（光学专业论文）偶合纳米金属溶胶的表面增强拉曼散射活性研究和新型sers基底的制备.pdf

摘要 表面增强拉曼散射( s u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) 是一种异常的表面 光学现象，可以将吸附分予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，已经被广泛应用于化学、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。金属溶胶以其成本低廉、制 各简单、增强效果好而被广泛使用。基于溶胶的聚集效应对表面增强拉曼散射活 性有明显增强的事实，本文着重研究了银、金混合纳米溶胶体系中的s e r s 效应。 结果表明，碱性品红引起的银溶胶颗粒聚集具有团状堆积的特点，而合溶胶颗粒 聚集具有网状连接的特点。在混合溶胶聚集过程中，这两种聚集作用相互影响导 致了与单独银胶和金胶不同的聚集形态，可以有效的增强其拉曼散射活性。我们 通过改变混合胶体中的金银的相对比例以及金、银溶胶和吸附分子的混合顺序来 优化调节混合胶体体系的颗粒聚合形态，从而有效的提高表面增强拉曼信号的强 度。 同时，本文探索了一种新型的s e r s 活性基底的常i 各方法，通过对全息干板 进行曝光、显影和定影，获得了一种具有良好的表面增强拉曼散射活性的全息干 板银膜。用紫外一可见光谱和扫描电子显微镜对银膜的形貌进行了表征，以结晶 紫为探针分子研究了其拉曼散射活性。结果表明，经过制备后的全息干板银膜上 均匀分布着粒径均的银粒子，该银膜具有较强的表面增强拉曼散射活性，且具 有使用方便、稳定性好、可重复性高等优点。另外，本文还研究了曝光和显影条 件对全息干板银膜形成的影响，发现全息干板经过充分曝光和显影后，具有稳定 的s e r s 活性，且通过对曝光条件和显影条件的调控，可以获得适合需要的具有 特定粒子密度和粒径的银粒子膜。 关键词：表面增强拉曼散射，紫外一可见光谱，全息干板银膜，结晶紫 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 n s c a t t e r i n g ( s e r s ) i s a u n i q u e s u r f a g e o p t i c a l p h e n o m e n o n f o rt h a tr a l r t a r ls i g n a l so f t h em o l e c u l e sa d s o r b e do ns o m em e t a ls u r f a c e c a l lb ee n h m a c e d b y t h ef a c t o ro fs e v e r a l m i l l i o n s s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a n s p e c t r o s c o p ys h o w sh i g hs e n s i t i v i t y f o r d e t e c t i n gt h e m o l e c u l e sa d s o r b e do nt h e s u r f a c eo f t h em e t a l si ns u b - m a dm o n o m o l e c u t a r l a y e r s ，a n dp r e s e n t sp l e n t i f u ls u r f a c e i n f o r m a t i o no ft h em o l e c u l a rs t r u c t u r e t h e r e f o r e ，t h e - s p e c t r o s c o p yh a sb e e n w i d e l y u s e di ns o m es c i e n t i f i ca n dt e c h n i c a lf i e l d si nr e c e n ty e a r s ，s u c ha sc h e m i s t r y , b i o l o g y , s u r f a c es c i e n c e ，q u a l i t a t i v ea n d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s ，a t e w i m t h ed e v e l o p m e n to f t h e r e s e a r c h ，s e r si sg r a d u a l l yb e c o m eo n eo ft h er e s e a r c hm e t h o d sf o rt h 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 a p p r o p r i a t e s u b s t r a t ei st h e p r e m i s e