金银纳米材料的制备及其在SERS中的应用

发布时间：2018-04-05 20:48

本文选题：纳米材料　切入点：表面增强拉曼散射　出处：《中国计量学院》2015年硕士论文

【摘要】：近年来,表面增强拉曼散射光谱技术(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)由于其检测样品无需复杂的预处理过程、指纹谱信息全面等优点而成为人们研究的热点内容之一。除了SERS的物理化学增强机理之外,对增强基底的研究也同时展开并发展迅速。SERS增强基底通常采用金属纳米结构材料,其种类性质、表面的形貌和自身结构,对增强效果有一定影响。虽然现在对金属纳米粒子增强基底制备及应用的研究已取得一些进展,但是在其制备方法的简化、增强效果的提高以及检测应用方面还有待进一步探索研究。本文将对金银纳米材料的制备及其在SERS中的应用进行研究,主要内容有:首先,理论研究了在受电磁增强影响的条件下,金属纳米粒子的SERS效应大小及信号强弱变化的问题。利用基于有限元法的Comsol multiphysics软件仿真模拟球状的金纳米粒子的表面增强拉曼散射效应,通过建立不同粒径大小的单球体和双球体的几何模型,模拟其在入射光场作用下的电场的分布情况,并计算SERS增强因子,分析其受金属纳米粒子的大小及粒子个数的影响情况。实验结果表明,当入射光波长为632.8nm时,直径为125nm左右的单球体金纳米粒子,SERS增强因子最大值为1.46×102;球间距为1nm,直径为115nm左右的双球体金纳米粒子,SERS增强因子最大值为4.66×107,高达7个数量级的增强。通过对比可知,双球体金纳米粒子的SERS增强远远大于单球体金纳米粒子。因此,双球体金纳米粒子比单球体金纳米粒子更适合作SERS基底。其次,研究了不同粒径的金纳米粒子的可控合成方法。主要通过氯金酸溶液(HAu Cl4)与柠檬酸三钠进行反应来生成纳米级的金粒子,其中柠檬酸三钠充当还原剂,使原来溶液中的金离子转化为金的单体。采用加热使溶液沸腾的方法进行实验,通过调节反应时间及还原剂的用量来达到控制金纳米粒子的粒径大小的目的,并对生成的金溶胶进行吸收光谱的检测。实验结果表明,在一定的反应条件下,柠檬酸三钠可以实现迅速与HAu Cl4溶液反应,并使得反应溶液中的金由离子形态变为金的单体形态,从而得到纳米级的金粒子;控制反应的加热至沸腾的时间和还原剂的剂量,可使所制得金溶胶呈现不同的颜色,并经过分光光度计来检测其吸收光谱,获得其对应不同的吸收峰值,利用吸收峰值与金粒子粒径的关系,可以推测出制备的金纳米粒子的粒径,从而达到制备可控粒径的金纳米粒子的目的;再次,利用简单的锌片与硝酸银溶液的置换反应制备了树枝状的银纳米结构材料,通过扫描电子显微镜观测其形貌,并找出反应时间与所形成的纳米结构的银树枝的尺寸间的关系。并将制备的树枝状纳米结构银材料放置于硅片上,以罗丹明6G为探针分子,通过拉曼光谱仪来检测其SERS图谱,并对比添加表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮(PVP)前后的增强效果差异。实验结果表明制备的纳米粒子呈树枝状,纳米结构银材料有很好的SERS特性,其中置换反应时间为40s时制备的纳米银树枝的增强效果最佳,其增强因子可达到103左右,并且采用表面活性剂PVP处理硅片的方法后,保持其他条件不变,纳米银衬底的SERS增强效果得到进一步加强,增强因子达到104左右。最后,利用置换反应制备的树枝状银纳米粒子,检测水中及奶粉中掺杂的三聚氰胺。其中,为获取奶粉中的三聚氰胺,用50%的乙氰水溶液通过漩涡混合器振动,萃取出掺杂于奶粉中的三聚氰胺。将待测液滴于覆盖银纳米材料的硅片上,通过拉曼光谱仪,可以观察到明显的拉曼增强效果;并利用氧化还原反应,即抗坏血酸与硝酸银溶液反应制备银纳米粒子,增强效果得到提高,并且将硅片基底换为普通载玻片基底,可以省去繁杂的清洗过程,其拉曼增强效果亦显著,检测极限可达到10-5 mol/L。
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【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1;O657.37

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