（物理化学专业论文）均匀的强表面增强拉曼光谱基底的制备及表征.pdf

摘要 摘要 表面增强拉曼光谱( s e r s ) 技术由于高达单分子的检测灵敏度以及易于获得 全波段的振动光谱等优点正发展成为一种具有广泛应用前景的分析检测手段。但 是s e r s 能否真正发展成为一种重要的具有实际应用意义的分析技术，很大程度 上决定于其数据的重现性和稳定性，其中关键问题是如何获得信号均匀而且 s e r s 活性高的基底。在前人工作的基础上利用a u 纳米粒子在i t o 上化学组装 以获得均匀的s e r s 基底，再结合电化学沉积的方法使金纳米粒子长大从而使粒 子间电磁场产生有效的耦合，使基底的s e r s 得到最大的增强。系统研究了基底 制备条件、基底s e r s 活性的表征和s e r s 成像以及检测灵敏度，取得了以下主 要结果： ( 1 ) 探索了不同粒径的金纳米粒子在修饰上氨基硅烷的i t o 基底上的组装条 件。对于粒径小于3 0n l t l 纳米粒子，控制组装时间小于1 2h 可以得到相当均匀 的基底。粒径为5 0n l n 的会粒子的组装，则要对合成的溶胶浓缩3 倍并控制短的 组装时间( 5 - 7h ) ，而更大粒径的粒子直接组装约2 4h 。 ( 2 ) 系统研究了电化学沉积电位和时间对不同粒经金纳米粒子的基底生长 过程和s e r s 活性地影响。将沉积电位控制在2 0m v 左右可以使得电沉积只发 生在纳米粒子上均匀，而不在i t o 基底成新核。为了监控沉积电位和时间对s e r s 活性地影响，建立了电化学现场紫外可见吸收光谱，并以吡啶为探针分子进行 s e r s 活性表征。发现不同粒径的粒子所获得最佳s e r s 的沉积时间不同，1 2 、 3 0 、5 0 和7 0n l t l 的粒子获得最佳s e r s 信号的沉积时间分别为1 5 、5 、7 和2m i n ， 而且5 0 和7 0n r l l 这两个粒径得到的s e r s 活性最强。 ( 3 ) 由于电沉积的过程中没有其它有机分子的参与，且沉积过程中施加在纳 米粒子表面的负电位可以使纳米粒子表面带负电性的包裹剂脱附，有效避免基底 自身的杂质对低浓度和弱吸附体系检测的干扰。以非共振的联吡啶作为探针对活 性最强的两个体系的检测灵敏度进行表征发现其检测灵敏度都可达到1 0 _ 3m 。 ( 4 ) 通过拉曼成像对四个体系的均匀性进行表征。发现随着组装所用纳米粒 子的粒径增大所得基底的均匀性降低，组装粒子的粒径为1 2n l l l 、3 0n l n 和5 0n m 这几个体系中最强和最弱点的信号相差分别为7 、1 9 和1 6 ，己满足商业化 摘要 2 0 的要求。而粒径为7 0 n m 的这个体系的均匀性稍差，其最强点和最弱点的信 号差大于2 0 。 关键词：表面增强拉曼光谱；电沉积；现场紫外吸收光谱；高灵敏度检测；金 a b s t r a c t a b s t r a c t s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p y ( s e r s ) i sb e c o m i n gap o t e n t i a la n d w i d e l yu s e da n a l y t i c a lt e c h n i q u e ，b e c a u s ei tc a np r o v i d ee x t r e m e l yh i g hd e t e c t i o n s e n s i t i v i t yu pt os i n g l em o l e c u l el e v e la n dv i b r a t i o n a li n f o r m a t i o ns p r e a d i n gt h e w h o l em o l e c u l a rv i b r a t i o ns p e c t r u m h o w e v e r , w h e t h e rs e r sw i l lb ed e v e l o p e di n t o at e c h n i q u ew i t hp r a c t i c a li m p o r t a n c ed e p e n d sv e r ym u c ho nt h es t a b i l i t yo ft h e s u b s t r a t ea n dr e p r o d u c i b i l i t yo ft h ed a t ao b t a i n e d t h ek e yi s s u ei sh o wt oo b t a i n u n i f o r ma n dh i g h l ys e r s a c t i v es u b s t r a t e s t h ep r e s e n tt h e s i se m p l o y e dt h er e p o r t e d m e t h o d ，w h i c hi st oc h e m i c a l l ya s s e m b l ea un a n o p a r t