表面增强拉曼散射技术和密度泛函理论研究苯衍生物分子在贵金属纳米颗粒表面的吸附行为

摘要

表面增强拉曼散射作为一种分子检测技术手段，由于其高灵敏度、高荧光碎灭的优越特性，在研究分子的表面特性和分子与基底表面相互作用过程中，有着极其广泛的应用。贵金属胶体是具有纳米尺度的小颗粒，有许多不同于传统块体材料的优越特性。这使得以贵金属胶体纳米颗粒作为活性基底的SERS技术在生物、物理、化工、材料等领域都有广泛的应用。所以利用SERS技术探测典型构型的一系列分子在不同环境下在纳米颗粒表面的吸附行为，了解影响分子吸附行为的因素，从而掌握典型分子在纳米颗粒表面的吸附规律，对进一步理解SERS机理，进一步推广SERS技术的应用都有极其重要的意义。 SERS基底对吸附分子的振动增强主要取决于分子在基底表面的吸附行为，而影响分子吸附行为的两个重要因素是基底表面特性和分子自身的表面构型。尽管人们在此方面的论述也有发表，但多集中于某些具体应用细节的研究，对于一些具有代表性构型的典型分子在不同性质基底上吸附方式的变化，始终缺乏系统全面的实验分析及理论指导。本文选用金或银纳米颗粒作为SERS基底，研究它在水溶液环境以及分散在滤纸上无水条件下对分子吸附行为的影响；选用一系列具有代表性构型的典型分子作为吸附分子，包括三种构型的二元取代苯(硝基苯胺、氨基苯甲酸)以及具有三种构型的氮杂苯甲酸等，研究它们的不同构型对分子吸附态的影响。 密度泛函理论(DFT)在研究分子振动光谱方面，一直都能很好的预言和见证实验结果。随着科技的发展，高速计算机的到来，近年来在理论推算振动光谱方面得到广泛的发展和关注。SERS技术与DFT理论相结合研究分子吸附在基底表面的构型在近年来开始广受关注。 在本篇论文的综述部分先后介绍Raman、SERS的一些基本原理、应用和目前的研究状况，总结SERS光谱分析的相关方法及其单分子水平上的拉曼光谱，并且简单介绍了DFT理论。实验研究与理论推算部分共有六章：第一章主要论述了本文实验研究的意义所在、所采用的实验方法；第二、三、四章重点研究一系列二元取代苯和一系列氮杂苯甲酸等在纳米颗粒表面的SERS效应及其不同吸附构型模拟推算的拉曼频率，着重分析了分子在纳米颗粒表面的吸附构型随固液环境的变化，并与理论模拟推算相结合分析其吸附行为的变化。此外第五章研究了单分子水平上罗丹明B和罗丹明6G拉曼光谱。最后第六章总结本论文取得的实验研究和理论推算结果。 本论文的特点及其创新点：SERS与DFT理论相结合研究分子与吸附基底相互作用方式，一方面可以从深层次上认识SERS的表面选择定则，加深理解吸附分子与吸附基底之间的联系；另一方面有利于开展利用Guass03软件对实验结果进行模拟分析，即模拟吸附分子与吸附基底之间的理论模型，并对模型进行优化计算，同时结合实验结果判断吸附分子与基底的相互作用方式，具有重要意义。理论计算与实验相结合对研究吸附分子如何与基底相互作用和解释吸附分子与基底之间的相互作用起着越来越重要的作用。单分子水平上拉曼光谱探索对于进一步解释单个分子与胶体颗粒的相互作用具有重要意义。

目录

文摘

英文文摘

首都师范大学位论文原创性声明及授权使用声明

综述部分

第一章：拉曼光谱

第二章：SERS理论的简介

第三章：SERS光谱分析的基本方法及单分子拉曼光谱

第四章：密度泛函理论简介

实验研究与理论计算部分

第一章：实验方法和理论计算方法及其仪器

第二章：不同构型硝基苯胺在金胶体系下的吸附行为

第三章：实验与推算研究氨基苯甲酸分子在银胶体系下的吸附行为

第四章：实验研究与推算研究一元氮杂苯在纳米颗粒表面吸附行为

第五章：单分子水平上拉罗丹明6G和罗丹明B的拉曼光谱

第六章：结论

攻读硕士学位期间论文发表情况

致谢