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东北大学硕士学位论文摘要 金属纳米微粒的表面增强拉曼散射研究 摘要 本论文采用纳米自组装技术和扫描探针显微技术，进行了金属纳米微粒的表 面增强拉曼散射( s e r s ) 的研究。 本实验成功地制备了一种新型的s e r s 活性基底，即将金属纳米微粒组装于十 六烷基三甲基溴化胺( c t a b ) 修饰的云母表面上所制备s e r s 活性基底。以a g 纳米微粒为表面增强物质，以罗丹明6 g ( r h 6 g ) 为探测分子，与其它几种常用的 s e r s 活性基底进行了比较研究。结果表明，这种新型的s e r s 活性基底是一种有 效的、具有超高灵敏度的活性基底。并利用这种s e r s 活性基底，研究了p t c o i 。- a g 。h c l l 和p t c 。a u s h e l l 两种复合纳米微粒的表面增强能力和测定的稳定性。原子力显微镜 ( a f m ) 研究表明，p t c 。f a g 。h e l l 和p t 。一a l l s h e l l 两种复合纳米微粒多呈球状，平均 粒径分别为1 4 3 n m 和5 1 n m ，标准偏差分别为1 8 n m 和o 4 n m ，粒径分布均优于 采用类似方法制备的单金属a g 和a u 纳米微粒；将p t c 。诅h 。f f 和p 匕。a 地捌l 两种 复合纳米微粒自组装在由c t a b 修饰的云母表面，进行这两种复合纳米微粒的表 面增强能力的研究。结果表明，这两种复合纳米微粒具有较强的表匠增强能力， 对于r h 6 g ，可检测到的最低浓度分别为4 4 x1 0 2ug l 和4 4 x1 0 。2 m g l ；对于一 定浓度的r h 6 g ，在1 6 5 0 e m 。1 处峰强度的相对标准偏差分别为1 8 5 6 和1 2 7 1 ， 测定结果的重现性较好。 关键词；纳米微粒表面增强拉曼散射 i i 查! ! 苎兰堡主堂堡垒查 垒堕塑生 s t u d i e so nm e t a l l i c n a n o p a r t i c l e s o fs u r f a c e e n h a n c e m e n t r a m a ns c a t t e r i n g a b s t r a c t i nt h i sw o r k ，w es t u d i e do ns u r f a c e e n h a n c e m e n tr a m a ns c a t t e r i n go fs e v e r a l k i n d so f m e t a l l i cn a n o p a r t i c l e s b ys e l f - a s s e m b l yo fm e t a l l i cn a n o p a r t i c l e so nm i c ac o a t e dw i t hc e t y l t r i m e t h y l _ a m l n o n i l , l mb r o m i d e ( c t a b ) ，an e wk i n do fs e r s a c t i v es n h s t m t e sw a sf o r m e d a sa g n a n o p a r t i c l e s e n h a n c e d s u b s t a n c e ，t h e r e s u l ts h o w e dt h i sk i n do fs u b s t r a t e sw a s e f f e c t i v ea n du l t r a 。s e n s i t i v es e r sa c t i v es u b s t r a t e u s i n gt h i sk i n do fs u b s t r a t c s ，t h e e n h a n c e da b i l i t i e so f p t c o f e a 昏h e i ia n dp t c o r e a u s h e l ln a n o p a r t i c l e sw e r es t u d i e d s t u d i e s o na f ms h o w e dt h a tm o s to fp t c o f e - a g s h e ua n di t c 0 代a 1 e i in a n o p a r t i c l e sw e r es p h e r i c a l a n dw e l lp r o p o r t i o n e df o rt h e i rs i z ew a s1 4 3 n ma n d5 1 n m , r e s p e c t i v e l ya n dt h e i r s t a n d a r dd e v i a t i o nw a s1 s n ma n do 4 n m ，r e s p e c t i v e l y a n d t h e s c o p e s o ft h e