i c l e so ni t os u r f a c e s ，t oo b t a i n u n i f o r ms e r ss u b s t r a t e si nal a r g ea r e a t h e r e a f t e r , w ep r o p o s e dt h ee l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o nm e t h o dt oe n l a r g et h en a n o p a r t i c l e st oi n d u c et h ee f f e c t i v ec o u p l i n go ft h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l do fn e i g h b o r i n gn a n o p a r t i c l e st os i g n i f i c a n t l ye n h a n c et h es e r s a c t i v i t yo ft h es u b s t r a t e s w es y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e dt h ec o n d i t i o nf o rp r e p a r i n g s e r ss u b s t r a t e s ，c h a r a c t e r i z e dt h es e r sa c t i v i t ya n dd e t e c t i o ns e n s i t i v i t yo ft h e s u b s t r a t e s ，a n du s es e r sm a p p i n gt oc h e c kt h es u b s t r a t eu n i f o r m i t yt h em a i nr e s u l t s a n dc o n c l u s i o n sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 t h ec o n d i t i o nf o ra s s e m b l i n gt h en a n o p a r t i c l ew i t hd i f f e r e n td i a m e t e r so na p t m s m o d i f i e di t os u b s t r a t ew a ss y s t e m a t i c a l l ye x p l o r e d f o ra un a n o p a r t i c l e sw i t h d i a m e t e ra b o u to rs m a l l e rt h a n3 0n l n ，v e r yu n i f o r ms u b s t r a t e sc o u l db eo b t a i n e d b ya s s e m b l i n gf o r12h f o r5 0n mn a n o p a r t i c l e s ，au n i f o r ms u r f a c ec o u l do n l yb e o b t a i n e db yc o n c e n t r a t i n gt h es o ls o l u t i o nf o ra b o u t3t i m e sa n da s s e m b l i n gf o rc a 5 - 7h f o rn a n o p a r t i c l e sw i t he v e nl a r g e rs i z e ，d i r e c ta s s e m b l yi no r i g i n a ls o l s o l u t i o nf o r2 4hc a np r o d u c ear e l a t i v eu n i f o r ms u r f a c e 2 t h ei n f l u e n c eo fe l e c t r o d e p o s i t i o np o t e n t i a la n dt i m eo nt h es e r sa c t i v i t ya n d g r o w i n gp r o c e s s o fa s s e m b l e da u n a n o p a r t i c l e s o fd i f f e r e n ts i z ew a s s y s t e m a t i c a l l yi n v e s t i g a t e d i tw a sf o u n dt h a tf o ra l lt h ei n v e s t i g a t e dn a n o p a r t i c l e s ， t h en a n o p a r t i c l e sc o u l dr e m a i nt