（无机化学专业论文）纳米金属胶体的制备及其sers活性研究.pdf

华东师范大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名：趣 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 学位论文储躲孝菇磋导师躲景 华东师范大学硕士学位论文 摘要 表面增强拉曼散射( s u r f a c ee 1 1 l l a n c 酣r 锄a i ls c a 仕e 血g ) 是一种异常的表面 光学现象，可以将吸附分子的拉曼信号放大百万倍。近年来，由于表面增强拉曼 光谱具有较高的灵敏度，能检测吸附在金属表面的单分子层和亚单分子层的分 子，并能给出丰富的表面分子结构信息，因此，己被广泛应用于化学、生物、表 面科学以及定性和定量分析等科学和技术领域，而且随着研究的深入，更逐渐发 展为新兴的单分子科学研究手段之一。合适的基底是获得良好的表面增强效果的 前提。其中，金属溶胶以其成本低廉、制备简单、增强效果好而被广泛使用。本 论文主要进行了与上述相关的研究探讨工作，包括三个部分： 1 、考察了利用液相化学还原法制备银胶时还原剂种类、用量和保护剂对粒 径分布的影响，并利用透射电子显微镜( t e m ) 、紫外可见分光光度计，对胶体 粒子的粒径、分布及形态进行了观测，表明这些胶体为粒径介于1 l o om 、形 状为球形( 少数为棒形) 的纳米体系，并以结晶紫和吡啶作为探针分子研究了制 备的纳米粒子的表面增强拉曼光谱( s e r s ) ，得到了s e r s 活性较好的基底。 2 、选用硝酸与盐酸两种酸，研究了结晶紫的s e r s 信号随酸度变化的趋势， 发现两种酸的作用效果基本一致，但在盐酸存在的条件下，结晶紫的s e r s 信号 更强；进一步在盐酸存在的条件下探讨了结晶紫的检测极限，并对其吸附机理进 行了探讨。 3 、以结晶紫为标记分子，与银纳米粒子生成具有s e r s 信号的标记银溶胶。 在一定条件下，标记银溶胶与抗体羊抗小鼠i g g 形成s e r s 标记免疫银溶胶。用组 装银纳米粒子的玻璃表面吸附抗体，通过对相应抗原小鼠i g g 的识别，形成固相 抗体抗原对，再将s e r s 标记免疫银溶胶组装到固相抗体抗原上，形成“固相抗 体一待测抗原一标记抗体( 即标记免疫银溶胶) 夹心复合物，进而通过拉曼标 记分子的s e r s 信号进行免疫检测。 关键词：表面增强拉曼散射，银纳米粒子，结晶紫，免疫检测 4 华东师范大学硕士学位论文 a bs t r a c t s u 疵c e - e n h 锄c e dr 锄觚s 础嘶n g ( s e r s )i s a 嘶q u e 姘- a c e0 p t i c a l p h e i l o m e n o nf o r 廿1 a tr 锄觚s i 朗a l so fm em o l e c u l e sa d s o r b e do ns o m em e t a l 刚a c e c a i lb ee 1 1 1 l a i l c e d b yt h ef 籼0 ro fs e v e r a lm i l l i o n s s u r f a c e - e 1 1 l l c 酣r 锄a i l s p e c 仃o s c 0 p ys h o w sl l i g l ls e i l s i t i v 时f o rd e t e c ；t i n gm em o l e c u l e sa d s o r b e do nt 1 1 c s u r f a c eo ft h em e t a l si ns u b 一锄dm o n o m o l e c u l a rl a y e r s ，a n dp r e s e l l t sp l t i 向ls u r f a c e i n f o m a t i o no ft l l em o l e c u l a rs t n j c t i l r c t h e r e f o r e ，t 1 1 es p e c t r o s c o p yh a l sb e e l l 晰d e l y u s e di ns o m es c i e n t m ca n dt e c b 血c a lf i e l d si nr e c 锄ty e a r s ，s u c ha l sc h 锄i s 缸mb i o l o 鼢 s u r f a c es c i e i l c e ，q u a l i t a t i v ea 1 1 dq u a n t i t a t i v e 锄a l y s i s ，e t c w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h e r e s e a r c h ，s e r si s 伊a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h er e s e 鲫c hm e t h o d sf o rm er i