α-Fe2O3/Ag核壳结构纳米颗粒的制备及SERS活性研究

摘要

核壳结构复合材料不仅保持了纳米磁性粒子特殊的磁性能,还增强了粒子的生物相容性、热学、机械和化学稳定性等性能。因其特殊的结构和性质已经成为当前材料学一个越来越活跃的研究领域。α-Fe2O3纳米粉体具有良好的磁性,催化性,气敏性等性能,且制备工艺简单,价格低廉,用贵金属Ag包覆后,不仅增强了α-Fe2O3纳米粉体的拉曼活性,还能增加其化学稳定性、生物相容性等。目前关于这两种颗粒的包覆研究较少,特别是其作为拉曼衬底的研究还未见报道。课题研究成果具有较好的新颖性,并对其在生物医学领域中的靶向给药、检测生物分子等方面有着很好的应用价值。
　　 本研究主要采用硅烷偶联剂作为连接桥梁,制备α-Fe2O3/Ag核壳结构复合纳米颗粒,并研究其SERS活性。⑴采用水热法制备球形α-Fe2O3籽晶纳米颗粒,加入聚乙二醇(PEG)作为分散剂。系统研究了Fe3+浓度,PEG含量等条件变化对α-Fe2O3纳米颗粒的影响。以γ-氨丙基三乙氧基硅烷(APS)为改性剂,对α-Fe2O3籽晶纳米颗粒进行表面改性,并分析了改性机理,进一步通过红外分析,验证α-Fe2O3纳米粒子表面通过Fe-O-Si键包覆氨基硅烷分子。⑵采用籽晶法,以甲醛为还原剂,在Ag[(NH3)2]+溶液中制备α-Fe2O3/Ag核壳结构复合颗粒。研究了APS改性剂、醇水比、还原速度等条件对复合纳米颗粒包覆效果及性能的影响。采用粒度测试仪,XRD、SEM、TEM和EDX对样品进行测试和表征,并分析了包覆颗粒的制备原理。⑶采用吡啶(Py)为探针,并对α-Fe2O3/Ag核壳结构复合颗粒作为拉曼衬底的SERS活性和稳定性进行研究,计算它们的增强因子和稳定性。
　　 通过大量实验及分析得出如下结论：①水热法制备的α-Fe2O3籽晶为球形纳米颗粒,分布均匀,粒径大约在40nm左右。作为添加剂,PEG对α-Fe2O3颗粒的制备有一定的影响,当PEG=0.5％时,α-Fe2O3颗粒分散性有明显提高,但对颗粒形貌影响不大。且当Fe3+为0.5mol/L时,有利于α-Fe2O3晶核成核；红外分析表明,APS通过共价键结合的方式连接到α-Fe2O3籽晶表面,并使其表面富含氨基,便于Ag的包覆。②当APS=0.75wt％(质量分数),醇水比=5:1时,α-Fe2O3/Ag核壳结构纳米颗粒的平均粒径为60nm左右,颗粒包覆完整,分散均匀。通过控制AgNO3和α-Fe2O3摩尔比可以制备银层可控的α-Fe2O3/Ag复合颗粒。当AgNO3和α-Fe2O3摩尔比为1时,制备的α-Fe2O3/Ag复合颗粒包覆完全且表面粗糙度较好。制备包覆颗粒时,甲醛浓度为3.7％,温度控制在常温下颗粒制备效果较好。③对比α-Fe2O3籽晶颗粒以及粗糙Ag膜作为拉曼衬底时Py的信号强度,可以得出α-Fe2O3/Ag包覆颗粒作为拉曼衬底时具有较强的拉曼信号,通过增强因子计算公式可得Ef=9.8×105。当AgNO3浓度为1mol/L时,醇水比=5:1时,α-Fe2O3/Ag颗粒在1010cm-1和1038cm-1处出现显著了SERS增强。在空气中放一段时间后仍能保持较好的增强效果,稳定性好。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 核壳结构纳米颗粒的性质、制备及应用现状

