（凝聚态物理专业论文）银硅纳米孔柱阵列的表面增强拉曼散射效应研究.pdf

郑州大学硕十学位论文 摘要 银硅纳米孔柱阵列的表面增强拉曼散射效应研究 摘要 拉曼光谱可以提供分子特有的“指纹”信息，因此常被用于低浓度生物分子 的探测。但在对于多数情况下，分子的拉曼信号很弱，这严重限制了拉曼技术在 分子测定方面的广泛应用。表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g , s e r s ) 技术不但可以极大地增加分子的拉曼信号强度，同时还能获得关于吸附 分子的大量其他信息，因此有望被广泛的应用于诸多科学领域，尤其是生命科学 领域。s e r s 活性基底的获得是s e r s 技术应用的物质基础，制备具有规则表面 结构的活性基底正成为s e r s 技术研究的热点。 本文以硅纳米孔柱阵y u ( s i n p a ) 为衬底，通过继承其独特的多孔、阵列结构， 分别采用浸渍技术和真空蒸发技术制备了具有规则表面结构的新型s e r s 活性 基底。通过控制制备条件并对比研究其s e r s 增强效果，实现了对a s i n p a 活 性基底制备技术的优化和对低浓度生物小分子腺嘌呤等的有效探测，并对相关的 s e r s 增强机理进行了。结果表明，以s i n p a 为衬底制备的a s i n p a 活性基 底具有增强能力强、稳定性好、可重现性高等优异性能，而且制备工艺简单。因 此，s i - n p a 是制备硅基s e r s 活性基底的理想衬底。 本文的具体研究内容和主要研究结论包括以下几个方面： 1 以s i - n p a 为衬底，采用浸渍沉积技术制备出具有规则阵列结构的s e r s 活性基底a s i n p a ，并对其制备条件进行了优化。通过控制浸渍沉积条件和衬 底s i - n p a 的氧化状态，对比研究了采用不同制备条件获得活性基地的s e r s 增 强效果，得到了最优化的活性基底制备条件，即：使用室温下自然老化一天的 s i n p a 衬底、浸渍液中a 矿的浓度o 0 1m ，浸渍时间5m i n 。此外，针对活性基 底表面吸附杂质的问题，发展了一种使用k c l 溶液对活性基底进行预处理的有 效杂质去除方法。 2 对采用优化条件制备的a g s i - n p a 活性基底的表面结构和s e r s 增强能 力进行了表征，分析了相关的s e r s 增强机制。结果表明，a g s i - n p a 活性基底 中银颗粒具有双重结构，即：由亚微米尺寸的银颗粒组成的环状网络结构和弥散 分布于硅柱表面的银纳米颗粒。对腺嘌呤和若丹明6 g 分子进行s e r s 谱分析揭 郑州人学硕士学位论文摘要 示出，a s i n p a 活性基底对二者具有极强的探测能力，其相应的极限探测浓度 可分别达到1 0 r 6m 和l o 。5m 。根据s e r s 光谱特征，推断出腺嘌呤分子在 a s i n p a 表面吸附的状态，即：主要通过环外碱基和n 7 略有倾斜地垂直吸附 于银表面；而活性基底的s e r s 增强能力则主要来源于银纳米颗粒和亚微米纳 米两个尺度银颗粒之问存在的间隙。在对超低浓度若丹明6 g 分子的s e r s 光谱 研究中，明显观察到了谱色散、强度起伏等单分子光谱特有的非均匀现象，预示 着a g s i n p a 至少对部分生物分子能够实现单分子探测。此外，a s i n p a 活性 基底具有良好的稳定性：即使在室温、大气条件下放置1 3 2 天后，相应a g s i - n p a 的s e r s 光谱强度仅有略有下降，谱的可分辨性保持如初。 3 采用真空蒸发镀膜技术制备了a g s i n p a 活性基底，对比研究了衬底结 构、银膜厚度等参数对s e r s 活性的影响，分析了相关的s e r s 增强机制。结果 表明，在相同银膜厚度下，a g s i - n p a 活性基底对1 0 。4 m 腺嘌呤和1 0 。8 m 若丹明 6 g 的探测能力均远优于a s i 活性基底，而a s i n p a 探测能力的提高归因于 s i n p a 衬底的独特表面形貌和结构。对银膜厚度与基底s e r s 活性的关系进行 的分析表明，a s i n p a 具有最强s e r s 效应时的银膜厚度为2 0n m 。在此厚 度时，真空蒸镀的岛状银膜呈“鳞片”状覆盖在硅柱表面及底部，银岛间存在大 量的间隙，而a g s i - n p a 的s e r s 能力增强则主要来自于这些间隙。而对于以单 晶硅为衬底制备的a s i 活性基底，其具有最强s e r s 增强能力时的银膜厚度为 1 0n m 。在此厚度时，银膜中存在较多的小颗粒，其s e r s 能力增强主要来自于 这些小颗粒的增强效应。随着厚度的增加，银膜中的小颗粒逐渐消失而表面趋于 平滑，其s e r s 增强能力也逐渐减弱。 