n a n o p a r t i c l e s w e r ea l s os m a l l e rt h a ns i n g l ea ga n ds i n g l ea un a n o p a r t i c l e s s t u d i e so n s e r ss h o w e dt h ee n h a n c e da b i l i t i e so fp t c o m a 昏h d la n dp t c 叭- a u s h e l ln a n o p a r t i c l e sw e r e s t r o n g f o r 也ec o n c e n t r a t i o no f t h el o w e s td e t e c t i o no fr h 6 gw a s4 4 1 0 。ug la n d 4 4x 1 0 之m g l r e s p e c t i v e l y , a n dt h er e p e t i t i o nw a s a l s og o o df o rt h er s do ft h ep e a k i n t e n s i t yo n1 6 5 0 e m w a s1 8 5 6 a n d1 2 7 1 ，r e s p e c t i v e l y k e yw o r d s ：n a n o p a r t i c l e s ，s u r f a c ee n h a n c e m e n t ，r a m a n s c a t t e r i n g i l i 东北大学硕士学位论文声明 声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文 中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得其他学位而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人签名：磊毓乙 日 期：7 , o o 够弘，t ) 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 拉曼散射概述【”】 第一章绪论弟一早珀下匕 拉曼散射光谱( r a m a ns c a t t e r i n g ) 作为研究物质结构一个强有力的工具，已 有7 0 多年的历史。早在1 9 2 3 年，史梅耳( a s m e k a l ) 从理论上预言，当频率为 的单色光入射到物质以后，物质中的分子会对入射光产生散射，散射光的频率为 v o a v 。经过了几年的努力，1 9 2 8 年，印度物理学家拉曼( c v r a m 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，因而称为拉曼散射。同时前苏 联物理学家兰斯剐尔格和曼杰尔斯达姆( g l a n d s b e r g ，l m a n d e l s t a m n ) 在研究石 英晶体的散射光谱时，也发现了这种散射现象，因而通常也叫联合散射光谱。但 由于当时技术的困难，拉曼散射一直发展很慢，直到1 9 6 0 年激光发现以后，由于 激光具有亮度高( 功率大、能量大) 、单色性好和高度偏振性等优点，作为拉曼散 射的激发光源，使拉曼散射得以复兴。i f l 前拉曼散射己广泛应用于材料、化工、 石油、高分子、生物、环保、地质等领域。 1 , 1 1 拉曼散射的原理 对于拉曼散射，有两种理论可以解释经典理论和量子理论。 经典理论认为：从光的波动学说来看，散射现象的产生，是与光波的电场与 物质的分子发生作用后产生的感应偶极矩p 有关。在场强e 比较小的情况下，感 应偶极矩p 正比于电场强度e ： p = a e ( 1 1 ) 式中口为比例常数，也就是分子的极化率。 设入射光的频率为，若分子的极化率是不变的，则发射出的散射光将与入 射光的频率相同，即产生瑞利散射。反之，当极化率发生变化时，则可得到频率 1 东北大学硕士学位论文第一章绪论 为一咋和+ 咋的散射光，即产生拉曼散射。 量子理论的基本观点是把拉曼散射看作量子与分子相碰撞时产生的非弹性碰 撞过程( 见图1 1 ) 。当入射的光量子与分子相碰撞时，可以是弹性碰撞的散射， 也可以是非弹性碰撞的散射。在弹性碰撞过程中，没有能量的交换，光子仅改变 运动的方向。所产生的散射现象称为瑞利散射，即处于基态日的分子受入射光子 h v o 的碰撞，激发后跃迁到受激虚态，它很快( 约1 0 。1 2 s ) 又跃迁回基态e ，把吸 收的能量以与原来能量相同的光子的形式释放出来，所以瑞利散射线的频率与入 射光的频率相同。 _ _ _ _ 妊 凹 _ l 0 奸0 h yd 一y ) h y0 h y0 h ( h r0 i ly 旷y 斯托克斯线 l 丫0 瑞利线 ly 0 + y 反斯托克斯线 图1 1 分子的散射能级图 f 蟾1 ia s c h e m a t i cd i a g r a mo f e n e r g yo f am o l e c u l e 振动激发态矗 基态功 相反，在非弹性碰撞过程中，光子不仅改变了运动方向，而且有能量的交换。 