h es p h e r i c a ls h a p ed u r i n gt h ee l e c t r o c h e m i c a l g r o w i n gp r o c e s sa n dt h ed e p o s i t i o nw o u l dn o to c c u ro nt h ei t os u r f a c eb y c o n t r o l l i n gt h ed e p o s i t i o np o t e n t i a la t 一2 0m v i ns i t ue l e c t r o c h e m i c a lu v - v i s i i i a b s t r a e t a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y w a sc o n s t r u c t e dt om o n i t o rt h ee l e c t r o c h e m i c a l d e p o s i t i o np o t e n t i a la n dt i m eo nt h es e r sa c t i v i t y 研也p y r i d i n ea sap r o b e m o l e c u l et om o n i t o rt h es e r sa c t i v i t yo ft h es u b s t r a t e i tw a sf o u n dt h a td i f f e r e n t d e p o s i t i o nt i m ew a sr e q u i r e df o rn a n o p a r t i c l e so fd i f f e r e n ts i z e t h eo p t i m a l d e p o s i t i o nt i m e sf o rn a n o p a r t i c l e sw i t ha s i z eo f12 ，3 0 ，5 0a n d7 0n n lw e r e1 5 ，5 ， 7 ，a n d2m i n ，r e s p e c t i v e l y i tw a sf u r t h e rf o u n dt h a tt h es u b s t r a t ep r e p a r e df r o m5 0 a n d7 0n n ln a n o p a r t i c l e ss h o w e dt h eh i g h e s ts e r se n h a n c e m e n t 3 i tw a sf o u n dt h a tt h ec o m b i n e dc h e m i c a la s s e m b l ya n de l e c t r o c h e m i c a ld e p o s i t i o n m e t h o dc a ne f f e c t i v e l ye x c l u d et h ei n t e r f e r e n c eo ft h ei m p u r i t i e so nt h es u b s t r a t e s t os y s t e m sw i t ht h el o wc o n c e n t r a t i o no rw e a ka d s o r p t i o n t h em a i nr e a s o ni st h a t i ti sn o tn e c e s s a r yt ou s eo r g a n i cm o l e c u l e so rc a p p i n gr e a g e n t sa n dt h en e g a t i v e p o t e n t i a la p p l i e do nt h en a n o p a r t i c l es u r f a c ew i l ll e a dt ot h ed e s o r p t i o no fc a p p i n g r e a g e n td u r i n ge l e c t r o d e p o s i t i o np r o c e s s o ns u c hk i n do fc l e a ns u b s t r a t e ，a n o n r e s o n a n tm o l e c u l e ，4 , 4 - b i p y r i d i n ew a su s e da sap r o b em o l e c u l et o d e m o n s t r a t et h ed e t e c t i o ns e n s i t i v i t y o nb o t hs u b s t r a t ep r e p a r e df r o m5 0m a n d 7 0n mn a n o p a r t i c l e s ad e t e c t i o nl i m i to fa sl o wa s10 