关键词：表面增强拉曼散射( s e r s ) ，硅纳米孔柱阵列( s i - n p a ) ，a g s i n p a ，浸 渍技术，真空镀膜技术，分子探测 郑州大学硕上学位论文 a b s t r a c t s t u d y o nt h es u r f a c e - - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n go f s l i v e r s i l i c o nn a n o p o r o u sp i l l a ra r r a y 工ir a b s t r a c t t h et e c h n i q u eo fr a m a n s p e c t r o s c o p y c o u l d p r o v i d et h e ”f i n g e r p r i n t ” i n f o r m a t i o na b o u tag i v e nm o l e c u l a r ，a n dt h e r e f o r ei su s u a l l ya p p l i e di nd e t e c t i n g l o w c o n c e n t r a t i o nb i o - m o l e c u l e s h o w e v e r , t h a tt h er a m a ns i g n a l sf o rm o s t b i o - m o l e c u l e sa r ev e r yw e e kl i m i t st h ei n t e n s i v ea p p l i c a t i o no ft h ep o w e r f u lw e a p o n i nd e t e c t i n gb i o - m o l e c u l e s t h ec a p a b i l i t yo fr a m a n s p e c t r o s c o p yi sg r e a t l yp r o m o t e d a f t e rt h ei n v e n t i o no ft h es u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) t e c h n i q u e ， w h i c hc o u l dn o to n l ye n h a n c et h ei n t e n s i t yo ft h er a m a ns i g n a l s ，b u ta l s op r o v i d e p l e n t i f u li n f o r m a t i o na b o u tt h ea d s o r b e dm o l e c u l e s s oi t i sh o p e dt h a tt h es e r s t e c h n i q u ec o u l db ea p p l i e dw i d e l yi nv a r i o u ss c i e n t i f i cf i e l d s ，e s p e c i a l l yt h ef i e l do f l i f es c i e n c e t h ea p p l i c a t i o no fs e r si sb a s e do na c t i v es u b s t r a t e ，w h i c hi so n eo ft h e r e s e a r c hf o e l l sa b o u ts e r se f f e c t i nt h i st h e s i s ，an o v e ls e r ss u b s t r a t ea g s i - n p aw a sf a b r i c a t e db yi m m e r s i o n p l a t i n go rv a c u u me v a p o r a t i o nb a s e do ns i l i c o nn a n o p o r o u sp i l l a ra r r a y ( s i - n p a ) t h o s es e r ss u b s t r a t e sh a v er e g u l a rs t r u c t u r eb yi n h e r i t e dt h eu n i q u ep o r o u sp i l l a r a r r a yo fs i n p a t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c eo fa g s i - n p aw a so p t i m i z e db yc o n t r o l f a b r i c a t ec o n d i t i o n s 。a n dw eu s e dt h eo p t i m i z e da 罾s i n p as u b s t r a t et oc a r r i e do u t e f f e c f i v ed e t e c t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o nb i o - m o l e c u l a r s ，s u c ha sa d e n i n e w ea l s o a n a l y z e dt h er e l e v a n tm e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o wt h a ta 。