s t oo b t a i nf a v o r a b l e s u r f a c e e n h 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 da ss u b s t r a t e sf o rt h e i rl o wc o s t , s i m p l e p r e p a r a t i o n a n df a v o r a b l ee n h a n c e m e n t o nt h eb a s i so ft h ef a c t t h a tc o l l o i d a l a g g r e g a t i o n h a ss i g n i f i c a n te n h a n c e m e n tt os e r sa c t i v i t y , w ef o c u s e do nt h es t u d yo f t h es e r se f f e c ti nm i x e ds i l v e r - g o l dc o l l o i d a ls y s t e m 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a ts i l v e r c o l l o i da g g r e g a t i o n si n d u c e db yb a s i cf u c h s i n ef o r ms o m ek i n d so fc l u s t e r - c l u s t e r a g g r e g a t ep a t t e r n s ，w h i l e t h e g o l d c o l l o i d a g g r e g a t i o n s n e t l i k e p a t t e r n s t h e i n t e r a c t i o n sb e t w e e nd i f f e r e n tk i n dp a r t i c l e si n d u c et h em o r p h o l o g i e so ft h em i x e d c o l l o i dd i f f e r e n tf r o mp u r es i l v e ro rg o l dc o l l o i d ，w h i c hr e s u l t si n e f f e c t i v e l y e n h a n c i n gt h er a m a ns c a t t e r i n ga c t i v i t y i nt h i sp a p e r , t h ei n t e n s i t i e so ft h es e r s s i g n a lw e r ee f f e c t i v e l ye n h a n c e db yo p t i m i z i n gt h ea g g r e g a t i o nm o r p h o l o g i e so ft h e m i x e dc o l l o i d a ls y s t e m sb ym e a n so f c h a n g i n gt h er e l a t i v er a t i oo f s i l v e ra n dg o l di n m i x e dc o l l o i d s ，t h em i x e do r d e ro fg o l da n ds i l v e rc o l l o i d sa sw e l la sa d s o r b e d m o l e c u l e s a d d i t i o n a l l y , an e wm e t h o df o rp r e p a r i n gs e r s - a c t i v es u b s t r a t ew a sr e p o r t e d a f t e r e x p o s e d ，d e v e l o p e d a n df i x e d ，t h ec o m m e r c i a l l ya v a i l a b l eh o l o g r a p h i cp l a t ec a n b eu s e dt og e n e r a t ea t t r a c t i v es e r s a c t i v es i l v e rs u r f a c e t h eo b t a i n e ds i l v e rf i l mw a s c h a r a c t e r i z e d b yu v - v i ss p e c t r o s c o p y a n d s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) o b s e r v a t i o n i t sr a m a n s c a t