s i n g m o n o m o l e c u l a rs c i e n c e t h e 印p r o p r i a t es u b s t r a t ei st h ep r e m i s e st oo b t a i nf a v o ra _ b l e s u r f a c ee 1 1 l a n c e m e n t m e t a lc o l l o i d sa r ew i d e l yu s e d 嬲s u b s t r a t e sf o r 廿l e i rl o wc o s t ， s i m p l ep r e p a r a t i o na 1 1 df a 、，o r a b l ee n h a n c e i l l e n t i i l 恤st h e s i s ，w ed e v e l o pas e e so f c o r r e l a t i v er e s e a r c ha i l di ti sf o l l o w i i 培弱： 1 1 1 1 n u e n c eo fv 撕啊o f 似l u c e ra g e n t s 、d o s a g ea n d p r o t e c t i n ga g 饥to nt l l es i z e 锄dd i s 劬u t i o no fc o l l o i d a ls i l v e rp a n i c l e sw e r ci n v e s t i g a t e d 1 1 1 e i lt h es i z e 锄d d i s t r i b u t i o no f 廿1 es i l v e rp a n i c l e sw e r ed e t e 衄i n e db yu v 二v i ss p e c 仃d s c o p ya n dt e m ， m er e s u l t si n d i c a t et h a tt 1 1 es i z eo fc o l l o i d a ls i l v e rp a n i c l e sw 勰b e 咐e e i l10 ma n d 10 0 n m ，t h ef i g u r eo fc o l l o i d a ls i l v e rp a r t i c l e sw e r e1 0 u n d n e s si n c l u d i n gaf z ；wo f c l u b - s h 印e d b yu s i n gp y r i d i n ea 1 1 dc r y s t a lv i o l e ta st h ep r o b em o l e c u l e s ，s e r s s t u d i e sw e r ep e 墒咖e d ，t h e nw ec a i lg c tc o m p a r a b l ys i m p l e ，e a s ya i l da c i i v es u b s t r a t e i ns u 晌c e e 1 1 h a j l c e dr 锄a ns c a t t 耐n g ( s e r s ) 2 t l l ec h a n g ec 1 埘e n to fr 锄a i ls i 朗a l so fc 拶s t a lv i o l e ta tt h es 印a r a t ea d d i t i o n o fn i t r i ca c i da n dh y d r o c h l o r i ca c i dw a l ss t u d i e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h e e 脏c t so f1 1 i t r i ca c i da n dh y d r o c h l o r i ca c i dw e r ec o n s i s t e n tb ya n dl a 唱e ，w h e r e a sm e r 锄a 1 1s i g n a l so fc r y s t a lv i o l e tw e r eb e t t e rw i mt h ep r e s e n c eo fh y d r o c h l o r i ca c i d f u r t h e m o r e ，t l l ed e t e c t i n gl i m i to fc r y s t a lv i o l e t 锄dt h ea d s o r b i n gm e c h a n i s mo f 5 华东师范大学硕士学位论文 c r y s t a lv i o l e ta 1 1 dc o l l o i d a ls i l v e rp a r t i c l e sw e r es t l l d i e da sh y d r o c l l l o r i ca c i dw 2 l si i l e x i s t e n c e 3 s i l v e rc