g s i - n p ah a v eal o to f a d v a n t a g e s ，s u c ha s ，s i g n i f i c a n t l ye n h a n c e m e n t ，p r o c e s se a s y , g o o ds t a b i l i t y , h i 曲 r e p r o d u c i b i l i t y a n ds oo n s ot h a ts i - n p ai s a l li d e a l t e m p l a t et o f a b r i c a t e s i l i c o n b a s e ds e r sa c t i v es u b s t r a t e t h em a i nr e s e a r c hw o r kw a sl i s t e da st h ef o l l o w i n g s 1 w eh a df a b r i c a t e da 。s i n p aa ss e r ss u b s t r a t eb yi m m e r s i o np l a t i n gs i l v e r o ns i - n p a ，i th a v er e g u l a rs t r u c t u r ea n dw ea l s oo p t i m i z e dt h ef a b r i c a t ec o n d i t i o n s i i i 郑州大学硕l ：学位论文 b yc o n t r o lt h ef a b r i c a t ec o n d i t i o n s ，s u c ha sa g + c o n c e n t r a t i o n , d e p o s i t i o nt i m ea n d o x i d a t i o ns t a t u so ns i n p as u r f a c e ，w ef i n dt h a tt h eb e s tf a b r i c a t ec o n d i t i o ni su s eo n e d a ya g e ds i - n p aa n di m m e r s i n gi ti n0 01ma g n 0 3 s o l u t i o na b o u t5m i n i no r d e rt o r e m o v et h ec o n t a m i n a n t st h a ta d s o r b e do nt h es u r f a c eo fa s i n p a ，w eu s ek c i s o l u t i o nt ot r e a tw i t ha g s i n p a 2 t h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro ft h eo p t i m i z e da g s i - n p aw a so b s e r v e d ，w ea l s ot e s t e d i t ss e r sa b i l i t ya n da n a l y z e dt h er e l e v a n te n h a n c em e c h a n i s m t h er e s u l t ss h o w e d t h a t ，t h e r ew e r et w ok i n d so fs i l v e rs t r u c t u r e sf o r m e do nt h eo p t i m i z e da 。g s i - n p a ， o n ew a sn a n o c r y s t a l l i t e sw h i c hc o v e r e dc o m p l e t e l yo v e rs i - n p a ，a n dt h eo t h e rw i l l s s u b m i c r o ns i l v e r e r y s t a l l i t e s ，w h i c hf o r m i n gl a r g eq u a n t i t i e s o fl o o p c h a i n s s u r r o u n d i n gt h ep o r o u ss i l i c o np i l l a r s a d e n i n ea n dr 6 gw a sd e t e c t e dw i t ht h e d e t e c t i o nc o n c e n t r a t i o nl i m i ta sl o w 弱10 a n d10 m ，r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h e s e r ss p e c t r a li tc a nb ei n f e r r e dt h a ta d e n i n em o l e c u l e sw e r ev e r t i c a l l ya d s o r b e do n s i l v e rs u r f a c ew i t has l i g h t l yt i t l e df a s h i o nt h r o u g hn 7a n da m i n og r o u p t h es i g n a l e n h a n c i n gm i g h tm a i n l yc o m ef r o mt h en a n o - s i l v e rp a r t i c l e sa n dt h eg a p sb e t w e e n s i l v e rp a r t i c l e s i no r d e rt op r o v et h a ta g s i - n p ac a nd e t e c td i f f e r e n tk i n d so f m o l e c u l e s ，w ea l s od e t e c t e dr 6 gt h ec o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o nl i m i to fr 6 gw a sl e s s t h a n10 。15 ma n dt h eu n i q u ep h e n o m e n ao fs i n g l e - m o l e c u l es p e c t r o s c o p ys u c ha s s p e c t r a ld i f f u s i o na n di n t e n s i t yf l u c t u a t i o nw e r eo b s e r v e d a g s i n p aw a sa l s ow e l l s t e a d ya n dt h ei n t e n s i t yo fs e r ss p e c t r ad r o p e ds l i g h t l ya f t e rb e e np l a c e d13 2d a y s 3 w ea l s of a b r i c a t e ds e r sa c t i v es u b s t r a t eb ye v a p o r a t e ds i l v e rf i l mo ns i - n p a a n dm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o n ，t h ei n f l u e n c eo ft e m p l a t es t r u c t u r ea n da gf i l mt h i c k n e s s o ns e r sa b i l i t yw a ss t u d i e d ，t h er e l e v a n te n h a n c em e c h a n i s mw a sa n a l y z e d t h e r e s u l ts h o wt h a tt h ed e t e c t i o na b i l i t yo fa g s i n p aa c t i v es u b s t r a t et ob o t h10 _ 4 m a d e n i n ea n d lo 。8 mr 6 gw a sa l lm u c hs u p e r i o rt ot h a to fa g s ia c t i v i t ys u b s t r a t e t h e i m p r o v e m e n to fd e t e c t i o na b i l i t y c a nb ea t t r i b u t e dt ot h eu n i q u es t r u c t u r eo ft h e s i - n p a f i n a l l yw er e s e a r c h e dt h ei n f l u e n c eo fs i l v e rf i l mt h i c k n e s st ot h ed e t e c t i o n a b i l i t yo ft h o s et w ok i n d sa c t i v es u b s t r a t e w ef o u n dt h a tt h ed e t e c t i o na b i l i t yo f a g s i - n p aw a st h eb e s tw h e nt h et h i c k n e s so fs i l v e rf i l mw a sa b o u t2 0 n m i nt h a t c a s e ，t h es u r f