t e r i n ga c t i v i t yw a s s t u d i e db yu s i n gc r y s t a lv i o l e t ( c v ) a s t h ep r o b i n gm o l e c u l e s t h er e s u l ts h o w st h a tt h es i z e so ft h es i l v e rp a r t i c l e so nt h e p r e p a r e d s u b s t r a t ea r eu n i f o r r f la n ds u c hs u b s t r a t eh a st h ef e a t u r e so fe x c e l l e n t r e p r o d u c i b i l i t y , l o n gt e r ms t a b i l i t ya n dh i 曲s e r sa c t i v i t y f o r t h e r m o r e ，w es t u d i e d t h ee f f e c t so f e x p o s a la n dd e v e l o p i n gt i m eo nt h ef o r m a t i o no f t h es i l v e rf i l m t h e s i l v e rf i l m h a s s t a b l e s e r s a c t i v i t y a f t e r s u f f i c i e n t l ye x p o s e d a n d d e v e l o p e d m o r e o v e r ，t h eo p t i m i z e ds i l v e rf i l mw i t l l d e s i r e dp a r t i c l ed e n s i t ya n ds i z ec a l lb e o b t a i n e db ym a n i p u l a t i n gt h ee x p o s a la n dd e v e l o p i n g 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 c a t t e r i n g ，u v - v i ss p e c t r o s c o p y , h o l o g r a p h i c p l a t e s i l v ；rf i l m ，c r y s t a lv i o l e t 萤垂篮硕士学位论文答辩委员会成员名单 姓名职称单位备注 陈扬驳教授华东师大物理系 主席 毕志毅教授华东师大物理系成员 印建乎教授华东师大物理系成员 学位论文独创性声明 本人所星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_ i = j j 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：垂盔重日期 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。 学位论文作者签名：丧素 导师签名 日期日期 勺 第一章绪论 第一章绪论 1 1背景介绍 1 9 7 4 年，f l e i s c h m 籼发现，当吡啶吸附在银电极上时，其拉曼散射强度有 异常的增强，增强倍数达1 0 4 1 0 6 ，但是他们认为这种现象是由于电极表面的粗 糙化，使得电极真实表面积增加，从而吸附的吡啶分子的量增加而引起的，并没 有意识到粗糙表面本身对吸附分子的拉曼光谱信号会产生增强作用。1 9 7 7 年， v a nd u y n e 2 和c r e i g h t o n 3 】研究组发现吸附在粗糙银电极表面的每个毗啶分子的 拉曼信号要比溶液中单个吡啶分子的拉曼信号大约强1 0 6 倍。此后许多研究组都 证实了，当某些分子被吸附到金、银或铜的粗糙化表面时，其拉曼信号都会出现 显著增强，而这种现象并不能简单的用粗糙化表面的表面积增加来解释。因为粗 糙银电极的表面积只不过增加了1 0 倍多，而实验中经过计算得到的增强因子达 到1 0 4 1 0 7 倍。经过进一步的实验和计算，他们证明在粗糙金属表面上出现的拉 曼信号成百万倍的增强现象不是由于吸附分子的量的增加引起的，而是由于拉曼 散射效率自身的极大提高，这种现象后来被称为了表面增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ) 效应，简称s e r s 。 由于首次发现s e r s 效应是在电化学池中，因此人们对通过电化学方法产生 的s e r s 效应进行了广泛的研究。电化学方法主要是通过电极电位的改变，使金 属电极表面经历氧化还原循环而粗糙化。j b i l l m a n n t 4 1 等人研究了银电极分别在 n a 2 s 0 4 和k c n 电解液中的s e r s 效应，o t t o i 5 】等以卤化物为电解质研究了吡啶 的s e r s 效应。