o l l o i d sw e r el a b e l e dw i mr 锄a i lr 印o r t e rm 0 1 e c u l e ss u c ha sc r y s t a l v i o l e tt of o ms f a c e _ e i l l 瑚c e dr 锄a ns c a t t 耐n g ( s e r s ) 哪r t e r - l a b e l e ds i l v e r c o l l o i d s f i r s t l y ，锄t i b o d yg o a ta n t i - r a tw 够a d s o r b e do n t om er 印o r t 昏1 a b e l e ds i l v e r c 0 l l o i d st 0f o 册r e p o r t * l a b e l e di 衄蚰o s i l v e rc o l l o i d si l l 印p r o 埘a t ec o n d i t i o n s e c 0 n d l y ，t l l e 哲a s ss l i d ew i l i c hw a s 祁s e m b l c ds i l v e rn 锄o p a n i c l e sw 船c o a t e dw i t l l 锄曲o d ya j l ds e l e c t i v e l ya d s o r b e da i l t i g 饥r a ti g gt of o 咖锄曲o d y - a n t i g e l lc o u p l e ， a n dm es e r sr 印o r t * l a b e l e di m m u n o s i l v e rc o l l o i d sw e r em o d i 丘e do n t 0m e c o u p l e i na 哲a s ss l i d ew i ms i l v e rn 锄o p a n i c l e sa d s o r b i n 岔锄t i b o d y 孤t i g e i l r e p o r t e r 1 a b e l e d i n l m u n o s i l v 盯 c o l l o i d s ”t 0f o n n s a i l d 谢c h t y p ec o m p l e xt h r o u 咖 t l l e s p e c i 6 c a d s o 叩t i o nb e t 、e e na i l t i b o d y 孤da 1 1 t i g e l l t h es e l e c t i v ei r l t e r a c t i o nb e 帆e e na n t i b o d y a n d a n t i g e nc 锄b er e a do u tb yt l l el a b e l i n gm o l e 伽l e s k e y w o r d s ： s u m c e - e 1 1 1 l a n c e dr 锄a i ls c a t t 甜n 吕s i l v e rn 锄叩a n i c l e ，c q s t a lv i o l c t l m m u n o a s s a y 6 华东师范大学硕士学位论文 1 1 拉曼散射概述 第一章绪论 1 9 2 3 年，德国物理学家a s m e k a l 首先从理论上预言了光的非弹性散射【l 】， 1 9 2 8 年，印度物理学家c v r 锄a n 在研究液体苯的散射光谱时，从实验上发 现了这种散射，称为拉曼散射【2 1 。1 9 3 4 年，p l a c z c k 系统地提出了拉曼效应的基 本理论并揭示了拉曼光谱的发展前景【3 】。随后，以拉曼效应为基础，建立了拉曼 光谱分析法。然而，原始的拉曼光谱以汞弧灯为光源，用常规摄谱仪做色散系统， 出现的谱线极其微弱，限制了拉曼光谱的发展，拉曼光谱的发展陷入了低谷。直 到六十年代，激光问世，激光成为拉曼光谱的激发光源，拉曼光谱的弱点( 主要 是拉曼效应太弱) 被攻克，使拉曼光谱技术有了很大发展，拉曼光谱分析法得到 了飞速的发展。随后相继出现了一些新的拉曼光谱技术分析法。例如1 9 7 4 年 f l e i s c l l n l a n 等人首次在电化学池中观测到吸附在粗糙银电极表面上的单层吡啶 分子的强拉曼散射信号【4 1 。1 9 7 7 年j e a m a i r e ，、，狮d u ) 1 l e 等人证明在f 1 e i s c h m a n 等人的实验中平均每个吡啶分子的拉曼信号增强了1 0 6 倍【5 1 ，这就是所谓的表面 增强拉曼散射效应( s u 血c e e i l l l a n c e dr 锄觚s c 矾r e i n g ) ，简称s i 汪s 。这种表 面增强现象不仅给电化学家带来了希望，而且把固体物理、理论物理、光学、界 面以及催化等方面的工作者也吸引过来。因为激光拉曼光谱所测量的是散射物质 的拉曼频移( 入射光与散射光的频率差) ，表征物质分子转动和振动能级特性， 所以通过物质的拉曼光谱分析可以从分子结构上了解物质的构成、特性及其变化 规律。