黄曲霉素—银团簇体系SERS增强机理研究

摘要

黄曲霉素(AFs)是一种强致癌、致畸的物质，普遍存在于人类食品和动物饲料中，可导致基因变异发生癌变，因此需要对其进行含量限度检测，但黄曲霉素拉曼信号非常弱，采用常规拉曼光谱(NRS)很难检测。因此本论文采用密度泛函理论(DFT)B3LYP方法，6-311G(d，p)(C，H，O)/LANL2DZ(Ag)基组，计算了黄曲霉素B1、B2、G1以及G2分子吸附在不同结构银团簇的表面增强拉曼散射光谱和预共振拉曼光谱，获得了表面增强拉曼散射的增强因子，分析了表面增强拉曼散射的化学增强和电场增强的机理，并且研究了外加电场作用对黄曲霉素B1分子表面增强拉曼散射的影响。
　　两类黄曲霉素分子可以通过不同位点吸附于银团簇，产生表面增强拉曼散射效应。B和G类黄曲霉素分子通过C=O位垂直吸附于银团簇为最有利构型，与实验检测结果一致。计算得到两类黄曲霉素分子(AFs)的常规拉曼光谱和表面增强拉曼光谱与实验结果符合很好。通过比较复合物AFs-Ag、AFs-Ag2、AFs-Ag4以及AFs-Ag6、AFs-Ag7的表面增强拉曼光谱(SERS)和相关实验数据，获得了吸附基底对黄曲霉素表面增强拉曼散射的影响:四种黄曲霉素分子在菱形(Ag4)和五角双锥型十面体的银团簇(Ag7)表面吸附时，增强因子最大达到了104，对应pyrane环C=O伸缩振动，主要是由黄曲霉素分子周围化学环境改变而引起的基态静极化率改变导致的，增强机理为基态化学增强。
　　通过含时密度泛函(TD-DFT)方法，计算了两类黄曲霉素-银团簇复合物的吸收光谱和跃迁能。两类黄曲霉素-银团簇体系的电荷转移共振激发分别发生在430 nm(AFB1分子)，420 nm(AFB2分子)以及400 nm左右(AFG1分子)。选择电荷转移预共振激发波长作为入射光，计算得到复合物AFB1-Agn(n=2，4，6)以及AFG1-Agn(n=2，4，6，7)的预共振拉曼光谱的增强因子约为102～104。复合物AFB2-Ag2中电荷转移共振拉曼信号增强因子明显大于电荷转移激发:电荷转移态激发波长1144.1 nm和544 nm可以使拉曼信号增强102，而选择电荷转移预共振波长432.5 nm和410nm作为入射光，其拉曼信号增强了104。表面增强拉曼散射的增强机理为银团簇和黄曲霉素分子之间的电荷转移共振增强。
　　随着外加电场的增加，复合物AFB1-Agn(n=1，2，4，6，7)中低能态电子向高能级跃迁的几率增大，体系稳定性降低;能隙逐渐减小，占据轨道的电子容易被激发到空轨道，可能的电子跃迁光谱频率减小。不同的外电场(0.0005 a.u，0.005 a.u，0.01 a.u)作用下复合物的电子结构和拉曼光谱显示:外加电场使复合物AFB1-Agn(n=1，2，4，6，7)的结构参数发生明显改变，从而引起复合物拉曼光谱的变化:共振峰随着外电场的增大出现明显的蓝移，最大蓝移达到100 cm-1，且单个振动模式很难被区分，同一频率出现几种振动模式的耦合。复合物AFB1-Agn(n=1，2，4，6，7)中增强因子最大的振动模，其振动方向均沿着外加电场方向，此方向也为极化率改变最大的方向。
　　最后，采用三维时域差分法(3D-FDTD)模拟了不同形状（球状、柱状、棱形柱状、三棱锥以及笼状），不同结构和尺寸的银纳米粒子表面局域增强电场分布。同一种银纳米粒子采用位于紫外或深紫外区域且与AFs-Agn复合物相应的电荷转移预共振的入射光激发时，局域表面电场明显更强，最大增强因子达到了109，不同于文献报道中紫外区域无法获得SERS增强的结论。电场增强与仅考虑化学增强效应得到的对应复合物预共振拉曼光谱强度的变化趋势一致，这为研究单分子表面增强拉曼散射的实验提供了参考。笼状结构银纳米粒子表面的电场分布表明，笼状银纳米粒子表面局域电场分布在紫外或红外入射光激发下没有明显的增强，这是由于笼状银纳米粒子的结构具有多个顶点，产生高阶多极矩散射效应导致的，内部电子的集体激荡行为难以简单地数值分析也是产生此现象的原因。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 黄曲霉素的概述及其研究意义

