信息,在分子识别、微观成像、环境污染物检测等领域具有巨大应用空间。由于纳米结构的表面增强拉曼效应具有尺度依赖特性,目前一维、二维SERS基底的热点强度、数量有限,用于物质痕量检测时测量浓度极限难以提高。为了应对此难题,本论文针对金、银纳米结构采用改性、三维设计等思路,以提高基底的表面增强拉曼检测极限。(1)采用高温快速退火法在石英基底上制备银纳米颗粒阵列,SEM结果表明银纳米颗粒平均直径为87.9±30.7nm。通过拉曼实验和电磁场模拟分析该基底的SERS效应。采用龙胆紫作为为探针分子。SERS实验结果表明,银纳米颗粒阵列可以用于检测10-5 mol/L浓度的龙胆紫溶液,相比对照样品提高了4个数量级。这归因于银纳米颗粒的局域表面等离激元效应。利用聚乙烯醇(简称PVA)进行包覆改性后,银纳米阵列基底可用于检测10-8 mol/L浓度的龙胆紫溶液,相比包覆前检测限提高了 3个数量级,主要归因于PVA涂层对龙胆紫分子荧光的猝灭。(2)在高温快速退火法制备金纳米颗粒阵列的基础上,利用真空热蒸发法蒸镀铜膜、硝酸银溶液中化学置换在金纳米阵列上生长银纳米颗粒,构建金、银三维结构(Au@Ag)。SEM、EDS实验结果证实了金银三维结构(Au@Ag)的形成。Au@Ag基底可用于检测10-8mol/L浓度的孔雀石绿溶液,其检测限比单层金纳米基底高出4个数量级,比单层银纳米基底高出3个数量级。这主要归因于Au@Ag基底吸收曲线中吸收系数更大,吸收谱峰更宽,局域表面等离激元效应更强。电场分布计算结果表明,Au@Ag三维结构中金柱、银柱间均存在等离激元耦合作用,产生的热点数量明显增加、热点强度显著增强。本文研究结果为新型、高效稳定的三维SERS基底的研发提供了新的设计思路,可用于水质痕量检测、太阳能利用等领域。