基于银纳米片表面增强拉曼光谱的变压器油中溶解糠醛原位检测

发布时间：2019-11-15 07:12

【摘要】：实现变压器油中溶解糠醛含量的准确检测,对评估运行变压器油纸绝缘的老化状态具有重要意义。表面增强拉曼光谱技术(surface enhanced Raman scattering,SERS)作为检测微量物质的有效手段,已广泛应用于生物医药、食品安全以及环境监测等诸多领域的检测分析。该文应用置换法制备了正六边形银纳米片,并以此作为SERS基片对不同糠醛含量的变压器油样进行了拉曼光谱原位检测;研究了糠醛分子在-SERS基片上的拉曼信号增强效应,选取756cm1作为油中溶解糠醛分子的定性分析依据;结合最小二乘法,以756和-853cm1两处拉曼信号的强度比为指标,建立了变压器油中溶解糠醛含量的定量分析方法。试验结果表明:以正六边形银纳米片为SERS基片,表面增强拉曼光谱技术能有效地对变压器油中溶解微量糠醛进行原位检测分析,其最小检测浓度极限约为0.5mg/L。理论与试验结果为拉曼光谱应用于变压器油中溶解微量糠醛的原位检测奠定了基础。
【图文】：

论可以完美阐述SERS增强的机理，这主要是因为影响SERS效应的因素非常复杂，如光和金属颗粒表面的相互作用、光和检测分子的相互作用、分子在金属颗粒表面的取向、入射光的强度与偏振方向等[16]。诸多学者从各个角度对SERS机理进行了不同的解释，目前普遍认同的主要有物理增强机理和化学增强机理两类。在SERS的物理增强机理解释模型中，表面等离子体共振(surfaceplasmonresonance，SPR)引起的局域电磁场增强是拉曼信号增强的最主要原因。表面等离子体是金属中自由电子在照射光场下集体震荡产生的电磁表面波，如图1所示。rra0ELM(0)ERaman()Ei(0)p(0)图1纳米颗粒表面增强拉曼散射示意图Fig.1SchematicdiagramofSurfaceEnhancedRamanScatteringonthemetalnanoparticle当以频率为0的平面波照射时，吸附在金属介质附近的分子会产生频率为的拉曼散射，其偶极矩[17]为000(,)[(,)(,)]iLMPrErEr(1)式中：为分子的拉曼极化率；Ei为入射场场强；ELM为Lorenz-Mie理论计算的散射场场强。在观察点r处与拉曼散射相关的电场[17]为dipSC(,)(,)(,)RErErEr(2)式中：Edip为无金属颗粒时的震荡偶极子P发射场强，ESC为由金属颗粒产生的散射场场强，其必须满足频率的边值问题。拉曼散射的强度IR是远场振幅ER的平方，增强因子G定义为G=IR/IR0，其中IR0为无金属颗粒时的拉曼散射强度。在金属颗粒作用下，增强因子[18]如下：333300333203[3()](/1)3()(1)agnniiagagriGirragnnir(3)式中：i为入射场在r处的偏振态；g和g0为表达式(1)/(2)在和0处的值，其中为金属颗粒

阻尼项和分子共振态的阻尼项；分母表示不同增强机理发生的条件，，第一项为电磁场增强[1()20]，第二项为电荷转移增强(2CT2)，第三项为共振拉曼散射机理(2RRS=2)。2SERS增强基片的制备及表征分析2.1SERS增强基片的制备首先，将购置的铜箔切割为0.6cm×0.6cm的正方形小片，依次用无水乙醇和三次去离子水浸泡，并置于超声波清洗机中清洗，将洗净的铜片在真空干燥箱中进行干燥处理；取5片铜片置于1mmol硝酸银和1mmol2-硝基苯甲酸的200mL水溶液中，可观察到铜片逐渐由紫红色变为灰白色(如图2所示)，反应4min后取出基片；依次用5mＬ的乙酸铜溶液、无水乙醇和三次去离子水多次冲洗得到SERS基片；最后，将洗净的铜片在真空干燥箱中干燥，并在室温下存储备用[21]。铜片SERS基片图2铜片与SERS基片对比图Fig.2ComparisonbetweencoppersheetandSERSsubstrate2.2SERS基片的表征分析为进一步获取SERS基片表面的形貌及成分，分别对铜片和SERS基片进行了扫描电子显微镜(scanningelectronmicroscope，SEM)分析和X射线衍射(X-raydiffraction，XRD)分析。对比图3(a)、(b)可知：试验前，铜片表面存在大量沟壑状机械加工痕迹，表面凹凸不平；制备得到的SERS基片表面被均匀的正六边形纳米片(边长约为500nm，厚度约为100nm)覆盖，底层为密集的纳米球(直径约为150nm)，原铜片表面的沟壑状缺陷消失。(a)铜片(b)SERS基片图3铜片和SRS基片表面扫描电镜图Fig.3SEMimagesofcoppersheetandSERSsubstrate如图4所示，SERS基底主要由铜和银两种元素组成。与铜片相比，SERS基片在38处出现了新的XRD谱峰，说明SERS基片表面的纳米片是晶带轴为{111}的面心立方银纳米单晶结构，其生成过程主要是由{111}晶面族主导[22

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本文编号：2561202