1.1.1 核壳结构纳米颗粒的性质

1.1.2 核壳结构纳米颗粒的制备

1.1.3 核壳结构纳米颗粒形成机理

1.1.4 核壳结构纳米颗粒的应用现状

1.2 纳米α-Fe2O3颗粒及纳米Ag颗粒的性质及应用

1.2.1 纳米α-Fe2O3颗粒的性质及应用

1.2.2 纳米α-Fe2O3颗粒的制备

1.2.3 铁氧化物的表面改性

1.2.4 纳米Ag颗粒的性质及应用

1.3 表面拉曼增强(SERS)原理、拉曼衬底及应用

1.3.1 表面拉曼增强原理

1.3.2 表面拉曼增强衬底

1.3.3 表面拉曼增强应用

1.4 α-Fe2O3/Ag核壳结构复合纳米颗粒

1.4.1 α-Fe2O3/Ag核壳结构复合颗粒的性质

1.4.2 α-Fe2O3/Ag核壳结构复合颗粒目前研究现状

1.4.3 本课题的研究意义及内容

第二章 样品制备及表征

2.1 试验材料

2.1.1 试验原料及其物化特性

2.1.2 试验仪器与设备

2.2 试验过程

2.2.1 纳米α-Fe2O3颗粒的制备工艺及流程

2.2.2 α-Fe2O3/Ag核壳结构复合粉体制备

2.2.3 APS修饰纳米α-Fe2O3颗粒

2.2.4 α-Fe2O3/Ag核壳结构纳米颗粒的制备

2.2.5 α-Fe2O3/Ag包覆颗粒拉曼衬底的制备

2.2.6 银膜拉曼衬底制备

2.3 性能表征

2.3.1 粒度分析

2.3.2 物相分析

2.3.3 表面形貌及表面元素分析

2.3.4 红外分析

2.3.5 SERS活性分析

第三章 α-Fe2O3籽晶制备及改性

3.1 α-Fe2O3籽晶颗粒的制备

3.1.1 α-Fe2O3籽晶制备原理

3.1.2 α-Fe2O3籽晶粒径分布

3.1.3 α-Fe2O3籽晶的XRD

3.1.4 α-Fe2O3纳米颗粒SEM分析

3.1.5 Fe3+起始浓度对α-Fe2O3成核的影响

3.1.6 PEG对α-Fe2O3分散性的影响

3.2.APS改性α-Fe2O3籽晶纳米颗粒

3.2.1 APS改性α-Fe2O3籽晶纳米颗粒的原理分析

3.2.2 APS改性α-Fe2O3籽晶纳米颗粒的FTIR分析

3.3 本章小结

第四章 α-Fe2O3/Ag核壳复合颗粒

4.1 α-Fe2O3/Ag核壳复合颗粒制备原理

4.2 α-Fe2O3/Ag核壳复合颗粒结果表征

4.2.1 α-Fe2O3/Ag核壳纳米颗粒粒径分布

4.2.2 α-Fe2O3/Ag核壳结构纳米颗粒的物相结构

4.2.3 α-Fe2O3/Ag核壳结构纳米颗粒的SEM和表面元素分析

4.3 α-Fe2O3/Ag核壳复合颗粒影响因素

4.3.1 AgNO3和α-Fe2O3摩尔比的影响

4.3.2 APS浓度对分散效果的影响

4.3.3 醇水比对α-Fe2O3/Ag包覆颗粒的影响

4.3.4 还原速度对α-Fe2O3/Ag包覆颗粒的影响

4.4 本章小结

第五章 α-Fe2O3/Ag核壳复合颗粒SERS性能

5.1 α-Fe2O3/Ag纳米复合颗粒的SERS活性

5.1.1 α-Fe2O3/Ag纳米复合颗粒拉曼衬底

5.1.2 α-Fe2O3/Ag核壳结构复合颗粒的SERS活性

5.2 不同条件下α-Fe2O3/Ag纳米复合颗粒的SERS活性

5.2.1 不同AgNO3浓度条件下的SERS活性

5.2.2 不同醇水比条件下的SERS活性

5.3 拉曼衬底稳定性能计算

5.4 本章小结

第六章 结论

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