3D SERS传感芯片制备及其性能研究
发布时间：2021-02-18 17:57
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种能够检测超低浓度分子的“指纹”光谱分析技术。在过去的几十年中,由于SERS的高灵敏度和准确性,引起了很多关注,并逐渐应用于环境保护、生物医学和痕迹检测等众多领域。但是,传统的SERS传感芯片多以二维（2D）结构的贵金属颗粒构成,存在灵敏度、稳定性等方面的诸多挑战。新型三维（3D）结构的SERS传感芯片因其能够提供高密度的“热点”,使得器件性能得到很大的提高,因此广受科研人员追捧。本文利用磁力辅助自组装的方式制备了一种3D磁性纳米颗粒（F-NPs）SERS传感芯片,并将SERS传感芯片成功应用于复杂土壤环境中的六氯苯残留检测和结直肠癌检测方面。首先,本文通过仿真重点研究了纳米颗粒镀层、尺寸、间隙以及微纳结构对SERS传感芯片的性能影响,研究发现“热点”往往出现在镀了贵金属的纳米颗粒间隙之间,同时,纳米颗粒的尺寸以及间隙对器件的性能都有重要影响,尺寸的不匹配以及间隙的过大都会直接导致增强性能的下降,此外,还发现3D SERS传感芯片中的“热点”密度远远高于2D SERS传感芯片。其次,探究了SERS传感芯片的制备工艺,制备了4种不同的SERS传感芯片（包括...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
散射现象示意图[14]
拉曼效应可以用能级图来表示[19],如图1-2所示,当处于基态振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子的能量变为h(v0-Δv),散射光子的频率降为(v0-Δv),于是形成能量为h(v0-Δv),频率为(v0-Δv)的谱线,这称为斯托克斯拉曼(Stokes)散射[20];当处于激发态振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子的能量变为h(v0+Δv),散射光子的频率升为(v0+Δv),于是形成能量为h(v0+Δv),频率为(v0+Δv)的谱线,这称为反斯托克斯拉曼(Anti-Stokes)散射[20];当处于振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子回到它原来的振动能级,那么此时并没有能量传递给散射光子,这称为瑞利(Rayleigh)散射[20]。拉曼散射经典理论可以利用样品分子与入射光之间的相互作用来进行详细解释。当样品分子受到入射光照射时,入射光与样品分子之间发生相互作用,光电场改变了样品分子的电荷分布,此时电荷呈现周期性变化,因此形成了一个交变的分子偶极矩[21]。P为分子的极化强度,代表了单位体积内分子偶极矩矢量和,其表达式为
SERS效应通常指当一些分子吸附在一些贵金属颗粒(如金、银)的表面时,分子的拉曼光谱信号强度会出现明显地增强,其增强因子为106~1014,其示意图如图1-3所示[26]。对于SERS效应,目前有两种解释机理为多数研究者所认可,分别为电磁增强机理(Electrical Magnification,EM)和化学增强机理(Chemical Magnification,CM)[27]。电磁增强是指当贵金属纳米颗粒表面受到入射光照射时,其表面的自由电子与入射光子发生相互作用,从而引起的局部表面等离子体的振荡(Localized Surface Plasma Resonance,LSPR)[28-30],当入射光与贵金属纳米颗粒所在平面平行时,其偏振方向垂直于贵金属纳米颗粒所在平面,此时正负电荷分别集中在贵金属纳米颗粒的上下表面,因而在贵金属纳米颗粒之间没有产生电磁场的放大;当入射光与贵金属纳米颗粒所在平面垂直时,其偏振方向平行于贵金属纳米颗粒所在平面,此时正负电荷分别集中在贵金属纳米颗粒的左右表面,因此在贵金属纳米颗粒之间会产生很大的场强,这一区域称之为“热点”[31]。在以电磁增强为主的SERS效应中,这些“热点”的存在就是使拉曼信号得到增强的主要因素,它们可以使在距离贵金属纳米颗粒表面几个?量级的被测样品的拉曼散射光强度得到数量级的倍增[32,33]。同时,电磁增强的效果严重依赖“热点”数量,对于单个贵金属纳米颗粒,其电磁增强因子可达105~107;对于多个贵金属纳米颗粒,当贵金属纳米颗粒直接的间距仅为几个纳米时,电磁增强因子可以达到1010~1014[34]。此外,化学增强主要是基于被测样品分子和基底之间载流子的转移,通常被认为是“第一层效应”[35]。在以化学增强为主SERS效应中,待测分子受到入射光的激发,与SERS传感芯片表面发生电荷转移,导致分子间的极化率增加,使得拉曼散射的截面积增大,因此被测样品的拉曼散射光强度得到一定程度的增大[36,37],但化学增强的增强效果远远不如电磁增强的增强效果,通常化学增强的增强因子一般只有101~102[38]。在一般的SERS效应中,这两种机制是共存的,然而SERS效应主要基于电磁增强,同时也包含化学增强的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in the fabrication of SERS substrates based on the arrays of polystyrene nanospheres[J]. XiaoLei Zhang,ZhiGao Dai,XinGang Zhang,ShiLian Dong,Wei Wu,ShiKuan Yang,XiangHeng Xiao,ChangZhong Jiang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(12)