又由于s e r s 具有很高的灵敏度，能够检测到吸附在金属表面的单分子层 和亚分子层的分子，已经同渐成为分子振动和分子结构鉴定的有利工具，在无机 化学、分析化学、生物化学和环境科学等领域得到了广泛的应用。 1 1 1 拉曼散射原理【锄l 华东师范大学硕士学位论文 电磁波与物质相互作用时会发生吸收、反射、散射等过程。其中散射光包括 弹性散射和非弹性散射两种，前者是频率不变的散射，也就是我们常说的瑞利散 射；后者是频率发生改变的散射，包括拉曼散射和布里渊散射。在这里，我们将 简单介绍一下拉曼散射。 1 9 2 8 年印度物理学家c v r 锄肌等研究人员发现了一种非弹性散射。当一 束频率为v o 的光照射到物质上时，大部分的光子被吸收或透射，但还有少量入射 光子与物质分子发生碰撞后向各个方向散射，形成了散射光。如果这一碰撞不发 生能量交换，则该散射为弹性散射，此时，散射光的频率跟入射光的频率完全相 同，这种散射称为瑞利散射。另外在全部散射光中，还有极少部分的光子与分子 发生了能量交换，这种散射称为非弹性散射，此时，散射光的频率不再等于入射 光的频率，而是对称地分布在瑞利散射光的两侧，强度远弱于瑞利散射光，这些 散射光就称为拉曼散射( 如图l 所示) 。量子理论的基本观点是把拉曼散射看作 是光量子与分子相互碰撞时产生的非弹性碰撞过程。在非弹性碰撞过程中光量子 与分子有能量交换，光量子转移一部分能量给散射分子，或者从散射分子中吸收 一部分能量，从而使它的频率发生改变。散射频率比瑞利散射光的频率小的称为 斯托克斯光，频率比瑞利散射光的频率大的称为反斯托克斯光。 第一屯子激发态 j j l 受j 受撒虚态 j l h ( 、憎一v ) - h v h v h v h ( v + d h v h y d 1r r 振5 1 1r1r t 。 斯托克斯线 端利线 反斯托克斯线 图1 拉曼散射跃迁图 华东师范大学硕士学位论文 如果以v 表示斯托克斯光的频率，v + 表示反斯托克斯光的频率，v 表示拉 曼频移，则斯托克斯光的频率v 为： 屹= 一y 反斯托克斯的频率v + 为： = + y 拉曼频移则为： y = 一= 一屹= ( e 一已) i i l 其中e n 和e m 分别是分子的两个高低振动能级的能量，即光量子给予或取自散射分 子的能量只能是分子两定态之间的差值。 但是事实上，并不是所有物质的分子都能够产生拉曼散射，只有当分子中存 在能使极化率发生变化的振动，才能在激发光作用下产生变化的诱导偶极矩，引 起拉曼散射。经典理论认为，拉曼散射是入射光的电磁场激发散射物质的原子或 分子，产生诱导偶极矩而导致极化，极化的原子和分子发射散射光。当极化率随 着原子或分子的转动或振动而变化时，产生的散射便是拉曼散射。 图2 形象地给出了拉曼散射效应的原理简图，这里将分子近似看成弹簧简谐： r 矗盯嘈n 摹c t t a r i 旧 r y i ；曲 i c a t t 8 r 衍g 图2 拉曼散射效应简图 设入射单色光频率为v o ，其电矢量大小为： e = 毛c o s 2 万f( 1 ) 在此电场作用下分子产生极化，正负电荷中心发生分离，形成诱导电偶极矩p ： 1 0 华东师范大学硕士学位论文 ，= 口岂 ( 2 ) 其中口称为分子极化率，与分子性质( 构型) 有关。如果分子是各向同性的， 则口是个标量，如果分子是各向异性的，则口是张量。考虑分子做一维简谐振动： q = q o c o s 2 砜f( 3 ) 式中q 为简正坐标，相当于振动位移坐标；q 为平衡位置时的简正坐标；y 为 分子振动频率。如果极化率随着分子的振动而改变，在小振幅时极化率口可用幂 级数展开 口= + 老卜高次项 为分子平衡位置时的极化率；( a 口a q ) 。为在平衡位置时极化率随简正坐标的 变化。由于高次项相当于倍频及组频，强度很小，可以忽略。 将( 1 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 式代入( 2 ) 式可得： 尸= 磊c o s 2 万吖+ 告( a 叫a q ) 。q o c o s 2 万( + ) f + c o s 2 万( 一) f ( 5 ) 从上式可知，只要存在频率为的入射光，就会产生变化的诱导偶极矩p 。 按照经典电磁理论，这种振动偶极子必然辐射电磁波： ( 1 ) 若分子极化率不随振动变化，即a 口a q = o ，则只辐射频率为的电 磁波，p = 毛c o s 2 万f ，即为瑞利散射； ( 2 ) 若a 口a q o ，则除瑞利散射外，还有频率为y = 的散射光， 卢去岛q ( a 口a q ) 。 c 0 s2 万( ) 刁，即拉曼散射，其中+ 相当于反斯托 克斯线，而一相当于斯托克斯线。 因此，只有当分子中存在能使极化率变化的振动，在激发光作用下才能产生 变化的诱导偶极矩，引起拉曼散射。 1 1 2 拉曼光谱仪 拉曼光谱仪收集和检测与入射光成直角的散射光。由于散射光的强度非常 低，因此拉曼光谱的应用和发展受到很大限制。2 0 世纪6 0 年代激光器广泛使用， 华东师范大学硕上学位论文 拉曼光谱仪以激光为光源，光的单色性和强度都大大提高，拉曼散射仪的信号强 度因而大大提高，拉曼光谱技术得到迅速发展。 