1 3mw a sa c h i e v e d 4 t h eu n i f o r m i t yo ft h es e r ss u b s t r a t e sw a sc h a r a c t e r i z e db yu s i n gs e r sm a p p i n g i tw a sf o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo ft h ep a r t i c l es i z e ，t h eu n i f o r m i t yo ft h e s u b s t r a t ew a sd e c r e a s i n g t h es i g n a ld e v i a t i o no ft h es t r o n g e s ts i g n a lt ot h e w e a k e s ts i g n a lw a sa b o u t7 ，19 ，a n d16 f o rn a n o p a r t i c l e sw i t has i z eo f12 n n l ，3 0n n l ，a n d5 0n n l ，r e s p e c t i v e l y , w h i c ha r ea l ll e s st h a nt h ea c c e p t a b l ev a l u e o f2 0 f o rac o m m e r c i a l i z e ds e r ss u b s t r a t e h o w e v e r , f o rn a n o p a r t i c l e so f7 0 n m ，t h es i g n a ld e v i a t i o nw a sl a r g e rt h a n2 0 k e yw o r d s ：s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns p e c t r o s c o p y ；e l e c t r o d e p o s i t i o n ；i n s i t uu v a b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ；h i g h l ys e n s i t i v ed e t e c t i o n ；a u 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考其他个人或集体的研究成果，均在文 中以明确的方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权 利和责任。 声明人( 签名) i 篙玉很 _ 一年f 艮 b 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大学有 权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电子版，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。 本学位论文属于 l 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( ) ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：南南孓 2 1 一，一、 心a f i g4 - 4 3t h ei n s i i uu vs p e c t r ao ft h es u b s t r a t ea s s e m b l e dw i t h 7 0r i ma u n a n o p a n i c l e s 组装约7 0 肿的纳米粒予后在片子表面有水膜的情况下控电位- 00 2v 进 行沉积，沉积打后超纯水冲洗，然后放在滤纸上，让水膜在大气下挥发干燥，干 第四章在组装不同粒径会粒子的模板上电沉积制餐s e r s 基底及】均匀性的表征 燥后超纯水冲洗，氮气吹干。移取2 0 此的o 1mn a c l 0 4 + lm mp y 溶液，滴在 制备好的基底上，盖上盖薄片，进行拉曼测试。实验条件：激发光波长是6 3 3n m ， 激光强度是0 2 5m w , 采谱时间ls 。从图4 - 4 4 上可以发现沉积到2m i n 时s e r s 信号最强，因此合适的沉积时间是2r a i n 。 盟 c ： o o 叠 c d _ c r a m a n s h i f t ( c m 1 f i g 4 - 4 4t h es e r so fs u b s t r a t e sa f t e rb e i n ge l e c t r o d e p o s i t e da t o 0 2v f o r d i f f e r e n tt i m e ( a ) 2 5m i n ；( b ) 2m i n ；( c ) l 。