m m o s k o v i t s l 6 1 和v a nd u y n e 1 7 】指出了电化学池中影响s e r s 效应 的因素主要有以下几种：电化学氧化一还原周期( o r c ) 的次数，在o r c 过程 中通过电极的电量，溶液的浓度，电极电势，电解液的性质。b e r t o l i n e s l 研究了 h m t a 分子吸附在银电极上的s e r s 光谱，说明了其光谱强度与电极电势、电解 液p h 值，电解质中的阴离子。激发波长等的关系。m a c o m b e r t g ! 指出在o r c 过 程中如果对电极进行光照的话，s e r s 增强因子有显著增加。 另外人们对其它一些金属电极上出现的s e r s 效应也进行了研究，如铜电极 在c l 一、b r 一、i - 、8 0 4 2 - 电解液中的s e r s 效应【1 0 】，金电极，具有铂和钯涂层 的粗糙金电极【，具有银涂层的石墨单晶和玻璃碳电极【l 副等。 c r e i g h t o n t l 4 1 早期就发现银胶粒子上的吸附分子会呈现s e r s 效应，并通过电 子显微镜的测量发现加入吸附分子后的胶体样品呈链状粒子聚积状态。w e t z a l 【l 刈 第一章绪论 于1 9 8 0 年制各出了稳定的银胶，并测量了吸附吡啶时的激发轮廓和消光谱。k u v o nr a b e n t 6 对五种银胶系统的弹性散射谱、消光谱以及粒子大小的分布进行了 研究，发现银胶中的s e r s 与入射激光波长有关，与弹性散射和消光谱的激发轮 廓相比s e r s 谱的激发轮廓最大值更靠近长波方向。 j i a nw a n g 和p i n g z h a n g l l7 j 研究了a g c l 胶体上的s e r s 效应，并对花青染料 分子在胶体上的吸附态进行了分析。p _ b d o r a i n i l8 j 研究了a u 胶中某些吸附物的 氧化一还原反应，观察到金与银不同，金粉对n o 、n 0 2 、s 0 2 、c o 或c 0 2 气体 裸露时无s e r s 现象。s a n e h e z - - c o r t e s i l9 】获得了银胶和铜胶中d m c 分子的s e r s 效应，并发现两种胶体对吸附分子拉曼信号的增强有明显不同。 随着研究的深入，人们注意到在银胶中加入额外的分子或离子也会引起吸附 分子s e r s 强度的变化。h w e t z e l 研究表明银胶中吡啶分子的s e l l s 会因加入 k c l 而进一步增强。m o s k o v i t s 2 0 l 也报道了c l 一、b r 一、i 一这些卤素离子对银胶中 吸附分子的吸附状态会产生影响。苗润才忙l j 等观察到吡啶分子1 0 0 8 c m 叫和 1 0 3 6 c m _ 1 两个s e r s 谱线的相对强度随k c l 浓度的变化而变化，并将其定性解 释为吸附分子取向的变化。 除了金属电极和贵金属溶胶，人们也对其它基底上的s e r s 效应进行了研 究。f a nn i 2 2 , 2 3 报道了用常规土伦试剂把a g 涂在冷却的玻璃片上得到的化学沉 积银膜具有s e r s 活性。d b e a g l e h o l e 2 4 1 等采用超高真空方法，把银热蒸镀在 c a f 2 膜上，并通过电镜观察到银膜的粗糙度为5 0 n m 左右。a o t t o 和s q s c h u l t z 2 5 】等提出利用机械抛光方法可以获得s e r s 活性金属表面，对高纯度的 s e r s 活性金属银和铜等，用不同粒度的a 1 2 0 3 悬浮液机械磨抛其表面，便可得 到相应粒度的表面粗糙度。k c l e e 2 6 】和薛奇【2 7 】等将用细沙磨光后的银片放入一 定浓度的h n 0 3 ( 或h 2 0 2 、n h 4 0 h ) 溶液中，采用化学刻蚀金属表面的方法， 便可得到具有一定粗糙度的s e r s 活性银表面。 近年来，人们对制备的新型基底上的s e r s 活性进行了研究，这些新型s e r s 基底具有粒径均匀可控等优点，有助于深入了解s e r s 增强机理和扩大s e r s 光 谱的应用范围。p el i a o t 2 8 1 利用微型平版印刷技术制得了大小均匀、线度为 1 0 0 r i m 的各种形状的孤立银粒子规则排列的s e r s 活性基底，对s e r s 的电磁理 论研究起了重要作用。j p g o u d o n n e t 2 卅改变了l i a o 的技术，用不同的方法也制 得了规则椭球状金属粒子基底，他对硅表面热生长的s i 0 2 层由反应离子刻蚀制 得规则排列的s i 0 2 柱子，并且使用透明熔凝石英作为衬底以便对光吸收进行测 量。朱涛3 0 等采用分子组装技术，通过在金上偶氮苯自组装单分子膜表面真空沉 积银岛膜的方法获得了一个上下是金属，中间含r a m a n 活性基团的有机超薄膜 所构成的“三明制”结构，从而尽可能避免了s e r s 增强中化学因素的影响，可 第一章绪论 以进一步研究电磁增强效果。 