等离激元调控MXene中空结构SERS特性及其应用研究

作     者：杨默茹 

作者单位：山东师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：满宝元;赵晓菲

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：表面增强拉曼散射 中空球壳 MXene 金属纳米结构 光催化 

摘      要：表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS）是一种强大的分析技术,具有高灵敏度、无损检测和分子指纹等特点,在环境监测、食品安全、疾病诊断、化学反应检测等领域有着广泛的应用。SERS主要有两种增强机制,分别为电磁增强机制（Electromagnetic Mechanism,EM）和化学增强机制（Chemical Enhancement Mechanism,CM）。目前研究的大多数SERS基底是通过电磁增强,电磁增强效果与表面等离激元密切相关。通过对纳米结构的表面等离激元调控,可以放大局部电磁场,从而实现SERS效果最优化。研究人员据此对SERS基底不断研究与开发,SERS技术得到飞速的发展。 MXene是一类独特的二维材料,其表面具有大量活性基团,而活性基团可以通过静电相互作用力和范德华力与许多分子结合,提高SERS检测性能。MXene在SERS领域是极具吸引力的候选材料之一。因此,本文对三维MXene-AgNP空心球结构进行了深入的研究,通过理论模拟调节结构参数,实现电磁场增强最大化。通过实验证明了基底具有优异的SERS灵敏度和均匀性,并且该基底实现了对气体分子的灵敏检测和对催化反应的原位监测,主要研究内容及结论如下: （1）采用牺牲模板法制备了包裹银纳米粒子的三维MXene-AgNP空心球（TiC-AgNP HSs）结构,结合空心球良好的光捕获能力和AgNPs强的局域表面等离子体共振（LSPR）效应,该基底表现出优异的灵敏性和较低的检测极限。并对基于MXene的不同结构检测了对罗丹明6G染料分子的拉曼增强效果,并且对于染料分子结晶紫可以检测到n M水平。通过电磁场理论模拟证实,三维TiC-AgNP空心结构比三维实心结构具有更强的热点和更高的SERS检测灵敏度。 （2）利用三维MXene-AgNP空心球复合结构检测气体分子,改变球壳外部银纳米颗粒的厚度,并分别用CTAB和4-硝基苯硫醇（4-NTP）分子对TiC-AgNP HSs结构进行修饰,用来检测硫化氢（HS）气体。以2-萘硫酚气体分子为探针分子来检测三维MXene-AgNP空心球对气体检测的灵敏度。由于基底是中空球壳结构,具有较大的比表面积,HS气体可以更好的富集到TiC-AgNP HSs上。此外,它还具有出色的光催化性能,实现了对4-NTP转化为4-氨基苯硫酚（4-ATP）催化反应的原位SERS监测。