5m i n ；( d ) lm i n ；( e ) 0 5m i n 本体系的合适的沉积电位是o 1v 一0 0 2v ，通过拉曼的表征寻找到合适的 沉积时间是2 分钟，但很遗憾的是现场紫外吸收谱不能很好的控制沉积的过程， 因沉积过程中没有出现粒子间耦合的新峰。由于组装的粒子与粒子间的间距很 小，在很短的沉积时间内，就能使基底的活性达到最强且整体上基底的s e r s 活 性很强。同样因沉积时间短，基底的干净程度不如以上所有的体系。 4 5 不同体系的s e r s 活性及均匀性的比较 4 5 1 不同体系的s e r s 活性比较 同种金属的粒子当尺寸不同时，s e r s 的增强能力不同。为了制备活性最强 s e r s 的基底，我们通过组装不同粒径的金纳米粒子来制备基底，图4 5 1 比较 第四章在组装不同粒径金粒子的模板卜电沉积制备s e r s 基底及其均匀性的表征 了组装1 2n m ，3 0a m ，5 0n m 和7 0n m 这四个体系的最理想状态下的s e r s 活性， 从图上可知在r a m a n 实验条件相同时，吡啶在组装1 2n r t l 的基底上的信号是2 5 0 c p s ，在组装3 0a m 的基底上是8 0 0c p s ，而在组装粒径为5 0r i m 和7 0n m 的基底上 均为2 5 0 0c p s 。图4 5 2 是四个体系的最强s e r s 信号强度对组装粒子的粒径作 图。从图4 5 2 上可以发现：随着组装粒子的粒径增大，沉积到最好状态时基底 的s e r s 活性逐渐变强，且组装5 0a m 和7 0n m 这两个体系的s e r s 活性达到最 强，由于组装5 0a m 和7 0n m 这两个体系的s e r s 活性相近，因此最好的组装体 系是粒径为5 0n n l 和7 0n l t l 这两个体系。 8 0 010 0 01 2 0 01 4 0 0 r a ma ns h i f t ( c m 。1 ) f i g 4 5 1c o m p a r i s o no ft h es t r o n g e s ts e r so fs u b s t r a t e s a s s e m b l e dw i t h n a n o p a r t i c l e s o fd i f f e r e n td i a m e t e r s ( a ) 1 2 n m ( b ) 3 0 n m ( c ) 5 0 n m ( e ) 7 0 n m 一西_c300一=co_c一 第h 章扯组皴 例粒柞金牲f 的模扳h n 沉目制备s e r s 筚底j e 均二j 性表征 1 02 03 04 0 5 0 6 07 0 t h ed i a m e t e ro fn a n o p a r t i c l e s l n m f i g4 5 2p l o to f t h ed i a m e t e ro f a un a n o p a r t i c l e sa s s e m b l e do n i t oa g a i n s t t h e s t r o n g e s ts e r ss i g n a l 4 5 2 不同体系的均匀性比较 ? - t ai | l j 0 嘲一y f i g4 5 3r a m a ni m a g eo f t h es u b s t r a t ea s s e m b l e dw i t ha un a n o p a r 【i c l e so f1 2n n l p yi su s e da s3p r o b em o l e c u l e ；p o w e r ：1 0r o w ；a c q u i s i t i o nt i m els ( a ) t h ew h o l e 喜 咖 鼢 咖 垂| 。 一芑：ou苫isc3c i菩ice一 第四章在组装不同粒径套牲7 模扳j 电优积制备s e r s 嬉底厦其均匀性的表征 s e r ss p e c t r af r o ma l lo f t h es p o t s ；( b ) t h es e r ss p a c t r u mf r o mt h es p o tw i t ht h e w o r s ts e r sa c t i v i t y ( c ) t h es e r ss p e c t r u mf r o mt h es p o tw i t hs t r o n g e s ts e r s a c t i v i t y ；( d ) t h es e r sm a p p i n gi m a g eo f t h es u b s t r a t e 帅lb ， ”1jr 。j f 一一一“一一 卜。t 孟i 忑：_ j ，銎嗡 纂潮r 。