在不同的活性基底上发现的s e r s 效应归根结底有以下一些优点：第一，具 有很高的灵敏度，一般检出限量都在纳克( n g ) ，检出浓度大多在1 0 _ 5 m 以下， 可用于微量检测；第二，检测时所使用的激光功率不高，大部分集中在l o 4 0 r o w ，不容易损害所测物质；第三，能够荧光淬灭，可有效的回避荧光对信号 检测的干扰，可用于研究具有荧光的生物和生物医学分子材料；第四，不需要超 高真空条件，以光子为探针，可以进行实时实地的痕量分析。因此s e r s 不仅可 以用于研究吸附分子在表面的取向、几何状态及在外界影响的变化，研究表面和 分子间“成键”情况或吸附的本质，而且可以用于研究表面的化学反应、光化学 反应和催化过程等。具体应用如下： 1 利用s e r s 效应研究电化学反应机理【3 】 s e r s 效应在电化学反应机理的研究中起着重要作用。例如，在研究稀h 2 s 0 4 中金电极上进行反应的中间体时，就可以通过不同电位时测得的s e r s 谱线强弱 变化，判断出反应中间体的类型。 2 利用s e r s 效应研究金属腐蚀 利用s e r s 效应测量金属腐蚀后得到的钝化膜层，可以从钝化膜层的谱线位 置判断金属在其它体系中的腐蚀后的结构形式。 3 s e r s 效应用于生物化学研究和医学 s e r s 效应可以用来研究蛋白质、d n a 和肌红蛋白等分子吸附在银胶和银电 极上的分子构型、界面行为和某些反应动力学等，还可以用来研究核酸、血红素 生色团和色素等，并获得核酸及其组分和构型变化等信息。i r n a b i e v 3 2 1 利用 s e r s 对d n a 、蛋白以及高分子络合物的结构功能进行了研究，并且使研究水平 提高到1 0 一、1 0 - 9 m 程度。近年来，表面增强拉曼散射在生物和医学领域的应用 异常活跃，并且在简单生物分子的微量检测【3 引，d n a 操作技术 3 4 , 3 5 】，免疫检测 3 6 1 以及决定活体细胞内生物分子和药物分布的表面增强拉曼散射微探针方法上 取得了很大进展，能够在浓度低于1 0 “。m 的情况下获得高质量的拉曼谱图，通 过酶免疫检测方法获得1 0 ”m o y m l 的检测限。 4 痕量分析 s e r s 效应这一新的分析技术为痕量分析提供了新的可能，s e r s 效应最显 著的优点是所需样品数量少，这一技术已用于过渡金属酞菁染料的痕量分析。 t v o d i n h 等人利用s e r s 效应对苯甲酸和咔唑等进行有机痕量分析，在它们的 增强基底( 银滤纸) 上，探测到苯甲酸、咔唑和氨基芘的极限分别为0 3 ，0 , 2 ， 1 4 n g 。r p - v a nd u y n e 3 7 1 首次在电化学系统中微米大小的样品上实现了空间分辨 s e r s ，并且把质量测定的极限提高到1 0 5 个分子或者说0 1 7 阿托摩尔。 第章绪论 5 用于材料科学和半导体光电器件的研究 把s e r s 技术扩展到半导体或其它固体表面，发展成为一种描述分子实时的 光谱方法，这对于在分子水平上了解固体表面态的物理和化学性质有重要意义。 这种方法的基本思想是采用电化学或化学沉淀法，在吸附有某种分子的固体表面 上沉淀尺寸合适的银粒子，形成“夹层”结构。雷诺等人利用这种方法研究了铝 表面吸附分子的特性，v a nd u y n e 等人利用这种扩展方法探测了半导体g a a s 光 电化学表面碳和氧的污染。e a w a c t c h e r 【3 s l 把计算机控制的便携式分光计与光纤 探针耦合，再将s e r s 引入其中，实现了对地下水中有机成分的实时检测以及有 害废物的检查，使水中有机成分的检测范围增宽。， 6 用于催化与热分解过程的研究 人们已在某些金属表面上观察到s e r s 效应，而这些金属本身又是常用的催 化剂。因此，可以在催化过程中利用s e r s 效应实时探测中间产物。同样，许多 热分解过程的中间产物也可利用s e r s 效应探测出来，如跟踪观察碳酸盐的热分 解等。 迄今为止，关于表面增强拉曼光谱已有很多研究，但是表面增强拉曼散射的 机理仍不是十分了解，目前普遍被人们接受的主要有两种：物理增强和化学增强。 物理增强模型起源于金属表面局域电场的增强，其中具有代表性的有表面等离子 体共振模型、表面镜像场模型、天线共振子模型等，而化学增强将表面增强拉曼 散射现象归结于分子极化率的改变，化学类模型主要有电荷转移模型、活位模型 等。物理类模型可以较好的解释为什么在金、银和铜的表面上有较强的s e r s 效 应，只有在粗糙金属表面才能观察到s e r s 现象，在离基底表面较远的距离时也 能观察到s e r s 增强作用等现象，但是却不能解释为什么不同的分子有不同的增 强因子，s e r s 强度不与激发光频率的四次方成正比等问题。因此最新的实验理 论都认为，在s e r s 效应中，既有物理增强作用又有化学增强作用，表面增强拉 曼散射是物理增强和化学增强共同作用的结果。 s e r s 效应与基底的粗糙度有密切关系。在银溶胶体系中，凝聚状态对其 s e r s 增强效应有很大影响。