Ag/SiO2光子晶体编码微球的可控制备及其SERS应用研究

摘要

表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)技术以其独特的谱带窄、灵敏度高、检测速度快和无损等优势，在环境监测、生物分析等方面得到了越来越广泛的应用。获得高质量的SERS拉曼光谱离不开稳定高效的SERS活性基底的制备，因此制备高灵敏性和高重现性的基底材料是我们研究的重点。同时随着纳米科学和材料制备技术的快速发展，以及SERS技术显著的进步，人们已不再满足于SERS基底材料单一的增强作用，而是会考虑是否多功能化，可操作性、材料的性价比、检测的灵敏度以及实际应用性等方面。在本论文中，将SiO2光子晶体微球引入到SERS技术领域，通过构建银纳米粒子与SiO2光子晶体微球的复合体系，结合银纳米粒子的电磁场增强作用和光子晶体的结构特征，制备了一种高灵敏性，稳定的有序结构SERS活性基底，并利用光子晶体本身的编码特性，与SERS信号结合，实现了多元分析检测。为SERS活性基底的设计制备提供了一个新的研究思路，并将推动超高灵敏度多组分SERS生物分析技术的发展。论文主要研究结果如下:
　　(1)通过改进的St(o)ber方法成功制备了粒径不同的二氧化硅纳米微球，利用微流控、高温烧结技术制备了高质量的SiO2光子晶体微球，该微球编码准确、稳定。通过原位还原法将银纳米粒子固定在表面功能化修饰氨基后的SiO2光子晶体微球表面，制备得Ag/SiO2光子晶体编码微球，并通过吸附4-MBA研究其SERS性能，最后应用到孔雀石绿的检测上。研究发现这三种反射峰光谱(470 nm，538 nm，625 nm)的SiO2光子晶体微球负载不同Ag量用作SERS活性基底对4-MBA的增强效果亦不同，以反射峰为538nm，还原AgNO3浓度为0.8 mg/mL时，Ag/SiO2光子晶体编码微球的SERS增强效果最佳。该基底对孔雀石绿的检测达到10-14 g/mL，具有较高的灵敏性和较宽的线性范围。
　　(2)将Ag/SiO2光子晶体编码微球应用到多元肿瘤标志物检测，首先将编码好的微球(537nm和625 nm)分别与CEA和AFP抗体偶联，得到固相免疫载体，然后制备拉曼信号放大探针(4-MBA/抗体/AgNPs)，最后将两者加入到AFP和CEA双组份待测抗原溶液中，形成“固相抗体—待测抗原—拉曼信号放大探针”三明治复合结构，通过拉曼信号检测抗原浓度，并通过微球的反射光谱进行解码，得出单组份测试结果。我们利用检测到的SERS信号和光子晶体编码信号成功实现了多元检测，并且交叉干扰很小，使检测限达到10-15 g/mL，提高了生物检测的高灵敏度。
　　(3)在pH=12.0碱性溶液中，通过控制腐蚀温度和腐蚀时间，成功制备出非密堆积面心立方(FCC)结构SiO2光子晶体微球，结果表明，随着腐蚀温度和腐蚀时间的增加，非密堆积FCC结构SiO2光子晶体微球的纳米间隙也在不断增大。利用静电吸附和原位还原法成功将银纳米粒子包覆在微球之上，其纳米间隙和金属粒子构成大量SERS“热点”，对探针分子4-MBA展现了较高的重复性和稳定性，并成功应用到生物分子的检测，检测线性范围较宽，具有较高的高灵敏度。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 表面增强拉曼散射(SERS)光谱

1．2．1 表面增强拉曼散射的简介

1．2．2 表面增强拉曼散射的增强机理

1．2．3 表面增强拉曼散射的应用

1．3 表面增强拉曼散射(SERS)活性基底材料

1．3．1 液态SERS活性基底

1．3．2 粗糙固态SERS活性基底

1．4 光子晶体

1．4．1 光子晶体简介

1．4．2 光子晶体的制备

1．4．3 光子晶体的应用

1．5 本论文研究课题的提出

1．5．1 研究意义和目的

1．5．2 主要研究内容

1．5．3 创新性

参考文献

第二章 Ag／SiO2光子晶体编码微球的制备及SERS检测应用

2．1 引言

2．2 试剂与仪器

2．2．1 实验试剂

2．2．2 实验仪器

2．3 实验方法

2．3．1 单分散SiO2纳米粒子的制备

2．3．2 SiO2光子晶体微球的制备

2．3．3 Ag／SiO2光子晶体微球的制备

2．4 结果与讨论

2．4．1 SiO2光子晶体微球的光学特性研究

2．4．2 SiO2光子晶体微球的制备

2．4．3 Ag／SPCBs的制备

2．4．4 Ag／SPCBs的表面增强拉曼散射(SERS)性能研究

2．5 结论

参考文献

第三章 基于Ag／SiO2光子晶体编码微球的多元SERS肿瘤标志物检测应用

3．1 引言

3．2 试剂与仪器

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．3 实验方法

3．3．1 Ag／SiO2光子晶体编码微球的制备

3．3．2 银纳米粒子的制备

3．3．3 Ag／SPCBs多元SERS肿瘤标志物检测制备

3．4 结果与讨论

3．4．1 Ag／SPCBs的SEM表征

3．4．2 Ag／SPCBs的XPS表征

3．4．3 银纳米粒子的TEM表征

3．4．4 Ag／SPCBs光学性质研究

3．4．5 Ag／SPCBs多元SERS肿瘤标志物检测可行性研究

3．4．6 Ag／SPCBs多元SERS肿瘤标志物交叉反应检测

3．4．7 Ag／SPCBs多元SERS肿瘤标志物检测

3．4．8 Ag／SPCBs多元SERS肿瘤标志物实际样品检测

3．5 结论

参考文献

第四章 非密堆积FCC结构Ag／SiO2光子晶体微球的可控制备及SERS生物分子检测应用

4．1 引言

4．2 试剂与仪器

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．3 实验方法

4．3．1 非密堆积FCC结构SPCBs的可控制备

4．3．2 非密堆积FCC结构Ag／SPCBs的制备

4．3．3 非密堆积FCC结构Ag／SPCBs的生物分子SERS检测制备

4．4 结果与讨论

4．4．1 非密堆积FCC结构SPCBs的可控制备

4．4．2 非密堆积FCC结构SPCBs的光学性质研究

4．4．3 非密堆积FCC结构Ag／SPCBs的制备

4．4．4 非密堆积FCC结构Ag／SPCBs的SERS增强性能研究

4．4．5 非密堆积FCC结构Ag／SPCBs的SERS生物分子检测

4．5 结论

参考文献

致谢

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