由于散射效率很低，所以使用激光作为光源，激光激发波长从近红外 ( 1 0 0 0 m ) 到近紫外( 2 0 0 h l m ) 。激光通过滤波片和聚焦镜投射到样品上，然后 向各个方向散射。散射光包括瑞利散射( 弹性散射) 和拉曼散射( 非弹性散射) 。 弹性散射强度比拉曼散射高出1 0 3 倍以上，所以样品池和收集拉曼散射光的光学 系统与单色仪的安排要合理，以便尽可能多的散射光进入到单色仪。摄谱仪( 或 单色仪) 的相对孔径要大、色散率要好，以消除弹性散射以及各种杂散光对信号 的干扰。为提高分辨率，可采用双联和三联光栅，激发波长在可见和近红外区的 拉曼光谱仪还可采用全息滤波裂1 0 1 。 一般在与入射光成9 0 0 的方向上接收散射光，检测器可采用单通道光电倍增 管、多通道的二级管阵列、电感耦合器件( c c d ) 或液氮冷却的c c d 相机等。 本论文采用j o b i ny 旧nl a b r 锄显微拉曼光谱仪。显微拉曼实验在室温下进 行，采用背散射配置，激发光源为氦氖5 1 4 5n m 激光线，用c c d 探测器列阵进 行信号采集。 1 1 3 拉曼光谱的优点 分子光谱学在科学研究中占有重要位置，现有的分子结构等分子信息大多是 从分子光谱学中获得的。拉曼光谱属于分子振动和转动光谱范畴。拉曼光谱与红 外光谱联合使用，在物理、化学、材料科学、生命科学等诸领域有重要的应用价 值【1 0 】。拉曼光谱技术在应用中具有红外光谱等不具备的优越性，主要表现为： ( 1 ) 拉曼光谱的频率位移y 不受单色光源频率的限制。单色光源的频率可 以根据样品的不同特点而有所选择。红外光谱的光源则不能任意调换。 ( 2 ) 激光的方向性强，光束发散角小，可聚焦在很小的面积上对极微量的 样品进行测定。另外，用激光为激发光源，其单色性好，因而拉曼光谱谱带比红 外光谱的谱带更尖锐，分辨性好。拉曼光谱使用的激光光源性质使其相当易于探 测微量样品，如表面、薄膜、粉末、溶液、气体和许多其他类型的样品。 ( 3 ) 用拉曼光谱进行光谱分析时，水是有用的溶剂，而对红外光谱水是差 华东师范大学硕上学位论文 的溶剂。拉曼光谱测量所用器件和样品池材料可以由玻璃或石英制成，而红外光 谱测量需要用盐材料( 如k b r ) 。 ( 4 ) 单独一台拉曼光谱仪，就可覆盖整个振动频率范围。而在用傅里叶红 外系统时，为了覆盖这个范围就必须改变检测器或光束劈裂器，用传统的红外光 谱仪测量必须使用两台以上仪器才能覆盖这一区域。 ( 5 ) 拉曼活性的谱带是基团极化率随简正振动改变的关系，而红外活性的 谱带则是基团偶极矩随简正振动改变的关系，拉曼谱带中包含的倍频及组频谱带 比红外光谱中的要少。拉曼光谱往往仅出现基频谱带，谱带清楚，分析起来要比 红外光谱更简单。 另外，使用高功率脉冲激光器对受激拉曼散射和超拉曼散射效应等非线性现 象的研究可大大增加人们对物质固态和液态结构方面的认识。 1 1 4 拉曼散射的应用 ( 1 ) 分子结构的研究 拉曼光谱是一种测量分子振动的光谱技术，其拉曼频移的产生基于分子的振 动。拉曼频移与分子的振动能级相对应，而不同的振动能级起源于不同方式的振 动。化合物中的结构基团都有其特征的振动频率，据此，可以直接鉴定化合物的 结构基团，判断化学键的性质及其变化。 ( 2 ) 定量分析中的应用 依据拉曼谱线的强度与入射光的强度和样品分子的浓度的正比例关系，可以 利用拉曼谱线来进行定量分析。在与激光入射方向的垂直方向上，由收集透射收 集到的拉曼散射的光通量r 为i 一兀la n l k s i n 2 ( 0 2 ) ，式中，m l 为入射到 样品上的激光通量，a 为拉曼散射系数，n 为分子浓度，l 为样品的有效体积， k 为由折射率及样品内场效应等引起的影响系数，e 为拉曼光束在收集方向上的 张角。 1 2 表面增强拉曼光谱概述 华东师范大学硕士学位论文 1 2 1 表面增强拉曼散射现象的发现 1 9 7 4 年英国科学家f 1 e i i i l a n n 等研究人员【l l 】首先发现了具有很大增强的拉曼 散射现象。他的本意是想将所使用的银电极经过电位多次氧化还原处理以后， 使其表面粗糙程度加大以增加其表面积，希望通过该手段来增加表面被吸附分子 的数目，以获得较强的拉曼信号强度。结果他们意外地发现：吸附在银电极表面 吡啶分子的拉曼散射信号强度大大地增强了。但是他并没有意识到这是一种新的 现象，而是简单地将所观察到的现象归因于较大的吸附表面导致的吸附分子数目 的增加。直到1 9 7 7 年，j e a n m a i r e 和c r e u 曲t o n 【1 3 1 等人分别独立地研究了 f l e i m 撇等人的实验，得到了相同的结果。经过分析后他们认为，仅靠简单地增 大电极表面不足以解释所观测到的增强程度，认定这是一种新的现象，并把它归 结为一全新的表面光化学效应一表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a l l c e dr 锄a n s c a t t 甜n g ) ，简称s e r s 。 