1．2 拉曼光谱和表面增强拉曼光谱

1．2．1 拉曼散射和拉曼光谱的基本原理

1．2．2 表面增强拉曼光谱及其增强机理

1．2．3 共振拉曼光谱

1．3 纳米粒子等离子体共振的研究背景及意义

1．4 论文的研究目的与研究内容

1．4．1 论文研究的目的和意义

1．4．2 论文研究的主要内容

第2章 理论计算方法介绍

2．1 密度泛函理论简介

2．2 密度泛函近似

2．2．1 局域密度近似

2．2．2 广义梯度近似

2．3 基组

2．4 简谐振动分析的基本原理

2．4．1 简谐振动

2．4．2 拉曼强度计算方法

2．5 时域有限差分法(FDTD)

2．5．1 时域有限差分法的基本原理

2．5．2 FDTD的数值稳定性分析

第3章 B类黄曲霉素分子的表面增强拉曼光谱及其预共振拉曼光谱

3．1 B类黄曲霉素分子的几何结构及表面增强拉曼光谱

3．1．1 黄曲霉素B1、B2及其复合物的基态结构和性质

3．1．2 黄曲霉素B1、B2分子的拉曼光谱

3．1．3 黄曲霉素B1，B2分子的表面增强拉曼光谱

3．2 吸附基底结构对表面增强拉曼散射的影响

3．2．1 复合物AFB1-Agn(n=2，4，6)的拉曼光谱

3．2．2 复合物AFB2-Agn(n=2，4，7)的拉曼光谱

3．3 B类黄曲霉素的预共振拉曼光谱

3．3．1 复合物AFB1-Agn(n=2，4，6)的预共振拉曼光谱

3．3．2 复合物AFB2-Ag2的预共振拉曼光谱

3．4 小结

第4章 G类黄曲霉素分子的表面增强拉曼光谱及其预共振拉曼光谱

4．1 黄曲霉素G1、G2分子的结构及表面增强拉曼光谱

4．1．1 黄曲霉素G1，G2的结构及其拉曼光谱

4．1．2 黄曲霉素G1不同位点的吸附性质

4．1．3 黄曲霉素G1，G2的表面增强拉曼光谱

4．2 银团簇吸附取向对表面增强拉曼光谱的影响

4．2．1 复合物AFG1-Ag4n(n=L，S)，AFG2-Ag4n(n=L，S)的拉曼光谱

4．2．2 复合物AFG1-Ag7n(n=L，S)和AFG2-Ag7n(n=L，S)的拉曼光谱

4．3 复合物AFG1-Agn(n=2，4，6，7)的预共振拉曼光谱

4．4 小结

第5章 外加电场对表面增强拉曼光谱的影响

5．1 计算方法

5．2 外电场作用下复合物AFB1-Agn(n=1，2，4，6，7)的拉曼光谱

5．2．1 外电场作用下复合物AFB1-Ag的基态性质及拉曼光谱

5．2．2 外电场作用下复合物AFB1-Ag2的基态性质及拉曼光谱

5．2．3 外电场作用下复合物AFB1-Ag4的基态结构及拉曼光谱

5．2．4 外电场作用下复合物AFB1-Agn(n=6，7)的基态性质和拉曼光谱

5．3 小结

第6章 银纳米粒子的表面增强电场分布

6．1 六种不同形状银纳米粒子的表面局域增强电场分布

6．1．1 球形银纳米粒子表面的局域增强电场分布

6．1．2 柱状银纳米粒子表面的局域增强电场分布

6．1．3 菱形柱银纳米粒子的表面局域增强电场分布

6．1．4 三棱锥银纳米粒子的表面局域增强电场分布

6．1．5 五角双锥型十面体银纳米粒子的表面局域增强电场分布

6．1．6 二十面体银纳米粒子的表面局域增强电场分布

6．2 小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 未来工作的展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及研究成果