雾灞黔 9 黛熏： f i 9 4 5 - 4r a m a n i m a g eo f t h es u b s t r a t ea s s e m b l e d w i t h a un m l o p a r t i c l e so f3 0n m w i t hb i p ya sp r o b em o l e c u l e ，p o w e r02 5m w a c q u i s i t i o nt i m els ( a ) t h ew h o l e s e r ss p e c t r a f r o ma l lo f t h es p o t s ：( b ) t h es e r ss p a c t r u m f r o m t h es p o t w i t h t h e w o n ts e r sa c t i v i t y ；( c ) t h es e r ss p e c t r u mf r o mt h es p o tv d t hs t r o n g e s ts e r s a c t i v i t y ( d ) t h es e r s m a p p m g i m a g eo f t h es u b s t r a t e in5； j!女一 第旧卓n i 装f r d 粒 盘粒 的模& r m “w 制蔷s e r s 蕞底j 均匀忡的袭 a6 一| l 1 山- 。l f i g4 5 5r a m a ni m a g eo f t h es u b s t r a t ea s s e m b l e d w i t ha un a n o p a r t i c l e so f 5 0 1 u n b i p yi su s e da sap r o b em o l e c u l e ；p o w e r02 5m w ；a c q u i s i t i o nt i m e ls ( a ) t h e w h o l es e r ss p e c t r af r o ma l lo f t h es p o t s ；( b ) t h es e r ss p a c t r u mf r o mt h es p o t w i t ht h ew o r s ts e r sa c t i v i t y ；( c ) t h es e r ss p e c t r u mf r o mt h es p o tw i t hs t r o n g e s t s e r sa c t i v i t y ( d ) t h es e r s m a p p i n g i m a g eo f t h es u b s a t e 国际上可以商业化的基底的要求是：点与点间的信号差应小于2 0 。为了表 征所制备的基底的均匀性通过拉曼成相表征了基底的均匀性。m a p p i n g 图有网 部分组成：其中a 图是采c 业过程中所有谱图的叠加：b 图是s e r s 信号最弱点处 的s e r s 谱图；c 图是信号最强点处的s e r s 谱图；d 图是拉曼成像的图。图上 备点的颜色明暗代表信号的强弱，颜色越亮处的信号越强相反越暗处的信号越 弱，最亮处和最暗处的信号差与他们信号值的平均值之比是用柬评价基底均匀性 的参数。对币同的体系我们丌展了以下i 作：对组装立的粒径约1 2 i i i i l 的金基底 控电位00 4 v ，沉积1 5 r a i n 后，用吡啶分子做探针分子进行拉曼m a p p i n g 实验 柬检测墓底的均匀性，发现基幢的均匀性很高，结果如图4 5 - 3 所示，最强点和 最弱点的信号相差7 ，组装3 0n n l 的金粒子的基底在控i u 位一00 2v 沉积5r a i n j8ie 第p n q 章在纽装不同粒径金粒了的模板上电沉积制备s e r s 基底及其均匀性的表征 后，以联吡啶为探针分子检测基底的均匀性，发现基底的均匀性比上一体系的要 差很多，结果如图4 5 4 所示，最强点和最弱点的信号相差1 9 ：组装5 0 n m 的 金粒子的这一体系的均匀性表征发现，基底的均匀性更差，结果如图4 5 5 所示， 最强点和最弱点相差2 3 ；组装粒径为7 0 n m 的金粒子基底的均匀性更差，要远 远大于2 0 。可见随着组装粒子的粒径的增大，所制备基底的均匀性降低。可 能的原因是：随着粒径的增大，所制备的溶胶的稳定性降低，组装过程中粒子间 易聚集，在制备的基底上，有纳米粒子团聚的地方的s e r s 信号比整体的信号要 低，因此导致制备的基底的均匀性降低。 从这个小节的结果可知：随着组装的粒子的粒径增大，所制备的基底的s e r s 活性增强，但同时基底的均匀性降低。 本章小结 本章系统的研究了对不同粒径的纳米粒子的组装体系的沉积电位对沉积后 纳米粒子的形状和基底s e r s 活性的影响，寻找到了合适的沉积电位。建立了现 场电化学紫外光谱对电沉积过程进行检测，寻找最佳的沉积时间。主要的结果如 下： 1 组装不同粒径纳米粒子，探索了每种粒径的合适的组装条件，对于小粒 径( 1 2n m 或3 0n m ) 的粒子的溶胶合成后可以直接使用或稀释后使用，粒径为1 2 a m 的粒子可稀释4 倍，3 0n l n 的可稀释2 倍； 2 研究发现对组装不同粒径金粒子的基底的合适沉积电位均在0 0 2v 左右， 还研究了不同电位对纳米粒子形貌的影响，电位对不同的粒径的金粒子的影响相 似，控制电位在0 8 0 1v 间沉积后，粒子形状发生变化，有非球状粒子出现， 控电位在0 1 0 04 v i n 沉积后，粒子保持球形不变； 3 通过现场紫外吸收光谱控制合适的沉积时间，对粒径分别为1 2n l n ，3 0n m ， 5 0n n l 和7 0n l n 的粒子的合适的沉积时间分别是1 5 分钟，5 分钟，7 分钟和2 分钟。 