a c eo fs i - n p aw a sc o v e r e db ys i l v e ri s l a n d s ，a m o n gw h i c ht h e r ew e r ea i v 郑州大学硕 ：学位论文 a b s t r a c t l o to fg a p st h a tc a nb ea t t r i b u t e dt ot h es i g n a le n h a n c e m e n t h o w e v e r , t h ed e t e c t i o n a b i l i t yo fa g s iw a st h eb e s tw h e nt h es i l v e rf i l mw a sa b o u tlo n m i nt h a tc a s e ，t h e r e w e r ep l e n t yo fs m a l lp a r t i c l e s ，w i t ht h ei n c r e a s ei nf i l mt h i c k n e s s ，t h e s es m a l l p a r t i c l e sd i s a p p e a r a n c e da n dt h es e r se q l h a n c ea b i l i t yr e d u c e d k e yw o r d ：s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ( s e r s ) ；s i l i c o nn a n o p o r o u sp i l l a r a r r a y ( s i - n p a ) ；a g s i - n p a ；i m m e r s i o np l a t i n g ；v a c u u me v a p o r a t i o n ；m o l e c u l a r d e t e c t i o n v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者：；易飞 日期： w 口了年 月 j 日 学位论文使用授权声明 本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。 根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门 或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学 可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文 或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。 保密论文在解密后应遵守此规定。 学位论文作者：马己 日期： 可神j 年f 月日 郑州大学硕十学位论文 第一章引言 第一章引言 1 1 拉曼散射与表面增强拉曼散射( s e r s ) 光的散射现象在自然界中广泛存在。按光散射前后能量变化与否可以将其分 为弹性散射和非弹性散射。散射前后能量没有发生改变称为弹性散射，瑞利散射 即属于弹性散射。而拉曼散射、布里渊散射则属于非弹性散射，它们在散射前后 能量发生了变化。产生非弹性散射的原因是由于光与物质发生了相互作用，拉曼 散射即反映了光与分子振动、转动能级的相互作用。 受激曛盎 1 0 _ 。 jl 一l jk 一 l h (i 一) h c o i h c o i h ( h c o i l l h c o i h a f t 1r1r ， ih c o 1r 1r 斯托克断线 磷刺缱i i 趸躯托觅撕线 图1 1 双原子分子振动能级图 1 9 2 8 年，印度科学家拉曼【l 】使用汞灯照射苯等液体时首次观察到拉曼散射现 象。他们发现散射后入射光频率卿的两边出现了对称分布的频率分别为0 3 i 和 蛐+ 0 3 的散射带，则小于入射光频率的边带称为斯托克斯谱带，大于入射光频率 的边带称为反斯托克斯谱带，这里0 3 为入射光所照射介质的元激发频率。从量 子能级的角度考虑，斯托克斯和反斯托克斯散射分别对应于入射光子和分子碰撞 引起的光子能量减少或增加。以双原子分子的振动能级为例，拉曼散射过程如图 1 1 所示。当频率为她的入射光照射在振动能级差为h 0 3 的分子上后，将处于振 郑州人学硕上学位论文 第一章引言 动基态“0 ”的分子激发到振动虚态，当分子跃迁回振动激发态“1 ”时将放出能 量为h ( i c o ) 的光子，光子能量降低称为斯托克斯拉曼散射；处于振动激发态“l ” 的分子也可能先被激发到虚态再返回振动基态“0 ”，放出能量为h ( i + ) 的光子， 这种称为反斯托克斯拉曼散射。根据玻尔兹曼统计分布，处于激发能级的粒子布 居数总是少于处于基态的粒子布居数，因此反斯托克斯拉曼谱线的强度总是比斯 托克斯谱线弱。从图1 1 中也能清楚的看到，处于振动基态“0 ”或激发态“l ” 的分子由入射光激发到虚态后返回到原先所在的能态，光子的能量为h t o i 保持不 变即为弹性的瑞利散射。 