纳米粒子薄膜生长机制及光纤SERS-pH传感器的研究

摘要

纳米颗粒自组装体具有独特的物理化学性质,因而其自组装技术一直备受关注,并且在医学、传感、化学分离等方面有很好的应用前景。但以往的研究对组装方法和组装技术的研究较多,有关的组装机制尚不清楚。
　　 光纤传感技术以其抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全、高灵敏度、重量轻、体积小、外形可变、测量对象广泛、成本低等独特的优点而受到了广泛重视,可广泛应用于转动、振动、温度、电流、电场、磁场、压力等物理参数的测量。根据工作原理的不同,光纤传感器有不同的结构和工作模式。本文从纳米薄膜生长机制和光纤传感器设计出发开展工作,主要研究内容及成果如下:
　　 (1)改进了球形金纳米颗粒的合成方法。在原有的晶种生长法的基础上,通过改变还原剂/氯金酸的比例,反应物加入速度,我们优化和改进了晶种生长法。改进后的晶种生长法可用于制备较大粒径的球形金纳米颗粒,且形状更加规则、粒径更均一。
　　 (2)研究了乳化液滴融合形成纳米粒子薄膜以及和薄膜沿容器壁攀爬的物理机制。研究发现,在水相中形成乳液滴以后,纳米粒子向油滴-水界面的吸附转变为无能垒阻碍的扩散控制过程。因而可通过超声和增加总的油-水界面的方式(通过形成乳液)来提高纳米颗粒向界面吸附的转移系数。吸附负载纳米粒子的乳液滴不稳定,会自发破乳将纳米粒子释放到平的水-油界面,导致形成纳米粒子薄膜。在乳液滴破乳融合过程中,其弯曲的表面产生附加压力,导致在界面纳米粒子膜中产生压力梯度,从而驱动薄膜沿容器壁攀爬。
　　 (3)设计制备了一种基于表面增强拉曼散射(SERS)的光纤pH传感器。将高SERS活性银纳米粒子组装在光纤端面上,制备SERS活性光纤端面,再将pH敏感的4-mpy探针分子吸附到银纳米粒子上,形成SERS光纤pH传感器。随环境pH变化,4-mpy分子结构会随之变化,相应的SERS光谱也会改变。因而4-mpy分子的SERS光谱特征可用于指示待测溶液的pH。在pH=0～3区间内,4-mpy对H+最敏感的两个峰1610 cm-1和1575 cm-1的峰面积的比值会随溶液pH值的增加而减弱,在pH=0-2区间内,两峰的面积对数和pH值有很好的线性关系,且不受溶液离子强度的影响。此传感器有望用于在线、原位和远距离酸性环境pH检测。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 纳米材料简介

1.1.1 纳米材料

1.1.2 贵金属纳米材料

1.1.3 金属纳米粒子的制备

1.2 纳米薄膜组装技术

1.2.1 纳米薄膜

1.2.2 自组装

1.2.3 自组装薄膜

1.3 表面增强拉曼散射(SERS)

1.3.1 SERS的发现

1.3.2 SERS的基本特点

1.3.3 SERS活性基底的制备

1.4 光纤SERS传感技术

1. 4.1光纤与光纤传感技术

1.4.2 光纤传感技术与表面增强拉曼光谱(sERS)的结合

1.4.3 光纤SERS传感器的应用进展

1.5 本论文的研究目的和设想

第2章 金纳米粒子的合成

2.1 前言

2.2 实验试剂与仪器

2.3 金纳米粒子的合成方法

2.3.1 16 nm金种子的制备

2.3.2 32 nm金溶胶的制备

2.3.3 70 nm金溶胶的制备

2.3.4 TEM样品的制备

2.4 金纳米粒子的表征

2.4.1 紫外一可见吸收光谱表征

2.4.2 透射电镜(TEM)表征

2.5 结论

第3章 乳化液的形成促进纳米粒子薄膜吸附生长的动力学研究

3.1 前言

3.2 实验试剂与仪器

3.3 实验方法

3.4 薄膜生长机制的讨论

3.4.1 “超声.静置”介导金纳米薄膜的形成

3.4.2 调节超声时间和总的油水界面促进粒子转移

3.4.3 原位光学观测乳化液聚合和薄膜攀登机制

3.4.4 金纳米薄膜的应用

3.5 结论

第4章 基于表面增强拉曼光谱的光纤pH传感器的研究

4.1 前言

4.2 实验试剂与仪器

4.3 实验方法

4.3.1 60nm银溶胶的制备

4.3.2 光纤预处理

4.3.3 光纤SERS活性基底的制备

4.3.4 光纤SERS传感器制备

4.3.5 光纤装置的固定

4.3.6 光路调节

4.3.7 SERS信号检测

4.4 传感器的制备与性能检测

4.4.1 银溶胶的紫外-可见光谱表征

4.4.2 光纤端面形貌的表征

4.4.3 光纤SERS-pH传感器制备方法的优化

4.4.4 标准曲线绘制

4.4.5 离子强度对传感器的影响

4.4.6 不同基底对标准曲线的影响

4.4.7 传感器使用次数的确定

4.5 结论

参考文献

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致谢