所谓表面增强拉曼散射效应，是指当一些分子吸附到经特殊处理或制备的粗 糙金属或胶体表面( 如金、银、铜) 时，它们的拉曼光谱强度会增加1 0 4 1 0 6 倍。近年来，有人报道观察到单个分子的s e r s 【1 4 】，1 其增强可达到1 0 1 3 数量级。 1 2 2 表面增强拉曼散射的特点 自从1 9 7 4 年表面增强拉曼散射被发现以来，引起了世界上科学家的极大兴 趣。现在，人们对s e r s 已有一定的认识，并在某些方面取得了共谢1 5 1 6 】。 ( 1 ) s e r s 具有表面选择性。实验表明，大多数物质分子都能产生s e r s ， 但是只有在少数金属表面上才能出现s e r s 。一般认为，吸附金属金、银、铜和 碱金属锉、钠、钾表面上的分子能观察到s e r s 【17 1 。另外，过渡金属中的f e 、 c o 、 n i 【1 8 】等也能产生s e r s 效应。 ( 2 ) 具有s e r s 效应的金属表面要有一定的亚微观和微观的粗糙度。前者 为纳米级( 1 0 1 0 0 n m ) ，后者对应原子尺度( 吸附原子和原子簇) 。对于不同的 金属，对应于最大增强因子的表面粗糙度是不同的，如银表面平均粗糙度达到 1 0 0 0 a 时，在可见光范围具有最大的增强因子【1 9 】，铜在粗糙度为5 0 0 a 左右时， 1 4 华东师范大学硕上学位论文 在红光范围具有最好的增强效果【2 0 1 。 ( 3 ) s e r s 谱带实际上是由s e r s 谱带与一强的连续背景的叠加。此背景从 瑞利线开始一直延伸到4 0 0 0 c i t l 。1 处。这个强的背景被认为起源于荧光。 ( 4 ) 拉曼跃迁的选择定律在s e r s 中被放宽了，有时仅为红外活性的模式 或非红外和非拉曼活性的模式也能出现在s e r s 光谱中。 ( 5 ) 分子的不同的振动模式的增强因子不同，并有不同的激发曲线( 指增 强信号极大值与激发频率的曲线关系) 。在电化学中增强因子和激发曲线均和施 加的电势有关，因而随着电极电势的变化，s e r s 信号的频率和强度均有变化。 1 2 3 表面增强拉曼散射的机理 自从1 9 7 4 年s e r s 现象被发现以来，其产生的机理问题一直是s e r s 研究 中的基本问题，直到现在还没有完全解决。早在1 9 7 7 年s e r s 概念提出之初， d u y n e 【3 0 】和c r e i 出o n 【3 1 1 都初步预言了s e r s 机理问题。v r 肌d u y n e 等提出了 电磁场增强机理。c r e i 曲t o n 等推测“被吸附的吡啶分子在光谱上巨大的增强是 由表面效应引起的，表面效应大大的提高了分子的拉曼散射截面”。这种增强的 原因是“吸附在粗糙金属表面的分子的电子能级加宽从而通过和表面等离子体相 互作用诱导出吸附在金属表面的分子的共振拉曼散射”【2 0 1 。为了弄清s e r s 产生 的机理，人们不仅发展了众多的实验体系，而且建立了各种理论模型。这些模型 主要分为两大类：物理增强( 电磁增强) 和化学增强( 非电磁增强) 。现在，人们 一般认为s e r s 现象是物理增强和化学增强共同作用的结果，即主要有粗糙金属 表面的局域电磁场的增强和电荷转移等引起的化学增强的共同贡献。 物理增强机制 电磁场增强认为具有一定粗糙度的金属基底在入射光的作用下，可以在金属 表面产生一个放大的局域电磁场，当分子恰好吸附在这个放大的电磁场中时，拉 曼散射信号也相应的被放大了。关于电磁场增强，建立了很多模型。 表面镜象场模型【2 l 】 表面镜象场模型是提出得比较早的电磁增强类模型之一。该模型认为表面上 的分子在入射电场的作用下产生偶极子。这个偶极子使金属产生一个像偶极子。 华东师范大学硕士学位论文 金属中的像偶极子反过来加强分子偶极子的偶极矩，如此反馈可产生增强现象。 增强因子s = g l l 一鲰4 尺2 l 胆 其中y = ( 一巳) ( + q ) 已，是金属的介电常数，是吸附分子的介 电常数，是分子正常拉曼散射的极化率，r 是分子到金属表面的距离，g 是 几何因子。当金属表面平坦时，g = 1 0 。 表面等离子共振 表面等离子共振是另外一种电磁场增强模型，已为广大的s e r s 研究者所接 受【2 2 1 。良导体表面有自由活动的电子可以形象的看作电子气，电子气的集体激 发称作等离子体。如果激发只局限在表面区域，就叫做表面等离子体。表面等离 子体激发极大的提高了局域电场，使入射光和拉曼散射光的电场都得到了放大。 它的作用相当于天线，放大了散射光的强度，总的增强近似和e 4 成比例。因而 局域电场较小增加就能引起拉曼散射很大的增强。 总之，电磁增强机理有很多模型，它们都认为s e r s 起因于金属表面局域电 场的增强。由于电磁增强能够解释很多实验结果，s e r s 的电磁场增强机理己得 到了广泛的承认。 化学增强机制 s e r s 的电磁场增强机理能够对大部分实验现象进行解释，但是还有一些实 验结果不能解释。如： ( 1 ) 电磁机理对分子应是无选择性的，对所有吸附于特定表面上的分子应 有相同的贡献。