拉曼效应一经发现，便引起了研究人员的极大兴趣。这是主要因为拉曼光谱 能够提供快速、简单、可重复、且无损伤的定性定量分析。拉曼光谱的优越 性还主要表现在以下的几个方面： ( 1 ) 提供分子结构信息。每种物质都有自己的特征拉曼光谱，谱峰清晰尖锐， 根据光谱可准确的判断物质的种类。 ( 2 ) 拉曼光谱强度通常与散射物质的浓度呈线性的关系，可对散射物质进行 定量分析。 ( 3 ) 由于水的拉曼散射很弱，因此拉曼光谱是研究水溶液中生物样品或化合 物的理想工具。 ( 4 ) 激光光源可以聚焦到几微米大小，因此可以分析很小面积的样品，能够 实现对样品的微区探测。 ( 5 ) 利用共振拉曼效应可以用来有选择性地增强特定物质的振动，使该物质 的拉曼散射强度能被选择性地增强约1 0 0 0 倍。 拉曼散射也存在着一个很大的缺点，即散射强度太低。这主要是由于拉曼散 射过程为二次光子过程，分子的拉曼散射截面仅为l o 3 0 c l n 2 s r - 1 。由于强度太低， 人们很少直接利用拉曼光谱进行表面研究或探测微量物质。因此拉曼光谱的应用 范围受到很大的局限，仅被作为红外光谱的补充以鉴别部分有机化合物的官能 团、结构以及构象，在表面科学中的应用微乎其微。为了增大物质的拉曼散射截 面，有两种途径可以选择，一是利用共振拉曼散射( r e s o n a n c er a m a ns c a t t e r i n g ) 【2 】， 然而该效应仅当激发光的波长接近散射分子的电子吸收谱带时才能产生，因此有 很大的局限性；另一种为表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ， 2 郑州人学硕上学位论文第一章引言 该效应仅与粗糙的金属表面有关，并且能够极大地增加物质的拉曼散射截面，因 此得到广泛的应用。 1 9 7 4 年，英国科学家f l e i s c h m a n n 3 】首次对吡啶吸附的粗糙银电极进行了拉 曼散射实验，结果获得了增强的拉曼信号。当时他们并没有意识到这是一种新现 象，而是仅仅简单地将所观察到的增强归因于较大吸附表面导致地吸附分子数目 增加。直到1 9 7 7 年，v a nd u y n d 4 1 和c r e i g h t o n 5 1 等人分别独立的重复了 f l e i s c h m a n n 的实验，并通过计算发现不能简单的将增强效应归因于表面积的增 加。电极粗糙化后的表面上的拉曼散射增强必然存在某种物理效应，并称之为表 面增强拉曼散射( s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ，简称s e r s 。s e r s 效应 一经发现便引起了广泛关注，并付出很大的努力对探索其起源、优化增强能力等。 目前s e r s 技术能够大大提高被分析物质的拉曼散射强度，已经可以达到单分子 检测的灵敏度【6 - 8 1 ，因此被广泛的应用到各个领域中。 1 2s e r s 增强原理 自从s e r s 效应发现以来，科学家们从未放弃过对其增强机理的探索。尽管 通过大量的实验和理论研究建立了各种各样的模型，但是至今仍没有任何理论能 够对所有s e r s 现象进行很好的解释。目前广泛接受的增强机理有电磁场增强和 化学增强，并且普遍认为前者的作用远大于后者。 1 2 1 电磁场增强机制 人们普遍认为电磁场增强机制与以下的几种效应有关：避雷针效应( l i g h t i n g r o de f f e c t ) 【1 6 1 、镜像场作用( i m a g ef i e l de f f e c o 【m 、表面等离子体共振( s u r f a c e p l a s m ar e s o n a n c e ，s p r ) 9 3 0 等。其中表面等离子体共振增强机制已被s e r s 研究 者广为接受，因此，本文仅对表面等离子体增强机制进行较为详细的介绍。 表面等离子体是指在存在于金属表面的自由振动电子与光子发生相互作用 所产生的沿金属表面传播的电子疏密波。当入射光频率满足激发表面等离子体共 振条件时将极大地增加金属表面处的局域电场，局域电场与入射光和拉曼散射光 发生相互耦合作用，将会使入射光电场和拉曼散射电场强度得到放大。在这个过 程中，表面等离子体起到了关键的作用，表面等离子体产生的局域电场可以实现 郑州大学硕士学位论文第一章引言 对金属表面附近拉曼散射强度的放大。理论计算表明，拉曼散射强度的增加近似 与金属表面处的局域电场强度的四次方成j 下比，因此较小的增加局域电场强度即 能够起到对拉曼散射信号很强的放大作用。为了更好的认识表面等离子共振机 理，下面将采用金属介质球模型对其进行简单的讨论。 在研究金属表面激发的表面等离子体时，金属的介电系数为入射光频率的函 数，而非简单的常数。因此，入射光频率将会影响金属的介电系数进而影响到所 激发的局域电场，当入射光频率适当时将会产生表面等离子体共振。考虑半径为 a 金属介质球( a 远小于入射光波长) ，其处于介电常数为0 的均匀介质中，下面 将用经典的电磁理论，结合边界条件和材料特性进行讨论【1 0 m 】。 