4 对组装的四种粒径的基底进行比较发现随着粒径的增大，所制备的基底 的活性越强，当粒径为5 0n l t l 和7 0n n l 时s e r s 增强最强； 5 对不同体系的均匀性比较发现，随着组装的粒子的粒径变大，所制备的 9 l 第p l j 章在组装不同粒径金粒子的模板上电沉积制备s e r s 基底及其均匀性的表征 基底的均匀性降低。 参考文献 【1 】kk n e i p p ，yw a n g ，hk n e i p p ，ltp e r e l m a n ，il t z k a n ，rrd a s a d ，msf e i d p h y s r e v l e t t 1 9 9 7 ，7 8 ，1 6 6 7 【2 】sn i e ，see m o r y s c i e n c e ，19 9 7 ，2 7 5 ，110 2 3 】xyz h a n g , jz h a o ，avw h i t n e y ，jwe l a m ，rpv a nd u y n e j a m c h e m s o c ，2 0 0 6 ，12 8 ， 1 0 3 0 4 【4 】ra l v a r e z - p u e b l a , bc u i ，jpb r a v o - v a s q u e z , tv e r e s ，hf e n n i r i ，j p h y s c h e m c ，2 0 0 7 ， 1 1 1 ，6 7 2 0 【5 】zyl i ，wmt o n g ，wfs t i c k l e ，dl n e i m a n ，rsw i l l i a m s l a n g m u i r ，2 0 0 7 ，2 3 ，513 5 【6 】mdm a l i n s k y ，klk e l l y ，gcs c h a t z , rpv a nd u y n e ，j p h y s c h e m b ，2 0 01 ，10 5 ，2 3 4 3 【7 】gll i u , lpl e e a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 5 ，8 7 ，0 7 4 1 0 1 【8 】kcg r a b a r ，pcs m i t h ，mdm u s i c k , jad a v i s ，dgw a l t e r , maj a c k s o n ，apg u t h r i e 。mj n a t a n j a m c h e m s o c ，1 9 9 6 ，l1 8 ，l1 4 8 【9 】rm b r i g h t ，dgw a l t e r , mdm u s i c k , maj a c k s o n ，kja l l i s o n ，mjn a t a n l a n g m u i r , 19 9 6 ， 1 2 ，8 1 0 【1 0 】lgo i s o n ，ysl o ，tpb e e b e ，j r , jmh a r r i s a n a l c h e m ，2 0 0 1 ，7 3 ，4 2 6 8 【1 1 】cja d d i s o n ，agb r o l o l a n g m u i r2 0 0 6 ，2 2 ，8 6 9 6 【1 2 】hl i u ，nkf a v i e r , mpz a c h ，rm p e n n e r j e l e c t r o c h i m a c t a ，2 0 0 1 ，4 7 ，6 7 1 【1 3 】hl i u ，rmp e n n e r 。j 。p h y s c h e m b ，2 0 0 0 ，1 0 4 ，9 1 3 1 【1 4 】l yc a o ，pd i a o ，tz h u , zfl i u j p h y s c h e m b ，2 0 0 4 ，1 0 8 ，3 5 3 5 【15 】krb r o w n ，m ijn a t a n l a n g m u i r ，1 9 9 8 ，1 4 ，7 2 6 f 1 6 】rw e s t ，yw a n g , tg o o d s o n1 1 1 j 。p h y s 。c h e m 。