而拉曼散射截面几乎相同的c o 和n 2 在相同的实验条件下增强 因子相差2 0 0 倍，即使考虑到取向上差别，谱峰强度的差异也不应有如此之大【2 3 1 。 ( 2 ) 第二个证据是在电化学实验中电势的影响。如果固定激光频率而改变 电势或固定电势而改变激光频率，就能观察到宽的共振现象【2 3 f 1 3 1 。 ( 3 ) 许多实验事实表明，化学吸附与s e r s 效应是密切相关的。如吡啶分 子在基底表面覆盖度低时，以其二轨道物理吸附到基底上，只有当覆盖度达到一 定的程度，毗陡开始通过其n 原子上的孤对电子化学吸附到基底上才开始观察 到s e r s 现射2 4 ，2 5 1 。当几个单分子层连续吸附到基底上时，与金属表面直接相 连的被吸附官能团的增强效应最为强烈【2 6 1 。 1 6 华东师范大学硕士学位论文 ( 4 ) 不是所有的吸附分子都能产生s e r s 效应，只有吸附在基底表面某些 被称为活性点的分子才有强的s e r s 效应【2 。 这些现象用电磁机理难以解释，从而说明还有其它的增强机理起作用，如发 现分子和基底的强烈相互作用形成化学键为出发点的化学增强机理。所提出的化 学增强类型有增原子、电荷迁移增强和表面共振拉曼模型。其中电荷迁移引人注 目，它考虑的是吸附原子一电荷转移络合物模型。当过渡金属离子与配体形成新 的络合物时，会产生新的吸收峰。与此类似，当分子吸附到金属基底表面时，吸 附分子通过化学键的作用和吸附原子之间形成了一些特殊的表面化合物，从而产 生激发态，形成新的吸收峰。通过选择适当的激发波长，可以将电子从金属的费 米能级激发到吸附分子所形成的新的激发态上或从吸附分子新的激发态跃迁到 金属上，从而由于电荷的迁移导致类共振现象的产生。这种类共振现象的结果是 分子的极化率被极大的放大，从而产生拉曼增强散射。化学模型强调的是分子与 金属之间的化学吸附。s e r s 光谱与普通拉曼光谱有明显的区别，可以观察到较 大的频移、峰相对强度的改变或新峰的出现。 1 3 表面增强拉曼光谱的研究进展及应用 近来，在s e r s 研究中人们利用光学显微镜对纳米颗粒的特性及利用纳米颗 粒进行单分子探测和表征研究产生了极大的兴趣。纳米颗粒是尺寸处于原子簇和 宏观物体交界的过渡区域的一类特殊微粒，由纳米颗粒构成的材料( 纳米材料) 具有很多一般体相材料不具有的特异性质【2 8 1 ，因此纳米材料成为材料科学研究 的热点。在s e r s 研究中，一个令人振奋的领域就是利用这种光学显微镜来更好 地理解纳米颗粒的动力学性质和获得单分子的光谱。单分子光谱具有大量的分子 光谱所不具有的特性，如大量分子的光谱是多个相同分子的平均值，而单分子光 谱彻底排除了总体的平均效应，它得到的结果是实际值的几率分布，能提供在总 体平均测量中得不到的信息。单分子光谱在很多领域，如化学、生物学、医学、 药物学和环境科学等具有重大的理论和实践意义【2 9 】。 由于单个分子的拉曼散射面积很小，所以利用正常拉曼光谱技术获得单分子 光谱是不可能的，要得到单分子光谱必须要有极大的s e r s 增强。k n e i p p 小组【驯 华东师范大学硕士学位论文 报道了吸附在银纳米颗粒聚集体上结晶紫分子的单分子光谱。加入少量低浓度的 样品溶液，使样品分子数目小于聚集体的数目，从而在任何一个聚集体上最多只 能有一个样品分子。采用近红外作激发光源使其能有效激发银聚集体的表面等离 子体，但避开染料分子的共振区。在这些条件下，拉曼信号强度随时间变化的统 计分布是泊松分布，这就是说每一次测量情况下s e r s 信号是由单个分子所贡 献。n i e 小组【3 l 】将表面增强共振拉曼散射技术和原子力显微镜结合起来，观察到 了吸附在单个银纳米颗粒表面的分子的单分子光谱。 近年来，随着纳米粒子合成技术的发展，其用于生物标记分子成为研究热点。 如p o n e r 等f 3 2 】将纳米粒子标记与s e r s 相结合应用于多组分免疫检测。徐等【3 3 】 将s e r s 与银染色技术相结合进行免疫标识，利用银纳米粒子的强s e r s 效应， 在免疫金探针与固定于基底的抗体发生免疫识别后进行银染色以获得理想的 s e r s 效应。 1 4 表面增强拉曼光谱研究中活性基底的研究 1 。4 。l 表面增强拉曼光谱研究中活性基底的制备 贵金属胶体是s e r s 活性基底使用最广泛、制备最简便的一类，尤其是金胶、 银胶最为普遍。胶体中的金银纳米粒子可以方便快捷地为s e r s 研究提供较为准 确、丰富的信息。现在人们研究制备纳米粒子的方法主要有以下几种。 1 4 1 1 化学还原法 柠檬酸三钠还原硝酸银【3 4 】、四氯金酸【3 5 】制备灰银胶或酒红色余胶的化学还 原法是制备贵金属溶胶最常用的方法。还原剂也可选用硼氢化钠【3 6 1 ，制得黄色 胶体。用柠檬酸三钠作还原剂要求加热贵金属离子溶液至沸腾，并在沸腾中不断 搅拌下加入还原剂；选用硼氢化钠时，要求贵金属离子溶液在冰水浴中搅拌下加 入还原剂。所得到纳米粒子尺寸分布较广，主要为球形；粒径一般在1 0 1 0 0n m 范围，其等离子体共振峰一般出现在3 9 0 4 0 0i u n 附近。其中，银粒子增强因子 华东师范大学硕士学位论文 高，价格便宜，金粒子粒径可通过加入的量可控，分散性良好并且形貌规则。