所产生的散射现象称为拉曼散射。拉曼散射可能有两种情况。一种是跃迁到受激 虚态的分子并不跃迁基态晶，而是跃至基态中的某一振动激发态e 上，因此释放 出的光子能量为h ( v o r ) ，产生的散射光波长大于入射光，这种散射光称为斯托克 斯( s t o k e s ) 线，另一种情况是分子开始处于基态激发态e 上，受到能量为h v o 的 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 入射光子激发后，跃迁至受激虚态，如果它跃回原来的基态激发态e ，则同样产 生瑞利散射；若跃回至基态磊，则发出能量为h ( v o + y ) 的光子，这时产生的拉曼 散射光波长小于入射光，称为反斯托克斯( a n t i s t o k e s ) 线。由于常温下处于基态 的分子占绝大多数，所以斯托克斯线比反斯托克斯线强得多。 1 1 2 拉曼频移 拉曼频移( r a m a ns h i f t ) 是指拉曼散射光与入射光的频率差值( v ) ，它与 物质分子的振动和转动能级有关，不同物质有不同的振动和转动能级，因而有不 同的拉曼频移。对于同一物质，若用不同的频率的入射光照射，所产生的拉曼散 射光频率也不同，但其拉曼频移却是一个确定的值。因此，拉曼频移是表征物质 分子振动转动能级特性的一个物理量。这就是利用拉曼光谱进行物质分子结构和 定性鉴定的依据。 拉曼散射光强度可表示为： j ( ) = n ，( 屹) 盯触r ( 1 2 ) j 。( ) 为样品表面被光学系统所接受到的拉曼信号强度；为所探测样品体积中 的分子数目；i ( v l ) 为样品表面的激光入射强度；q r 。为拉曼散射截面积，即待测 物的极化率。可以看出，在特定的工作条件下，样品的拉曼散射强度和样品中产 生的待测物质的分子数目，即浓度成正比，这就是拉曼散射进行定量分析的依据。 从公式1 2 中还可以看出，拉曼散射光的强度与待测物分子的极化率、入射光的强 度成正比。另外拉曼散射光的强度还与其他许多因素呈复杂的关系。虽然在一定 条件下，拉曼散射光的强度与物质的浓度成正比，可用于定量分析。但由于检测 上尚有困难，故用于定量分析较少，而主要用于分子的结构分析和晶体物理的研 究工作。 1 2 表面增强拉曼散射 3 东北大学硕士学位论文第一章绪论 1 9 7 4 年，f l e i s c h m a n 等人发现吸附于粗糙的银电极表面上的吡啶能够产生极 强的拉曼信号 3 】，他们将这种现象解释为由于银电极的粗糙化使吸附于其上的吡啶 的分子的数目增多而引起。1 9 7 7 年，d n y n e 和j e a n n l a i r e 【4 】以及a l b r e c h t 2 1 1 c r e i g h t o n l 5 】 同时宣布f l e i s c h m a n 等人发现的这种现象的真正原因是在银电极上产生了真j f 的 拉曼增强效应。这种拉曼散射的表面增强效应被称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 r n a ns c a t t e r i n g ，s e r s ) 。 1 2 1 表面增强拉曼散射的机理 对于s e r s 理论模型的探讨自其被发现以来一直是研究的热点之一。一般认为 表面增强拉曼散射信号的产生与参与s e r s 的分子的数目、激发光的强度、表面增 强拉曼活性截面积等因素有关1 6 j 。 表面增强拉曼散射光强度可表示为： 厶。( ) = ，( 屹) 阻( ) 1 2 i a ( v 。) 1 2 硪 ( 1 3 ) k 。( ) 为样品表面被光学系统所接受到的表面增强拉曼信号强度；为参与拉 曼增强的分子数目；彳( 屹) 和4 ( ) 分别表示激光和s t o k e s 场增强因子。“d s 为表 面增强拉曼散射活性截面积。 到目前为止s e r s 的真正机理并不是很清楚，有关理论模型很多，其中有两种 为大多数人所接受。一种为化学增强机理( c h e m i c a le n h a n c e m e n t ) ，另一种为电磁 场增强机理( e l e c t r o m a g n e t i ce n h a n c e m e n t ) 1 7 。 化学增强机理认为并不是所有吸附于基底表面的分子都能产生s e r s 信号，只 有吸附在基底表面某些被称为活性位点( h o ta r e a ) 上的分子才产生s e r s 信号。分子 和金属表面之间存在着化学作用，一般认为金属与吸附分子之间存在着费米能级 上的电荷转移，如电子从金属原子中跃迁到吸附分子中的最低空轨道( u j m o ) 上或从吸附分子中的最高占有轨道( h o m o ) 转移到金属原子中。金属与分子之 间的电子跃迁分为以下几个步骤：( 1 ) 光子的质湮，将电子激发到热电子状态； ( 2 ) 热电子跃迁至分子的最低空轨道( u j m 0 ) 上；( 3 ) 热电子跃迁回金属中， 伴随着对某些分子振动状态的改变；( 4 ) 电子回到基态，s t o k e s 光子产生。 4 东北大学硕士学位论文第一章绪论 电磁场增强机理认为s e r s 起源于金属表面局部电磁场的增强。