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三维金/蝉翅基底的表面增强拉曼散射性能研究及其在生物检测方面的应用

三维金/蝉翅基底的表面增强拉曼散射性能研究及其在生物检测方面...

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作者：吕明阳北京化工大学

学位级别：硕士

表面增强拉曼散射(SERS)是一种高效的光谱检测技术,能丰富地反映分子的结构信息,因此又常被称作是分子的指纹谱。SERS技术不仅继承了常规拉曼检测的无损检测、制样简单、快速等所有优点,还克服了灵敏度低、易受荧光干扰等缺点,对拉曼信... 详细信息

表面增强拉曼散射(SERS)是一种高效的光谱检测技术,能丰富地反映分子的结构信息,因此又常被称作是分子的指纹谱。SERS技术不仅继承了常规拉曼检测的无损检测、制样简单、快速等所有优点,还克服了灵敏度低、易受荧光干扰等缺点,对拉曼信号的增强高达105-106,对待测物质的检测甚至可以达到10-14 mol/L以下的单分子水平。用来制备SERS基底的材料包括金(Au)、银(Ag)、铜等贵金属,其中Ag的SERS增强性能最佳,但易氧化,Au的增强能力相对较弱、但具备良好的抗氧化性能及生物兼容性。本文以天然的具有三维周期性纳米结构的蝉翅为材料,通过电子束蒸发设备在其上蒸镀金纳米颗粒(Au NPs),制备出高SERS活性、高信号重现性、时间稳定性好、可多次循环使用的金/蝉翅(Au/cicada wing)基底。在对该基底的形貌结构、SERS性能等方面进行系统表征与结构分析的同时,利用时域有限差分方法(FDTD)对Au/cicada wing基底进行了模拟,探究“热点”分布规律及其增强机制。基于Au/cicada wing基底,我们进行了针对植物油中不饱和脂肪酸含量检测和间接法定量、痕量检测辅酶还原型烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(reduced nicotinamide-adenine dinucleotid, NADH)的应用研究。两项应用研究均具有一定的创新性,构建出了新颖的生物分子检测系统,成功实现了对植物油的鉴别及痕量NADH的定量检测。论文的主要内容分为以下四个方面：一、Au/cicada wing基底的制备及结构表征。将蝉翅完整剪下后分别放入去离子水、丙酮、酒精中各超声清洗5分钟以去除表面的杂质,保留表面三维纳米柱阵列结构。选取完整、干净、透明的蝉翅进行蒸镀,利用电子束蒸发设备在蝉翅表面沉积50nm厚度的Au NPs,即制备得到Au/cicada wing基底。场发射扫描电子显微镜(Film Emission-Scanning Electron Microscope, FE-SEM)结果表明,制备得到的基底表面纳米柱顶端及侧面Au NPs的直径分别约为65nm、 35nm,规则排布的纳米柱阵列使基底具有优良的信号重现性;接触角测试表明基底的疏水角为144.4°,说明基底表面接近超疏水,非常有利于提高SERS灵敏度;X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)测试结果表明Au NPs成功的复合在蝉翅上;紫外可见吸收光谱(Ultraviolet-visible Absorption Spectrometry, Uv-vis)结果显示复合Au NPs后增强了基底对可见光的吸收能力。二、Au/cicada wing基底的SERS’性能测试及FDTD模拟。利用Au/cicada wing基底对系列浓度的罗丹明6G (Rhodamine 6G, R6G)溶液进行检测,检测限低至10-7 M,并建立了1361cm1处拉曼峰积分强度(51361)的对数值与R6G浓度对数值的线性关系曲线,实现了对R6G的痕量及定量检测;利用饱和吸附的方法精确地计算出增强因子(Enhancement Factor, EF)约为3.4×105;利用R6G溶液对两类(不同基底间,相同基底不同测试点间)SERS信号重现性进行了测试,其相对标准偏差(Relative Standard Deviation, RSD)小于15%;利用R6G溶液对基底进行了时间稳定性测试,由于Au NPs具有良好的抗氧化性能,基底在三个月时间内SERS增强性能未减弱;利用带有巯基(-SH)的对巯基苯胺与不带-SH的R6G、耐尔蓝A、结晶紫、甲基橙染料分子对基底进行循环使用测试,结果表明在四次循环清洗过程中,硼氢化钠(NaBH4)溶液能有效地去除基底表面化学吸附及物理吸附的分子,基底SERS增强性能未减弱;利用FDTD模拟了基底表面的电场分布,理论计算所得增强因子与SERS测试所得增强因子量级相同,表明该基底的SERS增强机制主要为电磁场增强机制。三、实现常见不饱和脂肪酸间浓度转换关系的建立,及市场所售植物油质量是否符合国家标准的准确鉴别。植物油中的脂肪酸主要为油酸(Oleic acid, OA)、亚油酸(Linoleic acid, LA)、亚麻酸(α-Linolenic acid, ALA)和棕榈酸(Palm acid, PA)。前三者为不饱和脂肪酸,后者为饱和脂肪酸。本文通过在Au/cicada wing基底上对这四种脂肪酸及其混合样品进行SERS测试分析,建立了单独一种不饱和脂肪酸在饱和脂肪酸环境中含量的定量关系曲线。实验表明,相同摩尔浓度的LA和ALA的1656cm-1处拉曼峰积分强度(S1656)值分别约为OA的1.5倍和2.2倍,据此可将LA和ALA的浓度转换为等价的OA的浓度,连同OA实际的浓度一起作为OA等价总浓度来表示不饱和脂肪酸的含量。以花生油、芝麻油和大豆油

关键词：表面增强拉曼散射金/蝉翅基底脂肪酸植物油鉴别 NADH 定量检测

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