金、银纳米复合材料基底的SERS检测中的应用

《近代分子光谱法》课程论文

化学化工学院

张卓磊MG1324086

基于金、银纳米复合材料基底在SERS检测

中的应用

Application of the gold, silver nano composite material in SERS

detection

摘要：

本文介绍了拉曼光谱发展的历程，简略描述了拉曼光谱的增强机理，根据机理引出了运用纳米技术来增强拉曼信号的纳米材料的制备。在纳米粒子中，金银有序金属纳米壳结构，特别是有序的空心纳米壳和大孔结构，它兼有光子晶体和纳米金属外壳的光学性质，引起了国内外学者们的广泛关注。本文介绍了有序纳米金属外壳材料的制备方法和步骤，主要包括胶体晶体模板的制备、所需的金属外壳的制备，胶体晶体模板拆除这三个步骤，并对每一步的方法和特征进行了描述，且介绍了其在SERS的应用进行了相关介绍。最后展望了这种材料未来的研究方向的前景。

Abstract

This paper introduces the development course of Raman spectroscopy, and briefly describes the mechanism of enhanced Raman spectroscopy,so as referance to prepare nano material by using nanotechnology . With gold and silver nanoparticles, ordered nano metal shell structure especially the optical properties of nanometer hollow shell orderly and macroporous structure with photonic crystal and nano metal shell, atracted the great attention all over the would. In this paper, we introduce the method and main processes of fabricating these metal structure which mainly includes preparation of colloidal crystal templates, colloidal crystal template removal of these three steps, methods and characteristics of each step are st but not least,we introduce its introduced in the SERS application. Finally, the future research direction of the material prospect.

关键字：金属纳米壳有序阵列大孔结构SERS

Key word metal nanoshells ; rdered arrays ; macroporous nanostructure ; photonic crystal

1.拉曼光谱学简介

1.1拉曼光谱的发展历程

光散射是自然界中一种常见的自然现象。1928年,印度物理学家Raman在用水银灯照射苯液体研究苯的光散射时发现,散射光中除了与入射光相同频率的光以外,还存在与入射光频率不同的光且其强度极弱[1]。前者是已知的瑞利散射光,称为瑞利(Rayleigh)效应,而后者是新发现的散射光,这种散射光与入射光频率不同的现象为拉曼散射效应,拉曼散射效应是光子与散射物质的分子之间发生非弹性碰撞,使得入射光子的能量和动量发生改变,引起的散射光子中携带有散射物质分子结构的信息,主要是分子振动和转动信息,因此利用拉曼光谱可以获取物质分子结构中的信息。

1.2 SERS

1.2.1 SERS的诞生

常规Raman的致命问题在于强度很低。对此一般的解决方案有二：其一，增加入射激发光强，其二，调谐入射光频至散射体的共振吸收带上，利用共振时的强烈吸收。这两点预示了SERS的诞生。早期拉曼光谱研究主要集中于寻找更好的激励光源"人们发现了不同元素的光源，例如氦、秘、铅、锌等。但是由于这些光源强度较弱,都不令人满意[2]。英国科学家Fleischmann等研究人员[3]首次于1974年在粗糙银电极表面上观察到单层吡啶分子的强拉曼散射信号，当时他并没有意识到这是一种新的物理现象。Van Duyne[4]等用理论及实验证明了这种现象是一种表面增强效应之后，很多研究者开始研究表面增强拉曼光谱(Surface Enhanced Raman Spectroscopy,简称SERS)。研究发现除电化学粗糙的银电极表面具有拉曼增强效应以外，其他方法制出的粗糙银表面及其他金属胶体表面也观测出了相当强的SERS增强效应。此后，SERS在材料科学、表面科学和生物科等各个领域中得到了广泛的应用。

1.2.2 SERS 的增强机理

关于SERS的增强机理目前并不是十分明确。研究者们提出了许多可能的模

型来解释SERS的增强机理，其中包括物理增强和化学增强模型。物理增强模型认为金属表面的局域电场增强而产生SERS效应；化学增强则认为SERS效应是源于分子极化率的改变。每两种增强机理的模型都可以解释部分实验事实，但同时又会与其他一些实验结果有矛盾。而今最常见的看法就是这两种增强机理对SERS是同时起作用的，只是它们对SERS效应的产生的相对影响视实验的体系不同而不同。

1.3SERS基底

分子所吸附基底的表面形态是SERS效应能否发生和SERS信号强弱的重要因素。因此SERS基底的制备一直是领域的研究热点。性能优良的基底应具备制备简单、使用方便、增强因子高和重复性好等特点。

2.纳米材料简介

2.1纳米材料概述

纳米材料是近年来化学物理学科的前沿研究领域,也是材料学科中重要的研究领域；在各种纳米材料中,贵金属纳米材料是纳米科技领域中最富活力的学科分支之一,其独特的物理化学性能,被广泛地应用于集成电路、信息传感、催化、医用生物、新能源等其它领域；随着纳米材料制备方法的日益成熟,可以获得各种形貌尺寸的纳米粒子,其应用范围将更为广泛。

纳米材料是指晶粒尺寸在纳米级的超细材料,它的微粒尺寸一般为1~100nm.纳米材料按其结构形态可以分为四种:

零维纳米材料:主要是纳米颗粒、原子簇等；

一维纳米材料:一维方向上是纳米级,如纳米丝;

二维纳米材料:在二维空间方向上处于纳米量级上,如纳米管、量子线等;

三维纳米材料:在空间三维方向上均为纳米尺度,如纳米晶体材料及超晶格。

2.2发展概述

80年代中期,德国科学家H.Gleiter及其合作者首次制得纳米块体材料并对其各种物性进行了系统的研究,从此纳米材料作为一种具有全新结构的材料引起了广泛的关注,形成了纳米材料学科。

1990年以前,人们的研究视野仅局限于单一材料,人们通过尝试各种手段制备纳米颗粒,探索纳米材料颗粒不同于常规材料的特殊性能。

1990年到1994年,人们关注的焦点转为制备纳米复合材料,寻找纳米结构独特的物理化学特性。

1994年至今,纳米科学技术研究的新热点是纳米组装体系和人工组装合成的纳米结构。这种体系是以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单位,在二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系,纳米颗粒、纳米丝和纳米管可以有序或是