在激光的诱导 下，金属表面的等离子激元( s u r f a c ep l a s m o n s ) 产生电磁共振，使得吸附于金属表 面的分子附近的光场增强，从而产生场增强效应。 表面增强效应的大小通常用增强因子来衡量。 s e r s 的增强因子( e n h a n c e m e n tf a c t o r , e f ) 定义为【8 】： e f 叫。】【k 。】 帆】【虬。】 ( 1 4 ) 毛和州。分别表示待测体积中待测物总的分子数目和参与s e r s 的分子数目； k 和j 。分别表示s e r s 和常规拉曼散射光的强度。增强因子越大，增强效应越 强。在实际工作中，由于无法确定参与s e r s 的分子数目而不能采用公式1 4 来测定 增强因子的大小，目前普遍接受的方法是采用吸附分子的s e r s 信号与其荧光信号 或与其常规拉曼信号的比值作为增强因子大小的衡量依据。电磁场增强机理认为， 不仅激发光有增强效应，拉曼散射光也有增强效应，因此s e r s 信号正比于场增强 因子的4 次方( 如公式1 3 所示) 。 实际上，电磁场增强机理和化学增强机理在s e r s 中同时起作用，许多工作者 尝试将两者分开以研究他们各自发挥的作用。研究结果表明，化学增强因子一般 在1 0 1 0 0 之间，a g 纳米微粒的化学增强效应大些，增强因子可达1 0 2 1 0 3 9 1 ，电磁增 强因子为1 0 6 1 0 7 【1 0 1 ，十分接近的两个或多个金属微粒似乎由于相互作用而显示出 格外高的增强效应，增强因子可达1 0 8 【1 1 ，1 2 1 。 1 2 2 表面增强拉曼散射的影响因素 根据现有的研究结果可知，影响s e r s 的因素很多，而且很复杂，目前关于这 方面还不是很清楚。一般认为除了与常规拉曼一样，s e r s 信号与激发光的强度、 参与拉曼增强分子的数目成正比以外，还与激发光的波长、表面增强物质的种类 及其状态等很多因素有关。 ( 1 ) 表面增强物质种类的影响 理论上认为能够产生表面等离子激元共振的物质，在其波矢量中必须满足具 有虚数部且实数部为负值的条件。最理想的增强金属为a g 、a u 、c u - - 种贵金属， 东北大学硕士学位论文第一章绪论 其中以a g 的增强效果最佳，其次是a u 和c u 【1 3 】。田中群等一直致力于其他过渡金属 的表面增强拉曼散射的研究，取得了一些进展。关于这方面的综述见文献1 4 。 ( 2 ) 表面增强物质状态的影响 表面增强拉曼散射不仅与增强金属的种类有关，而且还与其状态，如金属微 粒的聚集程度、尺寸、形状【i “、所处的环境等因素有关。目前普遍采用的增强物 质为金属纳米微粒。一般认为纳米微粒的聚集有利于表面增强效应的提高。已尝 试的聚集纳米微粒的方法有：在溶胶中加入少量的卤素离子或n 0 3 一【1 6 1 7 】、金属氧 化物阴离子【1 8 】、聚合物19 1 、增加沉积时间等。纳米微粒可聚集为棒状、岛状、 膜层等结构，也可定向沉积成纳米线口”，定向有序的纳米组装可望成为实现s e r s 用于定量分析的有效方法。n i es 等人发现在整个纳米微粒的聚集区域产生的增强 效应并不是均一的，而是在所谓的“热微粒”( h o t p a r t i c l e s ) 上增强效应大1 2 2 1 。尤 其在两个微粒的连接处显示出更大的增强效应，增强因子大于1 0 1 0 2 3 1 。热点一般比 激发光波长小得多，其位置与聚集体的几何形状、激发光波长和极化作用等因素 有关 6 1 。 金属微粒的尺寸不同显示出最大增强效应所需的激发光波长也不同。z e m a n 等人认为理论上激发光的波长与微粒的大小成线性关系 2 4 1 ，e m o r y 等用实验证明了 这一点【5 6 】，并得到当a g 微粒为7 0 n m 左右时对应的激发光波长为4 8 8 n m ； 1 0 0 n m 左 右时对应的激发光波长为5 1 4 r i m ；1 4 0 r i m 左右时对应的激发光波长为6 4 7 n m 。 由于散射光与物体的形状有关，所以金属纳米微粒的形状也影响着表面增强 拉曼散射光的强度。理论上认为在弯曲部分或尖锐部位增强效应要强一型7 1 。 1 2 3 表面增强拉曼散射活性基底的制备 实现s e r s 高灵敏度的关键是制备出增强能力强和稳定性能好的表面增强拉 曼活性基底，从而不仅可以得到灵敏、稳定的s e r s 信号，扩展s e r s 的应用范围， 而且还可以得到在理论上解释s e r s 机理的依据。 经过三十年来的发展，在制备表面增强拉曼活性基底方面已产生众多技术。 最早采用的技术是电化学粗糙银电极法1 3 1 ，由f l e i s c h m a n 等人发明。后来又相继出 现了银镜反应法【2 6 、气相沉积法【27 1 、化学刻蚀法【2 8 】、光还原沉积法【2 明等。n o r r o d 6 东北大学硕士学位论文第一章绪论 等以a g 为表面增强物质，对这五种方法在制备的难易程度和检出限的高低两方面 进行了比较【3 0 j 。金属溶胶因其不仅具有很强的增强作用，而且在制备上简单易于 操纵而逐渐成为s e r s 活性基底制备中的主角 3 1 1 。 随着纳米技术的发展，纳米自组装技术也越来越多地被应用于表面增强拉曼 活性基底的制备中。