张鹏翔【3 9 】等测绲水杨酸的8 0 9 c m _ 1 谱峰在银胶上的 增强因子为2 3 x 1 0 4 ，但在加入较好的凝聚剂吡啶后，增强因子可增加1 0 倍。银 胶的凝聚状态可以从吸收光谱上反映出来，没有凝聚的银胶只在3 9 0 n m 处有一 吸收峰，但在一定程度的凝聚后，在长波方向又会出现一吸收峰，其位置和强度 取决于所加入的凝聚剂的种类，一般而言，具有s e r s 效应的分子都能使溶胶产 生不同程度的聚集。同样，一些研究组认为，具有岛状结构的银膜有较好的s e r s 增强效应。凌德洪【4 等发现粗糙度为1 5 0 n m 左右的化学沉积岛状银膜有最佳的 增强效应。薛奇【4 1 l 等认为，对于硝酸刻蚀形成的银基底，具有1 0 1 0 0 n m 岛状 4 第一章绪论 结构的表面是最好的。梁二军1 4 2 等观察到对氨基苯甲酸在化学沉积银膜上的 s e r s 强度随时间下降，他们认为这是由于激光退火引起表面粗糙度变化而引起 的。 尽管表面增强拉曼光谱经过了长时间的发展，但目前仍未能成为常规的检测 手段雨普遍使用，其主要原因是对决定灵敏度、稳定性和可靠性的因素的研究还 不够充分，不能够简便、可靠的控制表面增强拉曼散射的条件。近年来，基于纳 米粒子聚集体的集体作用对表面增强拉曼散射活性有明显的增强，纳米溶胶的表 面形貌及聚集态对表面增强拉曼散射效应的影响受到人们的普遍关注，有关表面 增强拉曼散射的研究重点已经逐渐从单粒子转向具有相互作用的多粒子聚集体 景1 4 3 , 4 4 , 4 舅。另一方面，由于s e r s 活性基底是决定s e r s 光谱稳定性和可靠性的 重要条件，探索制各具有增强能力强、稳定、易于制备和储存、使用方便等特点 的新型s e r s 纳米结构活性基底具有非常重要的意义，是s e r s 领域研究的热点 之_ _ 1 4 6 ，4 7 , 4 9 。 1 2 本文工作 本文通过不同聚集特性的金、银溶胶之间的相互偶合作用，实现了混合溶胶 的纳米分散体系不同的聚集体形态的调控。同时。通过优化调节相关因素控制纳 米粒子的聚集形态，探索进一步提高吸附分子表面增强拉曼散射灵敏度的方法， 加深对表面增强拉曼散射效应的认识。 我们还通过对卤化银全息干板的还原，制备了新型的s e r s 活性基底。该基 底具有较强的s e r s 活性，同时还有制备简单、使用方便、可控性好、重复性高 等优点，有助于对s e r s 增强机制的研究和表面增强拉曼光谱的应用。 本文的主要研究成果概括如下： 1 采用柠檬酸三钠还原硝酸银和氯金酸的方法制备了银胶和金胶，并用紫 外一可见光谱和透射电镜对所制得的胶体进行了结构形态表征。实验结果表明： 制各的银溶胶颗粒尺寸分布较宽。颗粒形貌不够规则均匀。这主要是由于银颗粒 生长较慢，制备过程中的各种条件对银颗粒的大小、尺寸分布以及形貌结构影响 较大。制各的金溶胶则具有颗粒均匀，粒径分布较窄的特点。金胶生长较快，所 以在金胶颗粒的形成过程中，起主要作用的是加入的还原剂的量。 2 研究了碱性品红分子在银胶和金胶颗粒表面的吸附特性。碱性品红分子 能有效的吸附在银胶和金胶颗粒的表面并且引起分散的银胶和金胶颗粒的聚集。 我们发现碱性品红引起的银胶颗粒聚集具有团状堆积的特点。而碱性品红引起的 第一章绪论 金胶颗粒聚集具有网状连接的特点。碱性品红吸附在银胶和金胶颗粒表面，都能 产生较强的表面增强拉曼散射效应，但是比较而言，银胶的表面增强拉曼散射活 性明显高于金胶。 3 首次研究了碱性品红分子在银金混合溶胶中的吸附特性。碱性品红分子 吸附在银胶和金胶颗粒表面时会产生不同的聚集状态。而当把银溶胶和金溶胶混 合时，银颗粒和金颗粒都能较好的分散在溶液中，此时加入碱性品红分子，则由 于碱性品红在银、金溶胶中的不同的聚集特性，导致了其在混合溶胶中与单独银 胶和金胶中不同的聚集形态。在此过程中，银、金溶胶混合比例对混合体系的最 终形态具有很大影响。 4 ，对溶胶凝聚结构形态和表面增强拉曼散射活性的关系进行了深入的研 究。金属胶体颗粒的大小，形貌和聚集形态对吸附分子在金属溶胶表面上的表面 增强拉曼散射效应的强弱起决定作用，合适的胶体凝聚结构形态可以有效的增强 溶胶对吸附分子的拉曼散射活性。我们通过改变混合溶胶中的金银的相对比蜘j 以 及金、银溶胶和吸附分子的混合顺序来优化调节混合胶体体系的颗粒聚合形态， 从而有效的提高表面增强拉曼信号的灵敏度。 5 首次以全息干板为材料制备了s e r s 活性基底并研究了其表面增强拉曼 散射活性。采用对全息干板进行曝光、显影和定影的方法，制备了稳定性好、使 用方便、易于保存的s e r s 活性银膜。用紫外可见光谱和扫描电子显微镜对银膜 的形貌进行了表征，以结晶紫为探针分子测量了其表面增强拉曼散射活性。实验 表明，制备后的全息千板表面均匀分布着粒径大小位于1 0 0 r i m 左右的银粒子， 该银膜具有较强的表面增强拉曼教射活性和良莳的信号可重复性。 6 通过控制全息干板银膜制备时的曝光条件和显影条件，对银膜的最终形 态进行调控。实验发现，通过改变曝光量和显影时间，可以获得具有特定粒子密 度、粒径均匀的全息干板银膜。同时，在充分曝光和显影的情况下，银膜的s e r s 活性非常稳定。 