在距离金属介质球r 处放置一分子，将其考虑为电偶极子，当用c o o 的入射 光频率激发时，该分子在拉曼频率处的辐射偶极距为： p ( ，国) = a e p ( r ，c o o ) ， ( 1 ) 其中a 为分子的拉曼极化率，e 口为散射场，由入射光场e 和散射场e 肼两部分 组成，可通过理论求出，即： p ，) = 磊( 厂，) + 皇蹦( ，国。) 。 ( 2 ) 与拉曼散射相关的电场在距离小球r 处为： e r ( r ，国) = e 枷o ，国) + 比( ，缈) ， ( 3 ) 其中，为不存在金属介质球时振荡偶极子产生的电场，瓦是由介质球引起 的反射电场，可由一定的边界条件求解并用球谐函数矢量的形式给出。应用 l o r e n t z m i e 理论可直接给出与e p 有关的系数值，具体方法如下：首先，将带 入p 和己知的球谐函数矢量，整理后根据各项系数对应原则，即可求解出e 却的 系数( 含e 。的关系式) 。因此r a m a n 散射强度可由下式表示： ，足= l i m k ( ，c o ) e x p ( i k r ) 4 。 ( 4 ) b r 定义增强因子为： 其中，i o 为对应的不存在介质球情况时的r a m a n 强度，在此时，p = 旺i ，b 和 4 郑州人学硕十学位论文 第一章引言 相同。当金属介质球的尺寸近似或大于入射光波长时，拉曼散射增强效果变 差。当金属小球尺寸远小于入射光波长时，其等离子体共振主要由偶极等离子引 起的。随着半径增大，原先的偶极等离子为主逐渐转变为以非辐射、释放热能的 多级等离子占主导，激发峰将发生展宽。因此，金属介质球模型下拉曼散射增强 如下： g = 卜g o 【3 制一1 专g ，”一t ) f + z ) | 2 ，( 6 ) 其中i 为入射光场在r t 处极化方向的单位矢量，即： e ( ，。，) ：e o i ，刀= r 一， ( 7 ) 同时， g = 糖，g 。= 糕。 c 8 ， 当电偶极子处于距离金属介质球表面h 处( r ，：a + h ) 时，拉曼散射增强因子与距 离之间的函数关系如下所示 2 2 - 2 5 】： ( 南) 惶。 如果分子吸附在介质球的表面( r7 = a ) ，同时入射光电场与散射电场的极化方向 都于散射面垂直，此时： g = 5 1 + 2 9 。+ 2 9 + 4 9 9 。1 2 。 ( 1 0 ) 将( 8 ) 代入上式即可得到激发表面等离子的条件： r e ( 掣卜l ( 1 1 ) 满足上式时增强因子g 最大。在此条件下式( 1 0 ) 中g g 。远大于其他项， f l # a g 可 化简为g = 8 0 i g g 。1 2 。 以上为单个分子吸附的情况，现考虑金属球表面被分子均匀覆盖层的情况， 则此时应为分子拉曼光的平均值1 3 , 1 4 ，即有： g = 1 1 + 2 9 0 乾洲g g o l 2 ，( 寿) 1 0 。 ( 1 2 ， 郑州人学硕士学位论文 第一章引言 当金属球大小a 远小于入射光波长入时，金属球近似于处在均匀电场之中 1 3 - 1 4 1 ，由边界条件可知，电势和电位移矢量的法向分量在球的边界连续，因此在 r = a 处的电场为： 耻去目， ( 1 3 ) 同时，在r = a 处的增强因子为： 红吲2 _ - 老糕。 ， 由式( 1 3 ) 和( 1 4 ) 可知，当r e ( e l + 2 ) = o r i m s 很小时，增强因子将变得很大， 此时将发生表面等离子体共振现象。根据j o l l i l s o n 【1 5 】等获得的银、金、铜的复折 射率数据，胡冰1 4 1 等得到了银、金、铜在一定光谱频率下的介电函数经验公式， 并将经验公式带入g 的函数式得出了银、金、铜在真空或空气环境中受不同频率 的光照射时的增强效果，如图2 所示。由图2 可以看出银的等离子共振能量为 3 s e v ，对应于可见光区且增强因子最大为5 0 0 。而金和铜分别为2 3 e v 、2 1 e v ， 对应于红外区，金的增强因子略大于铜。同时，实验结果和经验公式1 4 ，1 5 1 表明， 不同频率的光照射时，银介电函数的实部变化较大且均为负值，其虚部稳定地保 持在o 3 左右。所以，很容易选择合适波长的光来实现银的等离子共振增强。由 于增强因子近似为g 2 ，因此即使在一个很小拉曼位移时，也能获得很高的放大 倍数，一般可以达到1 0 4 1 0 6 倍。 尽管s e r s 的电磁场增强机制被广为接受，但是其并不能对所有的s e r s 效 应进行解释，如电化学实验中电势对s e r s 的影响、仅吸附在基底活性位上的分 子才有强的s e r s 效应、具有相同拉曼散射截面的c o 和n 2 相同实验条件下增 强因子相差2 0 0 倍等现象用电磁机制均难以解释。这说明必然存在还有其它的增 强机制起作用。 6 郑州大学硕f ：学位论文 第一章引言 e n e r g y ，e v 图1 2 激发能量和增强因子的关系【1 4 1 1 2 2 化学增强机制 化学增强机制中，电荷转移模型【1 8 j 明是被广泛认同的模型之一。电荷转移模 型认为，金属表面的原子与吸附其上的分子之间发生了某种化学相互作用，在一 定频率的光激发下，电子从金属的某一能级跃迁到吸附分子的某一激发态分子轨 道，或者由吸附分子的某一的分子轨道向金属的某个未占据能级跃迁。