物理方法辅助胶体晶体模板构筑微/纳阵列及其生物传感特性研究

摘要

本论文采用物理构筑路线如磁控溅射沉积、热蒸发沉积、热处理、胶体反应离子刻蚀、Au纳米球反应离子刻蚀等方法，高效、方便地制备了多种形貌新颖、结构可控的周期性微/纳阵列，开展了SERS均一性、表面浸润性以及生物传感性能与阵列结构相关性研究。
　　本论文的主要内容如下:
　　(1)基于单层胶体晶体模板结合溅射沉积方法，制备了具有良好均一性的SERS活性基底。以二维PS胶体球为模板，通过控制前驱液在其中的填充方式及后续处理条件，获得了形貌可控的有序微/纳结构阵列，而后采用磁控溅射沉积方法在上面生长Fe2O3薄膜，分别衍生出形貌新颖的结构阵列;在沉积一薄层Au膜后，这些有序微/纳结构阵列的SERS均一性能获得大幅度提高。
　　(2)制备了疏水性SERS活性基底。提出一种简便、廉价的方法，即单层胶体晶体模板-诱导前驱液填充以及后续溅射沉积，制备颗粒间隙可调的周期性球状纳米颗粒结构阵列。在其表面沉积一层Au膜，并经过化学改性后，间隙为10nm的这种结构阵列具有良好的疏水性能、SERS增强性能和均一性能。可通过液滴蒸发引起溶质局域浓缩方式实现对有机分子的高效、快速检测，解决了微体积、超低浓度的有机溶液难以用SERS检测的难题。
　　(3)提出一种简便，高效的方法在大面积(＞1 cm2)范围内制备周期、尺寸可控的有序Au非密排球状纳米颗粒阵列。以单层胶体晶体为模板，采用溅射沉积技术沉积一层Au膜，然后通过热分解方式去除胶体模板，最后经过退火处理即可获得所需阵列。通过选择PS胶体球的尺寸来控制阵列周期，选择沉积Au膜厚度和在已有颗粒上多次沉积-退火等两种方法调制颗粒尺寸。颗粒阵列经官能团修饰后可准确检测1mM的葡萄糖溶液浓度，并可从SPR峰和阵列衍射峰两个方面协同检测溶液浓度变化，使得检测结果的可信度更高。上述制备Au颗粒方法同样适用于Ag，Cu等金属颗粒。
　　(4)采用胶体反应离子刻蚀技术批量制备大面积(＞1 cm2)形貌可控的周期性SiO2结构阵列。基于胶体晶体模板，通过控制反应离子刻蚀条件，可将周期性SiO2结构阵列形貌从穹形结构调节到截角圆锥体结构，再到圆锥体结构阵列。沉积一层Ag薄膜后，这些周期性微/纳结构阵列用作SERS活性基底并对4-Aminothiophenol(4-ATP)表现出明显的SERS增强效应。这为方便、快速制备SERS活性基底提供一种新型的方法。
　　(5)采用Au纳米球反应离子刻蚀技术制备大面积(＞1 cm2)周期和高度可控的周期性SiO2柱状结构阵列。以有序非密排Au球状结构阵列为掩膜，采用反应离子刻蚀技术获得SiO2柱状结构阵列。采用磁控溅射沉积方法在柱子顶端及侧面沉积一层Ag薄膜，退火处理后，可得到Ag颗粒修饰的有序SiO2柱状结构阵列。通过控制沉积Ag膜的实验条件，使得Ag颗粒尺寸从十几纳米增加到几百纳米。探讨了SERS活性与阵列结构的相关性。
　　对全文进行概括，总结了本文的内容以及创新点，并对下一步进行的工作进行展望。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 微／纳结构阵列的应用

1．2．1 SERS活性基底

1．2．2 极端润湿性能

1．2．3 基于LSPR效应的化学／生物传感器

1．2．4 光子晶体

1．3 微／纳结构阵列的制备方法

1．3．1 光学刻蚀技术

1．3．2 模板限域法

1．3．3 基于单层胶体晶体的化学构筑方法

1．3．4 基于单层胶体晶体的物理构筑方法

1．4 本论文研究问题的提出、研究内容及意义

参考文献

第2章 磁控溅射沉积辅助胶体模板制备微／纳结构阵列及其SERS均一性能

2．1 引言

2．2 构筑策略与实验

2．2．1 材料和试剂

2．2．2 形貌可控的微／纳结构阵列的制备

2．2．3 表征方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 阵列的形貌特征

2．3．2 Au膜覆盖阵列SERS活性与微观结构的关联性

2．4 本章小结

参考文献

第3章 超疏水间隙可控球状纳米颗粒阵列的构筑及其SERS快速检测性能

3．1 引言

3．2 构筑策略与实验

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 阵列的制备

3．2．3 表征方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 阵列的形貌及组分

3．3．2 阵列的SERS活性与颗粒阵列间隙的关系

3．3．3 阵列的超疏水表面提高的SERS快速检测性能

3．4 本章小结

参考文献

第4章 热处理法制备贵金属球状纳米颗粒阵列及其生物传感性能

4．1 引言

4．2 构筑策略与实验

4．2．1 原料和试剂

4．2．2 阵列的制备

4．2．3 表征方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 周期、尺寸可控的Au球状纳米颗粒阵列的形貌

4．3．2 Au球状颗粒阵列的光吸收特性

4．3．3 有序Au阵列对葡萄糖溶液的检测

4．3．4 有序Ag球状纳米颗粒阵列的制备及其光学特征

4．4 本章小结

参考文献

第5章 胶体反应离子刻蚀制备形貌可控的SiO2微／纳结构阵列及其SERS应用研究

5．1 引言

5．2 构筑策略与实验

5．2．1 材料和试剂

5．2．2 阵列的制备

5．2．3 表征方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 形貌可控的SiO2周期性微／纳结构阵列

5．3．2 Ag薄膜覆盖的阵列的SERS活性与微观结构的关联性

5．4 本章小结

参考文献

第6章 Au纳米球反应离子刻蚀制备SiO2柱状阵列及其SERS应用研究

6．1 引言

6．2 构筑策略与实验

6．2．1 材料和试剂

6．2．2 阵列的制备

6．2．3 表征方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 阵列的形貌特征

6．3．2 Ag纳米颗粒修饰的SiO2柱状阵列的SERS活性与微观结构的关联性

6．4 本章小结

参考文献

第7章 本论文有待深入解决的问题

第8章 全文总结与展望

8．1 全文总结

8．2 本论文的创新点

8．3 展望

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果