基于固态纳米基底的表面增强拉曼光谱及相关性研究

发布时间：2021-08-31 03:47

　　单分子示踪、计算、化学结构表征以及结构变化监测,对于基础和应用研究都具有深远意义。最早用于单分子检测的技术是激光诱导荧光光谱,但通过该光谱能够获得的分子结构信息有限,且测量往往受制于特殊环境。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS）是一种新兴的分析技术手段,不仅沿袭了传统拉曼光谱的分子指纹识别特异性、高分辨率、无破坏性、可原位检测等优点,还具有超高灵敏度、高选择性等诸多优异性能,能够同时实现单分子检测及分子识别。自该技术发现以来,就被广泛应用到界面与表面化学、生物医学、环境检测、食品安全等各个领域。发展单分子SERS技术面临的首要挑战,是如何制备出同时具备高灵敏性、高可重复性、均匀性、高性价比的基底。其次,在超低浓度的溶液环境下,分子在基底表面存在扩散、吸附和脱附现象,对测量微区内的信号波动影响巨大,研究基底表面的分子动力过程及光谱相关性,是实现单分子操纵和实时监测的基础。基于此,本文首先介绍了多种基于模板法制备的新型多层复合纳米结构,实现了基底SERS性能与单分子检测可重复性的不断提升,并通过Monte Carlo方法建立了... 

【文章来源】：西北大学陕西省 211工程院校

【文章页数】：112 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

拉曼散射的原理

西北大学博士学位论文6图2局域表面等离子体共振模型：（a）表面等离子体传播的局域性；（b）表面等离子体共振示意图；（c）金纳米颗粒基底表面的吸附分子所处电场示意图以单个金纳米颗粒作为活性基底为例，如图2（c）所示，当电场强度为0E的入射光照射到金纳米颗粒表面，激发场强为spE的表面等离子体，此时分子被吸附在基底表面，与金纳米颗粒的间距为d，则吸附分子所处位点的场强E可表示为：030300()1(1)()2()spEEErErd=+=+++（1.1）当()与0满足以下关系时：0Re(())=2（1.2）E达到最大值，此时被测分子所处位置的电磁场被大幅增强，拉曼散射强度亦被局域增强电场进一步放大。等式（1.2）即为表面等离子体共振条件，即当金属纳米颗粒处于光电场中时，如果入射光的频率和电子的集体振荡频率相等，并且满足能量和动量条件，表面等离子体和入射光会产生共振，得到巨大的局域电场增强。因此，在SERS测量时，吸附在热点区域的目标分子可以散射出的信号强度超过传统拉曼多个

西北大学博士学位论文12图3在810纳米激光激发下，用FEM方法计算得到的AFM银纳米针尖与单个银纳米颗粒之间产生的场增强：（a）激光从大尺寸银纳米颗粒（80nm）底部照射下产生的电场分布（针尖与纳米颗粒间隙为2nm）；（b）激光从大尺寸银纳米颗粒（80nm）侧面照射产生的电场分布；（c）-（f）激光从小尺寸银纳米颗粒（10nm）侧面照射产生的电场分布，针尖与纳米颗粒间隙分别为0、1、3和15nm；（g）场增强效应与针尖和纳米颗粒间隙之间的依赖关系[56]FIT最早由Weiland教授于1977年提出，目前发展较为完善，可用于解决多种电磁场问题[61]。有限积分法的基本思想是，首先将所需计算的有限宏观区域分割为有限个小网格单元，分割后的网格系统为两套相互嵌套、相互正交的基网格和伴随网格[60]。积分形式的麦克斯韦方程组如下：{∮=∫+∫∮=∫∮=0∮=∫（1.8）式中，和为电场和磁场，为磁通量，和为位移电流和传导电流。对于麦克斯韦方程组中两个旋度方程和两个散度方程，在所有基网格面上的离散过程可写成矩阵形式。将、和分别用矩阵形式表示为、和，在基网格和伴随网格中定义称之为离散旋度算子的矩阵和，以及称之为离散散度算子的矩阵和，则、的矩阵形式可表示为和，其中和为电压和磁压。然后将式（1.8）离散化，得到网格中矩阵形式的麦克斯韦方程组如下：


本文编号：3374127