如果入射 光子的能量与电子在金属基底和吸附分子之间的跃迁能级差相等时，将会产生共 振，结果使体系的有效极化率得到增加，拉曼信号强度被放大。应用电荷转移模 型可以较圆满的解释以下的问题：( 1 ) 过渡金属如n i 、p t 和f e 等一般情况下下不 能产生s e r s 信号，但时研究某些分子吸附其上时却观察到了增强现象。( 2 ) 对于 相同的s e r s 基底，吸附不同的分子时会产生有不同程度的增强。( 3 ) 当多层分子 吸附在基底表面上时，第一层吸附分子的增强效果一般较其它层高1 0 0 倍以上。 ( 4 ) 对电化学体系研究发现，吸附分子的s e r s 信号强度会随外加电位的变化而变 化，并且许多分子的s e r s 信号强度都具有一极大值，此极大值出现时对应的电 位与激发光的频率有关。 化学增强机制中还有一些其他的模型，例如：活性位模型【2 0 】和增原子模型【2 l 】 7 囡-鼍茸。o量_llii阉 郑州人学硕上学位论文第一章引言 等。其中，活性位模型主要认为在金属结构表面上存在的某些特殊的位置，这些 位置对增强效果起主要作用。而增原子模型则认为由于金属表面微观粗糙结构 ( 增原子) 的存在，增强了电子声子间的耦合作用，能够形成空穴一电子对，当分 子吸附在此位置时将于其发生强烈地相互作用，从而增大分子的拉曼散射强度。 1 3s e r s 光谱的分析 随着s e r s 增强机理研究热潮的消退，人们逐渐将注意力转移到s e r s 光谱 本身所提供的信息及应用方面。s e r s 光谱中除了能够获得分子的“指纹”特征 外还可以获得许多关于吸附分子的有价值的信息。 首先，s e r s 可以用来研究分子在活性基底表面的吸附取向。大多数有关吸 附分子取向的研究都是以表面选择定则为基础的。根据表面选择定则，垂直于基 底表面的振动模式将得到较大的增强，而平行于基底的振动模式增强较小。例如， r u b i m 掣2 2 】发现，4 ，4 一联吡啶在银表面的吸附取向与浓度有关，随着其浓度的 减小吡啶环内呼吸振动的谱峰增强变小，而归属于面外振动的谱峰增强变大。因 而根据选择定则，浓度较高时，4 ，4 一联吡啶分子以它的吡啶环垂直吸附在银表 面上，随着溶液浓度的降低，吸附分子逐渐变为“平躺”吸附在银基底表面。其 次，s e r s 可以判断分子在基底表面的吸附基团【3 。可以根据出现与金属基底相 互作用的振动峰、某些谱峰相对强度、位置等的变化作为依据进行判断。再者， s e r s 可以判断分子在基底表面的吸附类型【2 4 】。通常认为分子离吸附面较远时主 要是物理吸附，s e r s 谱峰相对于常规拉曼谱线没有频移：而分子距离吸附面较近 时化学吸附占主要优势，同一振动的s e r s 谱线会有一定的频移。实验发现染料 1 5 5 5 在银基底上的s e r s 强度随距离下降较慢与电磁理论预言相符，而吡啶的 s e r s 谱峰强度随距离下降的速度比电磁理论预言的情况要快，因此认为染料 1 5 5 5 在银表面是物理吸附，而吡啶在银表面是化学吸附【2 3 1 。最后，s e r s 可以判 断分子吸附时可能发生的结构变化【3 2 】。很多分子吸附在金属表面时可能会发生 结构或构型的变化，通过对比该系统s e r s 光谱和该分子的常规拉曼光谱，可以 推测出分子吸附时可能的结构变化。 1 4s e r s 在生命科学中的应用 8 郑州人学碗i 学位论文第一章引占 目前，人们对s e r s 的研究主要集中在其应用方面。拉曼光营可以提供分子 特有的“指纹”信息，但是拉曼信号太弱限制了其应用，使用s e r s 技术可以极 大地增强拉曼信号的强度，而且还能获得关于吸附分子的大量信息，因此s e r s 被广泛的应用于表面科学口”、分析化学1 2 1 、生命科学2 目等诸多领域，其中s e r s 在生命科学领域中的应用最为引人注目。 t a g c g a n a - t a g t t a t a a a 3 r n g i “ a - 一t t a n g g c c g ”a g “m 前 a g h y d m ql d n o n e 图l3 d n a 的s e r s 检测方法示意图脚i s e r s 在生命科学中的应用可主要归结为以下几个方面：第一，s e r s 对d n a 序列的检测。如m i r k i n 等o ”采用修饰有拉曼标记物的寡核苷酸链包覆金纳米颗 粒与s e r s 技术相结合进行寡核苷酸的多元检测。如图1 3 所示，金纳米粒子上 的寡核苷酸与靶标核苷酸杂交，由于采用的是1 3r a n 的金纳米粒子，其粒径太小 不能导致电磁场的增强，在进行增强之前肉眼不能观察到任何颜色的变化，也检 测不到任何的拉曼信号。当用银粒子增强后，可以检测到寡核苷酸链上拉曼标记 物的拉曼信号并且拉曼信号具有很好的重复性，其位移通常小于2 锄。这一研 究为以拉曼光谱作为光谱纹印进行明确序列的寡核苷酸的测定提供了基础，并且 通过在不同寡核苷酸链上修饰上不同的拉曼标记物可以同时进行多种寡核苷酸 的测定。第二，s e r s 在免疫检测方面的应用。如c o t t o n 等利用表面增