第二章s e r s 实验方法 第二章s e r s 实验方法 2 1s e r s 基底的制备 通常使用金、银或铜作为s e r s 测量的基底。由于只有粗糙化的金、银或铜 表面才能产生s e r s 效应，因此s e r s 活性基底的制备过程主要就是使选择的金 属基底表面粗糙化的过程。目前常用的s e r s 活性基底主要有电化学粗糙化的金 属电极、贵金属溶胶、银镜反应镀膜、化学腐蚀金属膜以及真空镀膜等。 电化学方法对金属进行粗糙化主要是通过电极电位的改变，使金属电极表面 经历氧化还原循环而粗糙化。在氧化过程中，电极上的金属被氧化成金属盐，在 还原阶段，被还原释放出来的金属重新沉积在电极表面，从而获得具有一定表面 粗糙度的金属基底。以银电极为例，首先将电极表面用三氧化二铝和水混合而成 的膏状物抛光，超声波清洗后，用三次蒸馏水淋洗干净，放入装有电解液的电化 学池中。一般使用双电位阶跃法使电极粗糙化，即银电极的初始电位被调到不发 生氧化的电位( 稳定电位) ，然后使电位跃迁到发生氧化的电位，保持1 5 s ， 使银电极表面迅速氧化后，电极电位跃迁回稳定电位，使氧化的银还原而完成粗 糙化的过程。 电化学法制备金属基底的优点是方便、快速，但是在制备过程中电极电势的 改变容易对分子的氧化态、取向以及表面覆盖度等产生影响。这些因素将导致 s e r s 增强因子和选择定则的变化，从而降低光谱的可重现性。 贵金属溶胶的制备方法相当多，但基本原理相似，即把可溶性金属盐溶液经 化学还原从而得到金属溶胶。制备银溶胶的一种方法如下：将1 8 r a g 硝酸银配成 1 0 0 m l 的硝酸银溶液，加热至沸腾，然后加入2 m l1 的柠檬酸钠溶液，在磁力 搅拌下加热4 5 分钟后冷却到室温，所制得银溶胶为灰色银胶。制备成的溶胶可 立刻使用，也可存放备用。存放期一般为一周到一个月，取决于制备质量的好坏。 溶胶具有制备简单，增强能力强的特点，但是所测的分子必须是可溶性分子， 而吸附分子的加入又会引起溶胶分子的聚集，不同的聚集效果将会影响最终的 s e r s 信号。因此在金属溶胶的基础上，又衍生了一些其它的方法。一种就是将 银胶分散在滤纸上，通过滤纸纤维和溶胶的相互作用，使溶胶颗粒均匀分散在滤 纸内部，提高溶胶法的稳定性。另种是将溶胶颗粒填充到稳定性高且光学透明 的固体载体中。如将溶胶填入多孔的s i 0 2 固体中，这种方法可以通过改变载体 的孔径获得合适大小的金属颗粒，第三种则是采用偶联剂对溶胶粒子进行自组 装，通过改变胶体浓度可以获得不同间距的溶胶纳米粒子基底。 用银镜反应原理也能在玻璃片上镀一层具有s e r s 效应的表面粗糙的银膜。 7 第二章s e r s 实验方法 例如把1 0 滴新配的5 的氢氧化钠加入2 3 硝酸银溶液中，得到深棕色的 氢氧化银沉淀后，加入浓的氨水使沉淀溶解，使溶液冷却到零度左右，然后把干 净的玻璃片放入溶液，并加入3 m l1 0 的葡萄糖，最后使盛有溶液的烧杯在5 5 的水浴唧热1 分钟和用超声波处理1 分钟，在玻璃片上就沉淀上一层粗糙的 有显著s e r s 效应的银膜。这种方法反应条件较难控制，沉积的时间、反应的温 度、试剂的浓度等都会对银膜的粗糙度产生影响。 化学腐蚀的方法是采用硝酸等强腐蚀性物质将银箔、铜箔等金属表面的原子 通过化学反应溶解掉，从而获得具有一定粗糙度的金属膜。例如把银片用丙酮和 蒸馏水洗净，在2 5 m o l l 的硝酸溶液中浸泡1 5 分钟左右，就能得到表面粗糙化 的银片，这是一种很简单的粗糙化方法。 利用真空镀膜方法在玻璃片上镀一定厚度的银岛膜也是一种很好的粗糙化 s e r s 基底，特别是先在玻璃片上涂一层聚苯乙烯微粒后再真空镀上5 0 一1 0 0 n m 的银膜更易成小岛状而产生好的s e r s 效应。 2 2 s e r s 实验仪器 现代的拉曼光谱仪主要有色散型和傅立叶变换型两类。传统的拉曼光谱仪都 是色散型的，用棱镜或光栅分光。色散型拉曼光谱仪有许多优点，如分辨率高和 扫描精度较高，能满足高精度光谱实验的要求，其杂散光可以被抑制得很低，因 而信噪比很高，可记录低波数区( 1 0 c m l 左右) 的谱线。特别近年来开发出一种 色散型的小型娃微拉曼光谱仪，它采用单光栅单色器，c c d 探测器和共焦技术， 用全息凹陷滤波器来消除杂散光，使拉曼光谱仪的探测灵敏度大大提高。色散型 拉曼仪虽然有如上优点，但是由于均用可见光波段的激光作为激发光源，使某些 样品发出荧光，导致拉曼信号湮没在荧光信号之中，限制了拉曼光谱技术的应用。 傅立叶拉曼光谱仪则由于采用1 0 6 4 r i m 的近红外光作为光源从而克服了这些缺 点。它采用迈克尔逊( m i c h e l s o n ) 干涉仪和傅立叶变换技术来对拉曼信号进行探 测，采用介质膜滤波片系统来消除杂散光，用锗二极管和铟镓砷探测器，所以探 测灵敏度也很高。但是傅立叶拉曼光谱仪也有不足之处，如不能记录低波数谱区 的拉曼光谱以及不太高的探测灵敏度等。 图2 1 呻1 是目前常用的双光栅拉曼光谱仪的示意图。 第二章s e r s 实验方法 图2 1 双光栅拉曼光潜仪示意图 l 激光器2 反射镜3 偏振旋转罂4 前置单色嚣5 聚焦透镜6 样品 也7 收集透镜 8 检偏振器9 双单色器1 0 光电船增管1 1 前置放大器1 2 光子计数器1 3 微机 图中1 为激光器。