b ，2 0 0 3 ，1 0 7 ，3 4 1 9 【1 7 】杨志林，厦门人学博士论文，2 0 0 6 【1 8 】css h i ，ltt i a n ，llw u jz h u j p h y s c h e m c ，2 0 0 7 ，l ll ，1 2 4 3 【1 9 】hsk i m ，sjl e e ，nhk i m ，jk y o o n ，hkp a r k ，kk i m l a n g m u i r , 2 0 0 3 ，1 9 ，6 7 0 1 【2 0 】ycl i ，jz h o u ，kz h a n g ，cqs u n j c h e m p h y s ，2 0 0 7 ，12 6 ，0 9 4 7 0 6 第四章在纽装不同粒衽金粒子的模板上电沉积制各s e r s 基底及j e 均匀性的表征 【21 】yql i a n g ，cgz h e n ，dc z o u ，dsx u j a m c h e m s o e 2 0 0 4 ，1 2 6 ，1 6 3 3 8 【2 2 】yql i a n g ，lz h a i ，xsz h a o ，dsx u j p h y s c h e m b ，2 0 0 5 ，1 0 9 ，71 2 0 。 【2 3 】hg a o ，xbw u , jtl i ，gtw u ，jyl i n ，kw u ，dsx u a p p l p h y s l e t t ，2 0 0 3 ，8 3 ， 3 3 8 9 9 3 第五章基底的检测灵敏度表征 第五章基底的检测灵敏度表征 单分子检测是分析化学中的检测极限。单分子谱学( s i n g l e - m o l e c u l e s p e c t r o s c o p y ) 的提出至今已有十七年的历史，它在基础科学和应用科学方面引 起了人们广泛的兴趣【1 2 】 先前大多数的单分子谱学工作是以激光诱导的荧光信号为基础，这主要是因 为荧光分子在发射过程中，其分子的散射截面高达1 0 1 6 c m 2 。虽然荧光方法效率 高，但它也有一些缺陷3 4 】：如光漂i 刍( p h o t o b l e a c h i n g ) 经常会减少从一个分子得 到的光子的数目。且做荧光光谱分析时常常需要对被测物质进行化学标记后才能 产生荧光。采用拉曼光谱可以很大程度的克服荧光方法的这些问题。但是拉曼散 射过程是一个弱的效应。每个分子的散射截面约为1 0 。o c m 2 ，在适当的共振条件 下，每个分子的散射截面约为1 0 也5 c m 2 。对有如此小散射截面的分子实现单分子 检测很困难。但在1 9 9 7 年，有两个小组( k n e i p p 币t l n i e ) 几乎同时实现了单分子拉曼 光谱检澳t 5 7 】。单分子s e r s 从此引起了人们广泛的兴趣，因为与单分子荧光光 谱相比，单分子s e r s 光谱能给出更丰富的关于的分子的结构和状态的信息。 早在s e r s 发展的初期阶段，人们通过理论计算就已经知道增强因子的大小 不仅与入射光的频率有关还和粒子的大小有关【8 】。n i e d , 组以单个纳米银粒子作 为s e r s 基底【5 ，9 】，发现在1 0 0 1 0 0 0 个化学还原制备的多分散银溶胶粒子中只有 约一个银粒子是光学活性的，称之为热粒子( h o tp a r t i c l e ) ；在热粒子表面 1 0 0 0 个点中只有约一个点有高效率的增强( 分子平均增强因子1 0 1 4 ) ，称之为热 点( h o t s a e ) 。如果排除平均效应，结合共振拉曼技术的实际的增强因子将在 1 0 1 0 ”之间，虽然现在人们对该超高的增强因子还存在疑问。k n e i p p d x 组 【6 7 ，1 0 1l 】研究了目标分子吸附在溶胶聚集体( c o l l o i dc l u s t e r ) 上的s e r s 行为。在 这个条件下，尽管他们使用的近红外激发光源远离分子的共振区，观察到的增强 因子也在1 0 1 4 1 0 1 5 之间。这种极大的增强因子与溶胶中聚集体的存在有关 1 0 11 】。 s h a l a e v 等【1 2 1 4 】估计在溶胶的分形( f r a c t a l ) 聚集体( c l u s t e r ) l - _ 存在一些热的 区域，吸附在这些热区域的分子经历很大的场增强。这为从金属聚集体上观 察到单分子s e r s 现象提供了理论基础。但在总的s e r s 增强中，也有一小部分是 由化学增强所贡献 1 5 】。总之，关于单分子s e r s 的机理还存在争议，完全理 第五章摹底的检测灵敏度表征 解单分子s e r s 机理还需要进一步的研究。 在这些开创性的工作之后，单分子s e r s 被广泛的应用于有实际应用价值的 生物化学和生物物理学方面的限量检测中【1 6 】，如r a s m u s s e n 【1 7 在相应的脱氧 核苷中用s e r s 对其中的d n a 碱基对进行高灵敏的检测。b e l l 【1 8 1 在银的基底上 实现了对单个核苷进行检测，使检测极限达至l j g m 以下。 从单分子s e r s 的发现到现在，大部分的单分子检测都是通过把染料分子或 蛋白质分子吸附在银纳米颗粒的聚集体上实现的 1 9 2 1 。从s e r s 基底的材料来 讲，金纳米颗粒相比银颗粒来讲有很多优点，如金颗粒有很好的生物兼容性，且 金颗粒在相同的条件下比银颗粒稳定，虽然金有很多优势，但自从单分子的发现 到现在，在金纳米粒子表面实现单分子检测的报道很少，仅有结晶紫 2 6 2 7 】和劳 氏紫( t h i o n i n e ) 2 5 1 吸附在金颗粒上实现单分子检测。而且，这几种实现单分子检 测的金基底都是粒子的聚集体，这种基底的均匀性很差，不是理想的s