金 胶和银胶的经典制备虽然比较简单，但由于颗粒尺寸不均匀以及形状的无规则性 而导致较差的稳定性和重现性，使对体系的控制和描述随着分析的深入都变得比 较困难。为此，人们进行了很多改进尝试。 ( 1 ) 金银纳米棒、纳米线 l e e 【川、f r 饥s 【3 5 1 制备的金银胶体形状各异，但大都为球形。理想尺寸的银金 纳米棒和纳米线具有优良的光学特性和电子特性，其内部自由电子的协同振荡而 产生的表面等离子体共振导致粒子表面附近电磁场的极大增强，这种电磁场的表 面增强效应恰恰是s e r s 研究的基础。基于紫外激发还原法和分别以d n a 、碳纳 米倒3 7 】作为模板合成的纳米棒或纳米线，m a n i n 【3 8 1 都用化学还原银盐的方法合成 出了棒状的银纳米粒子。通过以具体研究吸附物在两种形状的纳米粒子上的对比 并指出棒状、线状纳米粒子的s e r s 效应好于l c e 、p r e i l s 方法所制备的球形基底， 这为s e r s 基底及其相关理论、机制方面的深入研究提供了更为丰富的信息。 ( 2 ) 金银复合纳米粒子 鉴于金银纳米粒子的不同特性，一些s e r s 研究者开始制备金银复合纳米粒 子，以期获得更加优良的活性s e r s 基底，为s e r s 及其机理的研究提供丰富、准 确的信息。在制备复合纳米金银的过程中，有将银沉积在金粒上，以得到高均匀 性的银表耐3 9 】；也有为得到高增强的金粒而将a u + 还原在银粒上，银胶颗粒可能 会起到类似种子的作用【矧，还原可得a g 核a u 壳结构。将复合纳米粒子用于s e r s 的研究取得了一定研究成梨4 1 1 。化学还原方法制备金属复合纳米粒子包括两种 情况：一是两种金属离子同时( 一步完成) 还原而生成合金；二是在一种金属核 上沉积生长另一种金属而生成核一壳结构纳米粒子。金银复合粒子一步法的获得 通常以柠檬酸钠为还原剂，在沸腾状态下与氯金酸和硝酸银的混和液反应一定时 间，其最佳s e r s 则经调节混和液中金银离子比例获得【4 2 1 ；两步法沉积制备复合 粒子是依赖金属表面催化原理在种子粒子表面实现的【4 3 1 ，第一步用柠檬酸钠还 原硝酸银或氯金酸制备银或金纳米种子，再用柠檬酸钠还原氯金酸或硝酸银于制 得的银或金粒子种子上，便得到金银复合纳米的活性s e r s 基底。金银复合纳米 粒子的表面比金或银有着更强的表面等离子体吸收从而为较强的s e r s 提供了基 础。 1 9 华东师范大学硕上学位论文 1 4 1 2s e l 塔活性的膜、自组装基底 ( 1 ) 金、银膜 金、银膜是s e r s 研究中较早采用的基底。常用化学还原沉积、真空沉积、 电化学沉积等方法在玻璃、云母和金属等表面形成s e r s 活性的纳米簇、银镜、 岛膜。莫育俊等【删用银镜反应将银吸附于经过处理后的载玻片表面而得到银镜 基底。基本步骤是先配制银氨溶液，然后将处理( 处理方法有用丙酮和水、乙醇 和水) 过的载玻片放入银氨溶液中；接着用葡萄糖水溶液还原，使银离子还原成 银颗粒并吸附于玻片表面，形成银镜；最后取出银镜，用高纯水洗涤后浸泡在高 纯水中待用。根据银镜反应原理在玻璃片上镀一层表面粗糙的银膜，作为s e r s 的吸附基底。这种制备方法相对比较简单、快速，但其可控性不强。无法保证活 性s e r s 基底的有序、均一性，于是人们开始研究有序的结合l b 膜技术的自组 装粒子阵列技术。 ( 2 ) 有序金属纳米粒子自组装阵列 有序金属纳米粒子自组装阵列技术是结合l b 膜技术，以纳米粒子为结构单 元，通过各层次的结构设计结合化学修饰技术，对组成单元间的相互作用加以利 用或对基底进行主动操控，从而构筑具有崭新功能和特性的二维、三维等高级结 构技术。组装体系中的纳米粒子具有粒子尺寸、间距都可控的优点，这为解决传 统方法所遇到的基底结构可控性问题提供了一条途径。n a t a n 小纠4 5 】以自组装膜 作耦联层固定金银纳米粒子，利用固体基底( 如玻璃、石英等) 上自组装修饰有 机硅或高分子薄膜的表面功能团与金银纳米粒子产生强吸附作用，成功组装了金 银纳米粒子的二维陈列。通过制备不同粒径、粒度均匀的、性能稳定的金属溶胶 ( 如金银等) ，发展重现性好、可控性强的各种形状，如线、棒、球状金属纳米粒 子组装技术可制备出各种类型的合适的金属纳米粒子阵列并可修饰到电极上，与 电极结合。 1 4 2 纳米金属胶体的结构和性质研究 本论文中，我们所用的s e r s 活性基底为金属胶体。研究金属胶体方法很多， 2 0 华东师范人学硕士学位论文 主要集中在研究粒子的颗粒尺寸，及粒子的形状和结构等方法。纳米材料尺寸小， 电子被局限在一个微小的纳米空间，电子的输运受到限制，平均自由程短，电子 的局域性和相千性增强。尺寸减小使纳米体系所包含的原子数大为减少，固体特 征的准连续能带消失了，而呈现分裂能级，量子尺寸效应突现，这使得纳米材料 有不同于常规材料的特异的电、光、磁、热等物理性能。同时随着粒径的缩小， 原属于体相原子一部分移居于表面相，使得表面积大大增加。表面原子特别是处 于角、边和台阶上的原子由于配位不饱和，存在悬挂键，对外来原子或分子有强 的化学吸附或进一步产生化学反应。纳米材料的上述特点，要求我们在