将金属纳米微粒自组装在聚合物修饰的玻璃 3 2 】、硅口6 】等基底 上为最常见的方法，也有自将金属纳米微粒自组装在t i 0 2 【3 孔、s i 微粒【3 4 1 、表面活 性剂、a 1 、滤纸等表面来制备不同用途的表面增强拉曼活性基底。 表面增强拉曼技术的优越性表现在可获得痕量分子的结构信息，但仍存在 些问题，主要的问题是表面增强拉曼活性基底的重现性难于控制、难于寻找到合 适的体系、基底，离真正的实际分析应用还有段距离。未来的表面增强拉曼散 射必将向着更深层次机理的探讨和应用范围的拓宽以及制备稳定性高和重复性好 的、可用于定量检测的活性基底的研究的方向努力。 1 3 纳米技术 1 3 1 纳米技术简介【3 5 纳米科学技术( n a n o s t ) 是于2 0 世纪8 0 年代末期诞生的、目前正蓬勃发展 的新科技。其基本思想是：在纳米尺寸( 1 0 - 9 _ 1 0 。m ) 的范围内，通过直接操纵和 安排原子、分子及其他小团簇物质来创造新的物质。它是研究由尺寸在o ，1 1 0 0 r i m 之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及实际应用中的技术问题的科学 技术。 纳米技术在现代科学中的应用主要体现在以下八个方面：( 1 ) 在陶瓷领域中 的应用【3 6 1 ；( 2 ) 在微电子和磁学上的应用 3 7 , 3 8 1 ；( 3 ) 在生物工程上的应用 3 9 , 4 0 1 ( 4 ) 在光电领域中的应用 4 1 , 4 2 ；( 5 ) 在化工工程上的应用；( 6 ) 在医学上的应用 4 3 ：4 1 ： ( 7 ) 在分子组装方面的应用 4 5 , 4 6 ；( 8 ) 在国防科技上的应用【4 7 1 。 1 3 2 纳米微粒的制备 7 东北大学硕士学位论文第一章绪论 制备纳米微粒的方法大致可以分为两大类：物理方法和化学方法。 物理方法包括真空冷凝法、物理粉碎法和机械球磨法。化学方法包括气相沉 积法、化学沉淀法、水热制各法、溶胶凝胶法和微乳液法。鉴于本论文的工作主 要集中在核一壳纳米微粒的研究，所以下面主要介绍的是核一壳纳米微粒的制备。 ( 1 ) 金属核一金属壳纳米微粒的制备 多采用氢气还原法与辐射法相结合，两步制备纳米微粒。首先将一种金属 从其盐溶液中还原出来，聚集形成金属纳米微粒，然后用辐射法将另一种金属 从其盐溶液中还原出来，由于先形成的金属微粒具有极强的催化活性，后还原 出的金属原子并不形成纯的金属纳米微粒，而是附在先形成的纳米微粒的表 面，从而得到核壳结构微粒。 也可根据金属离子的还原顺序不同，步法制备核壳复合结构纳米微粒。 如r e m i t a 用电离辐射与超声辐射法将a u 、p t 、p d 先后从a u 3 + 与p t 2 + 以及p d 2 + 与a u 3 + 的混合溶液中还原出来，形成a l l c 0 廿“。和a u c 0 。p “。l i 复合微粒等 4 b , 4 9 。 此外，还可以核部和壳部都采用化学法还原。先用化学法将作为核部的金 属还原为纳米微粒，紧接着将作为壳部的金属盐加入其中，如果两种金属所用 的还原剂不同，还要同时加入另一种还原剂【5 0 】。 ( 2 ) 无机核金属壳复合纳米微粒的制备 主要是采用自组装的方法，在预制的电解质或半导体微粒表面沉积金属小 微粒而形成壳层。 ( 3 ) 半导体核半导体壳复合纳米微粒的制各 在有机溶剂中，金属盐经过一系列的处理形成异质半导体核壳结构复合微 粒。已制备出c d s e c o r c z n s s h e 、c d s 。o r c p b s s h e l 卜c d s e e o r e c d s s h c l 卜h g t e c o r e c d s 。h 。l l 等纳米微粒。 ( 4 ) 无机核有机壳结构复合纳米微粒的制备 通过有机物在无机微粒表面的吸附和聚合。如p a l e c h i k 等制备了无机核有 机硅聚合物壳复合微粒【5 1 1 。 核- 壳纳米微粒由于其独特的结构而表现出独特的物理、化学特性，在光学、 电磁学、催化等领域将有着广阔的应用前景。这一体系的研究将会开辟新的研 究领域，拓宽纳米材料学科。 总之，包括纳米微粒在内的纳米材料的制备涉及原子物理、凝聚态物理、胶 r 东北大学硕士学位论文第一章绪论 体化学、固体化学、制备化学、配位化学化学以及反应动力学表面与界面科学等 多学科的交叉与融合。因此，从某种意义上来说，纳米材料的制备技术的不断发 展势必把物理、化学、材料的许多学科推向一个纵深层次，也为2 1 世纪物理、化 学和材料科学的发展带来了新的机遇。 1 4 扫描探针显微镜 1 9 8 2 年在i b m 公司瑞士苏黎士实验室工作的g b i n n i g 和h r o h r e r 利用针 尖和表面间隧道电流随间距变化而变化的性质来探测物质表面结构，获得了实空 间的原子级分辨图剧5 2 ，删，从而发明了扫描隧道显微镜。这一发明使显微科学达 到了一个新的水平，促发了扫描探针显微术研究的蓬勃发展，并对物理、化学、 生物、材料等领域产生巨大的推动作用 5 4 1 。为此，g b i n n i g 和h r o h r e r 获得了 1 9 8 6 年诺贝尔物理奖【5 ”。 