由于拉曼信号很弱，所以需要采用高亮度的单色光作为激 发光源。过去常用汞灯，但是其单色亮度和激发波长的选择均不够理想。激光器 的问世，为拉曼光谱提供了准直性很好的高亮度的单色理想光源。一般要求激光 器单波长连续输出功率在几十m w 到几百m w ，目前使用的主要有氩离子激光 器的4 8 8 n m 和5 1 4 5 r i m 两条谱线、氪离子激光器的6 4 7 1 n m 和氮氖激光器的 6 3 2 8 r i m 谱线。近年来市场上的半导体泵浦的y a g 倍频激光器输出波长为 5 3 2 n m ，也是拉曼光谱的理想光源。3 为偏振旋转器，利用石英晶体的旋光性可 将入射光的偏振方向旋转9 0 度，便于测量分子振动模拉曼散射的退偏比和晶体 拉曼散射几何配置的选取。9 为双单色器，它是拉曼光谱仪的核心部分，主要作 用是把散射光分光并减弱杂散光，先进的单色器都用全息光栅。 一般的拉曼光谱仪都能用来进行s e r s 的测量。作为激发光源的激光器的选 择与所用的金属基底有关。当用银作基底时，氩离子、氪离子、氮一氖或染料激 光器都能使用，但用金或铜作基底时，只有能产生红光的激光器，如氪离子、氮 氖或染料激光器才能使用。因为在金或铜基底上，当激光的波长小于6 0 0 r i m 时，不产生或产生很小的s e r s 效应。近红外f t s e r s 的测量一般使用n d 3 + ：y a g 激光器，产生1 0 6 4 r i m 近红外激光。拉曼信号的收集通常用两种光路，一种是在 与入射光成9 0 0 的方向处收集，另一种是用反向散射法收集。样品池的选择和所 测样品的种类有关。当被测样品吸附在银或金溶胶上时，可用石英玻璃或硬玻璃 管作样品池。当样品被吸附在粗糙化的金属片上时，可把金属片直接安装在拉曼 9 第二章s e r s 实验方法 光谱仪的样品架上或放在石英玻璃或硬玻璃管中。如要测量吸附在电极表面的样 品的s e r s 时，则要设计特殊的电化学池。 第三章碱性品红在银、金混台纳米溶胶体系中的s e r s 效应 第三章碱性品红在银、金混合纳米溶胶体系中的 s e r s 效应 表厩增强拉曼光谱具有较高的灵敏度，能检测吸附到金属表面的单分子层和 亚单分子层的分子，又能给出丰富的分子结构信息，因此它被认为是一种方便、 高效的分析手段和很好的表面研究技术，已经广泛应用于化学、生物、表面科学 以及定性和定量分析等科学和技术领域。在表面增强拉曼光谱的应用中，活性基 底的制备至关重要。贵金属溶胶以其制各方便、成本低廉、增强效果好和粒径可 控性而被广泛使用。近年来，人们发现纳米溶胶的表面形貌及聚集态对表面增强 拉曼散射效应具有重要影响，因此有关表面增强拉曼散射机理的研究重点已经逐 渐从单纳米粒子转向具有相互作用的多粒子聚集体系。 我们通过不同聚集特性的金、银溶胶之间的相互耦合作用，实现了混合溶胶 的纳米分数体系不同的聚集形态的调控，从而探索进一步提高吸附分子表面增强 拉曼散射灵敏度的方法，加深对表面增强拉曼散射效应的认识。 3 1银、金纳米溶胶的制备和结构形态表征 我们采用柠檬酸三钠还原硝酸银的方法制备了银溶胶。具体方法基于l e e 和m e i s e l 的报道【矧，但稍加改进。将3 6 毫克硝酸银溶入到2 0 0 m l 4 5 。c 的二次 蒸馏去离子水中，加热到1 0 0 ，然后将浓度为1 的柠檬酸三钠水溶液4 m l 逐 滴加入上述溶液中，同时搅拌6 0 到9 0 分钟，可得到灰绿色的银胶，这种方法制 备的银溶胶比较稳定，可以存放数周后仍然有比较好的表面增强拉曼散射效果。 图3 1 为用柠檬酸三钠还原法制得的银溶胶的吸收光谱，加入柠檬酸三钠后 搅拌时间为6 0 分钟。从图中可以看出，银溶胶在4 1 0 r i m 附近有较强的吸收峰， 为典型的银纳米粒子特征吸收峰。这说明经过反应后，溶液中已经生成了较多的 银纳米粒子，同时由于银粒子表面具有较高的表面能，必然会吸附部分分子或柠 檬酸根负离子而呈现负电性，并因银粒子之间的库仑排斥作用丽形成比较稳定的 银胶。 第三章碱性品红在银、金混合纳米溶胶体系中的s e r s 效应 w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 1 银溶胶的吸收光谱 图3 2 为银溶胶的透射电子显微镜照片。从照片上可以看出，所制备出的银 粒子粒径分布较广，除了存在近似于球形的粒子外，还出现了长宽比不同的各种 颗粒和棒状晶体。这主要是由于制备条件的影响，因为银颗粒的形貌与银离子相 对于柠檬酸根离子的浓度、搅拌速度、柠檬酸三钠的滴加速度以及反应温度都有 非常密切的关系。从图中可以看出，银粒子的平均粒径在8 0 n m 左右，且由于银 粒子之间的静电排斥作用，大部分以单颗粒的形式分散在溶胶里，只有极少数的 几个银粒子小团簇，它们分别由很少的三到四个银粒子相互接触形成的。 图3 2 银溶胶的透射电镜照片 金溶胶采用f r c n s ( 5 1 1 报道的通过柠檬酸三钠还原氯金酸的方法制备。将 1 0 0 m l 0 0 1 的氯金酸溶液加热到1 0 0 c 后，迅速的加入一定量的浓度为1 柠檬 酸三