本文编号：3039894
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
散射现象示意图[14]
拉曼效应可以用能级图来表示[19],如图1-2所示,当处于基态振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子的能量变为h(v0-Δv),散射光子的频率降为(v0-Δv),于是形成能量为h(v0-Δv),频率为(v0-Δv)的谱线,这称为斯托克斯拉曼(Stokes)散射[20];当处于激发态振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子的能量变为h(v0+Δv),散射光子的频率升为(v0+Δv),于是形成能量为h(v0+Δv),频率为(v0+Δv)的谱线,这称为反斯托克斯拉曼(Anti-Stokes)散射[20];当处于振动能级的分子与入射光子碰撞后,分子从入射光子中获得一定的能量hv0跃迁至激发虚态,而散射光子回到它原来的振动能级,那么此时并没有能量传递给散射光子,这称为瑞利(Rayleigh)散射[20]。拉曼散射经典理论可以利用样品分子与入射光之间的相互作用来进行详细解释。当样品分子受到入射光照射时,入射光与样品分子之间发生相互作用,光电场改变了样品分子的电荷分布,此时电荷呈现周期性变化,因此形成了一个交变的分子偶极矩[21]。P为分子的极化强度,代表了单位体积内分子偶极矩矢量和,其表达式为
SERS效应通常指当一些分子吸附在一些贵金属颗粒(如金、银)的表面时,分子的拉曼光谱信号强度会出现明显地增强,其增强因子为106~1014,其示意图如图1-3所示[26]。对于SERS效应,目前有两种解释机理为多数研究者所认可,分别为电磁增强机理(Electrical Magnification,EM)和化学增强机理(Chemical Magnification,CM)[27]。电磁增强是指当贵金属纳米颗粒表面受到入射光照射时,其表面的自由电子与入射光子发生相互作用,从而引起的局部表面等离子体的振荡(Localized Surface Plasma Resonance,LSPR)[28-30],当入射光与贵金属纳米颗粒所在平面平行时,其偏振方向垂直于贵金属纳米颗粒所在平面,此时正负电荷分别集中在贵金属纳米颗粒的上下表面,因而在贵金属纳米颗粒之间没有产生电磁场的放大;当入射光与贵金属纳米颗粒所在平面垂直时,其偏振方向平行于贵金属纳米颗粒所在平面,此时正负电荷分别集中在贵金属纳米颗粒的左右表面,因此在贵金属纳米颗粒之间会产生很大的场强,这一区域称之为“热点”[31]。在以电磁增强为主的SERS效应中,这些“热点”的存在就是使拉曼信号得到增强的主要因素,它们可以使在距离贵金属纳米颗粒表面几个?量级的被测样品的拉曼散射光强度得到数量级的倍增[32,33]。同时,电磁增强的效果严重依赖“热点”数量,对于单个贵金属纳米颗粒,其电磁增强因子可达105~107;对于多个贵金属纳米颗粒,当贵金属纳米颗粒直接的间距仅为几个纳米时,电磁增强因子可以达到1010~1014[34]。此外,化学增强主要是基于被测样品分子和基底之间载流子的转移,通常被认为是“第一层效应”[35]。在以化学增强为主SERS效应中,待测分子受到入射光的激发,与SERS传感芯片表面发生电荷转移,导致分子间的极化率增加,使得拉曼散射的截面积增大,因此被测样品的拉曼散射光强度得到一定程度的增大[36,37],但化学增强的增强效果远远不如电磁增强的增强效果,通常化学增强的增强因子一般只有101~102[38]。在一般的SERS效应中,这两种机制是共存的,然而SERS效应主要基于电磁增强,同时也包含化学增强的影响。
【参考文献】：
期刊论文
[1]Recent progress in the fabrication of SERS substrates based on the arrays of polystyrene nanospheres[J]. XiaoLei Zhang,ZhiGao Dai,XinGang Zhang,ShiLian Dong,Wei Wu,ShiKuan Yang,XiangHeng Xiao,ChangZhong Jiang. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2016(12)
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