随着扫描隧道显微镜的出现，产生了扫描探针显微技术。其核心思想是：利 用探针尖端与表面原子间的不同种类的局部相互作用来测量表面原子结构和电 子结构。 1 9 8 6 年g b i r m i g 等又发明了扫描探针显微镜家族中的另个成员原子 力显微镜( a t o m i cf o r c em i c r o s c o p y , a f m ) 。a f m 的研制成功不仅使得在非导电 基底上获得原子水平的成像成为可能，而且它可用于表面弹性、塑性、硬度、摩 擦力等性质的研究，大大丰富了微观世界的研究领域。 其后，陆续出现了侧向力显微镜、磁力显微镜、静电力显微镜、力调制显微 镜、化学力显微镜、扫描电化学显微镜、扫描电容显微镜、扫描热显微镜、扫描 近场光学显微镜等。由于这些显微镜均是以微小的探针来“摸索”微观世界，故 统称为扫描探针显微镜。并相应出现了多种扫描探针显微技术。 1 4 1 扫描隧道显微镜【5 6 】 扫描隧道显微镜( s t m ) 是建立在量子力学的量子隧道效应基础之上的。由 量子力学可知当一微粒进入一势垒中，如果势垒的高度比微粒大，微粒穿过势垒 9 东北大学硕士学位论文 堕二垩竺 两个金属电极用一非常薄的绝缘层隔开， 论 出现在势垒的另一边的几率不为零。在 极板上施加电压，电子则会穿过绝缘层由负电极进入正电极，这称为隧道效应。 s t m 即是依靠探针和样品之间的隧道电流来感知样品的形貌的( 见图1 2 ) ，探针 是一个极小的针尖( 针尖直径可达单原子水平) 。把探针和待测物质的表面作为两 电极，当样品与针尖的距离接近到一定程度时( 小于l n m ) ，在外加电场的作用下， 电子会穿越两个电极之间的势垒从一电极流向另一电极，形成隧道电流。隧道电 流的大小取决于针尖与表面间距及表面的电子状态。当样品表面为同一种原子时， 隧道电流与探针和样品表面间距呈指数关系。 图1 2s t m 原理示意图 f i g 1 2as c h e m a t i cd i a g r a mo f p r i n c i p l eo f s t m s t m 有恒高度( c h m ) 和恒电流( c c m ) 两种主要操作模式。当针尖在被 测表面上方做平面扫描时，样品表面的起伏引起隧道电流的变化从而构造出样品 表面形貌图，这种操作模式即为恒高度模式。它适用于研究样品表面的电学特性。 如果样品表面起伏较大，为了避免针尖撞击样品表面造成针尖的损坏，在扫描的 过程中可以保持隧道电流不变( 即间距不变) ，使针尖在扫描中随表面起伏上下移 动，这种操作模式叫做恒电流模式。它主要用于研究物质表面的拓扑结构。目前 1 0 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 s t m 大都采用这种工作模式。 一般来说隧道显微镜可以分为三大部分：隧道显微镜主体、控制电路和计算 机控制( 测量软件及数据处理软件) 。隧道显微镜主体包括针尖( 或样品) 的平面 扫描机构、样品与针尖间距控制调节机构、系统与外界振动的的隔离装置。 与其他表面技术相比，s t m 具有以下优点： ( 1 ) 具有原子级的高分辨率； ( 2 ) 可实时地得到在实空间中表面的三维图像； ( 3 ) 可阻观察单个原子层的局部表面结构： ( 4 ) 可在真空、大气、常温、低温、高温等不同环境下工作，甚至可将样品 浸在水和其他溶液中。 1 4 2 原子力显微镜【5 7 】 原子力显微镜( a f m ) 的原理是：通过检测针尖与样品接触时的微小作用力 的变化来获得信息，如图1 3 所示。 榆科器 图1 3 a f m 原理示意图 f i g 1 3a s c h e m a t i cd i a g r a mo f p r i n c i p l eo f a f m 东北大学硕士学位论文第一章绪论 当针尖接近样品时，针尖受到力的作用使悬臂发生偏转或振幅改变，检测系 统检测到悬臂的这种变化后将其转变成电信号传递给反馈系统和成像系统，记录 扫描过程中一系列探针的变化就可以获得样品表面信息图。 a f m 的组成主要有：检测系统、扫描系统和反馈控制系统。探针是a f m 检 测系统的关键部分，它是由悬臂和悬臂末端的针尖组成的( 见图1 4 ) 。悬臂一般 是由s i 或s i 3 n 4 经光刻技术加工而成的。悬臂的背面镀有一层金属以达到镜面反 射的效果。 图1 4a f m 中两种常用探针：s i 3 n 4 ( 左) ；单晶硅( 右) f i g 1 4t i p so f a f m ：s i a n 4 ( 1 e f l ) ；s i ( r i g h t ) 原子力显微镜有四种基本成像模式：接触式、非接触式、轻敲式和升降式。 ( 1 ) 接触式成像( c o n t a c tm o d e ) 探针与样品表面进行“软接触”，当两者距离足够近时，探针悬臂发生弯 曲。通过检测这种弯曲就可进行样品形貌观察。 ( 2 ) 非接触式( n o n - c o n t a c tm o d e ) 探针以特定的频率在样品表面附近振动。当探针接近样品表面时，探针 共振频率或振幅发生变化，反馈控制回路得到变化信号后，通过移动扫描器 来保持探针共振频率或振幅恒定，以使探针与样品表面平均距离恒定，计算 机通过记录扫描器的移动获得样品表面形貌图。 ( 3 ) 轻敲式( t a p p i n gm o d e ) 用一种恒定的驱动力使探针悬臂以一定的频率振动，样品表面的起伏引 起探针振幅的变化，检测系统检测后呈现样品表面形貌。 ( 4 ) 升降式( 1 i f tm o d e ) 在磁力显微镜和静电力显微镜中，首先获得高度信息，然后把探针抬到 设定的高度沿形貌图路线扫描样品，得到除去高度影响的静电力和磁力分布。 1 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 目前，科学家除了用s p m 对d n a 、蛋白质、氨基酸、生物膜结构及大尺度生 物样品表面形貌进行研究外，还用s t m 进行纳米加工。 1 5 课题的意义和目的 表面增强拉曼散射( s e r s ) 在物质的分析，尤其是在痕量分子的结构分析上 有着强大的潜在优势。以纳米微粒为增强物质来制备s e r s 活性基底由于具有制各 简单、应用范围广泛等优点而越来越受到人们的青睐。其中制备粒径大小分布均 一的纳米微粒对于s e r s 研究结果重现性的提高和其定量分析应用的推动性均有 很大的意义。作为具有最佳的表面增强效应的a g 和a u ，在制备其纳米微粒时均 存在着微粒易聚集、粒径分布不均一等缺点，尤其是a g 纳米微粒，这大大影响了 表面增强拉曼散射信号的重现性和稳定性。但p t 纳米微粒却表现出格外好的分散 性和均性。因此我们选择在制备出大小均一的p t 纳米微粒外包裹a g 和a u 来提 高纳米微粒粒径分散的均匀程度，从而制备出增强能力强和重现性能好的表面增 强拉曼活性基底。 1 3 东北大学硕士学位论文第二章新型表面增强拉曼散射活性基底的制备 第二章新型表面增强拉曼散射 活性基底的制备 2 1 实验部分 2 1 1 实验材料 实验所用基底为云母片，使用前用透明胶带解离。 罗丹明6 g ，简称r h 6 g ( c 2 8 h 2 9 n 2 0 3 ) ， e x c i t i o nc h e m i c a lc o i n c ，u s a ； 硝酸银( a g n 0 3 ) ，北京化工厂； 柠檬酸钠( c 6 h s n a 3 0 7 2 h 2 0 ) ，北京化工厂； 3 氨丙基三甲氧基硅烷，简称：a p t e s 或a p ( n h 2 c h 2c h 2 c h 2 s i ( o c h 3 ) 3 ) ， 9 9 ，s i g m a - a l d r i c hi n c ，u s a ； 聚赖氨酸( p o l y - l - l y s i n e ) ，北京化工厂； 十六烷基三甲基溴化胺，简称：c t a b ( c 1 9 h 4 2 b r n ) ，北京益利精细化工品 有限公司； 实验所用水均是二次去离子水。所有试剂均为分析纯。 2 1 2s e r s 测定 实验采用r e n i s h a w2 0 0 0 型共聚焦显微拉曼光谱仪( r e n i s h a wp l c m i c r o s c o p y p r o d u c t i o nd i v i s i o n u k ) ，带有c c d 检测器和全息滤光器；5 1 4 5 r m 的a r 十激光作为 激发光源，：r j j 率为2 5 m w ；显微镜附有l e i c ad m l m 系统，n s o x 物镜将激光聚焦 于样品表面成直径为1um 的光点，采谱时间为3 0 s 。 1 4 东北大学硕士学位论文 第二章新型表面增强拉曼散射活性基底的制备 2 1 3 原子力显微镜表征 n a n o s c o p ei l i a 复合模式的a f m 系统( d i g i t a li n s t r u c m e n t s ，s a n t ab a r b a r a ，c a ， u s a ) ，在接触式模式下工作，实验选用最大范围为1 2 0 “m 的j 型s c a n n e r 。悬臂 为1 1 5 “m 长的s i 3 n 4 针尖，购于d i g i t a li n s t r u m e n t s 公司，在室温空气中成像。 2 2s e r s 活性基底的制备 2 2 1a g 纳米微粒的制备 a g 纳米微粒采用柠檬酸钠还原法制备。9 0 0 m g 的a g n 0 3 加入盛有4 0 0 m l 二次 水的烧杯中，加热至沸腾，边搅拌边加入1 的柠檬酸钠溶液1 0 0 m l ，沸腾1 h 后冷 却至室温，定容为5 0 0 m l 。 2 2 2s e r s 活性基底的制备 o 0 5 的a p t e s 水溶液、0 1 0 的聚赖氨酸水溶液、o 7 4 9 i 的c t a b 水溶液各 1 5 0ul 滴于新解离的l c m x1 c m 的云母表面，吸附2 0 分钟后用二次水冲洗两次，将 这三种不同物质修饰的云母和新解离的未加任何修饰的云母均浸泡于a g 溶胶中， 2 h 后取出在空气中晾干，取2 0 0ul 不同浓度( 4 4 1 0 6 4 4 1 0 4 n g l ) 的r h 6 g 甲 醇溶液滴于吸附t a g 纳米微粒的云母表面，用于s e r s 测定。 2 3 结果与讨论 常规拉曼散射能检测到r h 6 g 的最低浓度为4 4 1 0 。1 扎。 a g 纳米微粒直接组装在裸露的云母和a p t e s 修饰的云母表面，能检n t f 1 5 r h 6 g 的最低浓度分别为4 4 1 0 一m g l * n 4 4ue g l ；图2 1 是吸附于a g 纳米微粒组装在聚 赖氨酸、c t a b 修饰的云母表面制备的活性基底上r h 6 g 的s e r s 谱图，这两种活性 1 5 查些垄堂堡主兰堡垒查堑三主堑型查重堂堡垫墨兰堕兰竺叁塞竺型鱼 基底能检测出r h 6 g 的最低浓度均为4 4 x1 0 。3 n g l ，但从图中可以看出，c t a b s e r s 活性基底的增强效果较好，聚赖氨酸一s e r s 活性基底增强效果较差。 图2 1 不同的s e r s 活性基底上4 4 1 0 3 n g l r h 6 g 的s e r s 信号比较 “b 分别为a g 纳米微粒自组装于聚赖氨酸和c t a b 修饰的- x n ：表面) f i g 2 1c o m p a r eo f s e v e r a ld i f f e r e n ts e r sa c t i v e s u b s t r a t e s b ：o o l y l - l y s i n e - m i c a a n dc t a b - m i c a , r e s p e c t i v e l y ；r h 6 gc o n c e n t r a t i o n ：4 4 1 0 。3 n g ，l ) 为什么不同物质修饰的活性基底的表面增强效果不同呢? 主要原因是不同修 饰物在云母表面的吸附行为不同而对a g 纳米微粒的自组装产生不同的影响。 新解离的云母表面为电负性，由柠檬酸根保护的a g 纳米微粒的表面也是电负 性的，故其不易在裸露的云母表面实现自组装和聚集，s e r s 的表面增强效果最差。 a p t e s 和聚赖氨酸在水溶液中可水解生成带正电的氨基，水解的a p t e s 和聚 赖氨酸均与云母表面通过静电作用发生吸附。一般认为a p t e s 以氨基与云母表面 作用时，由于其链较短易将氨基包围起来，形成的吸附层均以有机链端在外层， 不利于a g 纳米微粒的自组装与聚集，所以表面增强的效果也比较差。聚赖氨酸应 以平铺的方式吸附于云母表面，由于其上面的氨基较多，所以除了与云母表面静 电作用的氨基外，还有部分氨基剩余，与a p t e s 相比，可组装更多的a g 纳米微粒， 表面增强效果要好一些。 1 6 li c 粤量 东北大学硕士学位论文第二章新型表面增强拉曼散射活性基底的制备 作为阳离子表面活性剂c t a b 吸附于云母表面和a g 纳米微粒的自组装其上的 过程有所不同。c t a b 虽然也是通过其上带正电的氨基静电吸附于云母表面，但如 果c t a b 的浓度高于其实验条件下的临界胶束浓度( c m c ) ，c t a b 不仅会以正电的 氨基朝下与云母表面结合，有机链竖直向上地排列在云母表面形成一层紧密排列 的吸附层，同时由于疏水的作用，c t a b 还会以相反的方向，即有机链与第一层的 有机链末端相接，带正电的氨基裸露在表面的形式再吸附一层【58 】( 如图2 2 所示) 。 麟。捌 图2 2c t a b 在云母表面吸附过程示意图 f i g 2 2a s c h e m a t i cd i a g r a mo f a d s o r p t i o no f c t a bo nm i c a b 因此，c t a b 在云母表面形成紧密的双吸附层结构。由于上层带正电的氨基的 紧密排列，使得c t a b 一云母表面的正电要比a p t e s 一云母和聚赖氨酸云母表面的正 电荷都多且均匀，从而导致y a g 纳米微粒在c t a b 一云母表面自组装效果要好于在 a p t e s 一云母表面和聚赖氨酸一云母表面的自组装效果。常温下，c t a b 的临界胶束 浓度( c m c ) 为o 3 0 e ) l t 5 9 1 。本实验采用的c t a b 的浓度为0 7 4 9 l ，故可以形成如上 表述的双层的c t a b 吸附层。 图2 3 为本实验 c t a b ( o 7 4 9 l ) 吸附于云母表面的接触模式下的a f m 成像图。 从图中可以看出，大部分云母表面已有c t a b 吸附其上，并且c t a b 在云母表面吸 附得比较均匀、平整。中间存在的小孔是未吸附c t a b 的云母表面，d q l 的产生可 能是溶液中存在的气泡所致。 1 7 东北大学硕士学位论文 第二章新型表面增强拉曼散射活性基底的制备 图2 3c t a b ( 0 7 4 9 l ) - 云母的a f m 图像 f 蟾2 3a n a f mi m a g eo f c t a b ( o 7 4 9 l ) - m i c a 本实验以罗丹明6 g ( r h 6 g ) 为探测分子，比较了将纳米微粒自组装于裸露的 云母、3 一氨丙基三甲氧基硅烷( a p t e s 或a p ) 、聚赖氨酸( p o l y - l l y s i n e ) 、十六 烷基三甲基溴化胺( c t a