大面积柔性表面增强拉曼散射衬底的制备及其物性研究

摘要

拉曼散射效应的研究，最初是由印度的科学家发现的一种可以用来有效反映待测分子的结构特征信息的分析技术，但研究发现，在通过其散射后观察所得到的信号强度非常的弱，这一缺点曾经一度的限制了该效应在实际的检测分析方面的应用。相反，利用表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)技术检测之时，基于基底金属表面的粗糙化的结构特征，其分子信号的增强效果往往可以达到常规拉曼的106倍左右甚至更高，而且，它在检测过程中所具有的对待测的物质的非破坏性及高效的优良性能，使得表面增强拉曼散射效应在发现以来得以应用于众多的科学领域。 在近几年的研究发展中，拉曼活性基底的制备一直以来备受研究者的重视，高效稳定的拉曼活性基底对于分子检测的过程起着至关重要的作用。它往往需要具有一定规律有序的粗糙性结构才更能有利于测试过程中分子信号的增强。而通过生物学家等的研究发现，自然界中，各种动植物通过长时间的自然选择，逐渐进化出用以更好的适应自然环境变化的各种优良的特性，这些特征不仅仅与其表面的构成成分密切相关，而且也与其表面所具有的微观结构具有着一定程度上的联系。如人们通过利用扫描电镜对蝉翅表面进行观察研究时发现，蝉翅的表面覆有均匀有序的乳状突起结构，这一结构特征由于与其表面的相关性能有着密切的联系，在仿生材料的研究方面已备受关注。 鉴于此，基于蝉翅表面所具有的这一均一的粗糙性结构正好满足了拉曼活性基底的特点，再加之其表面的超疏水性能有利于浓缩待测分子的浓度，本论文拟采用蝉翅这一天然的绿色生物材料，来进行表面增强拉曼基底的制备，以期望最大限度的简化目前表面增强拉曼基底制备过程的复杂性及制备昂贵的缺点，并进一步提高待测物质检测下限，由此建立一种绿色、简便的且价格低廉的基底制备方法。通过对所制备的基底进行相关的性能测试，及应用性试验，鉴定了此基底的可应用性，同时也进一步探讨了表面增强拉曼效应的增强机理等。本文主要的研究内容可以概括为以下五个部分: 一:构建了均一的、有序的银/蝉翅(Ag/cicada wing) SERS活性基底。利用蝉翅表面本身所具有的周期性的纳米乳突结构，通过化学还原法，进行相应的实验条件控制后，在蝉翅表面的乳突上原位生长得到银纳米颗粒(Ag NPs)，从而得到具有3D有序结构的SERS活性基底。并利用场发射扫描电子显微镜(Field emission scanning electronmicroscope，FESEM)，X射线光电子能谱仪(X-ray photoelectronspectroscopy, XPS)，X射线衍射仪(X-ray Diffraction，XRD)，接触角测量仪(OCA20 machine)等设备对所制备的基底进行了相应的结构及表面疏水性的表征。 二:采用了系列浓度的罗丹明6G作为待测的分子，对制备得到的银/蝉翅活性基底进行了SERS增强效果、重复性、定量性、均一性等的表征。分析确定了制备基底在应用方面具备的优势。 三:利用时域有限差分方法(Finite Difference Time Domain，FDTD)模拟分析银/蝉翅活性基底的增强原理。通过模拟计算结果，讨论了基底上热点的分布情况，及其对基底增强效果的作用。 四:采用银/蝉翅活性基底，对农药福美双分子进行了浓度梯度测试，分析了该基底在低浓度农药残留物检测方面的优势。 五:针对银/蝉翅活性基底的优良特性，利用其进行了革兰氏阳性菌，革兰氏阴性菌，三磷酸腺苷(adenosine5'-triphosphate，ATP)及二磷酸腺苷(adenosine5'-diphosphate，ADP)方面的分析检测。探讨了此基底在生物检测方面的应用前景及效果。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题背景

1．2 拉曼光谱的简介

1．3 表面增强拉曼光谱

1．3．1 表面增强拉曼光谱的产生

1．3．2 表面增强拉曼光谱的特点及其增强机制

1．4 表面增强拉曼基底的研究

1．5 表面增强拉曼的应用范围

1．6 表面增强拉曼应用的局限性

1．7 本课题研究依据及主要内容

第二章 蝉翅膀及贵金属／蝉翅基底的表面结构与性能表征

2．1 引言

2．2 所用仪器、材料与方法

2．2．1 主要仪器设备

2．2．2 基底制备中所用的主要试剂及材料

2．2．3 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 蝉翅表面微观结构观察

2．3．2 蝉翅表面性能及表面元素分析

2．3．3 银／蝉翅表面微观结构的观察

2．3．4 银／蝉翅活性基底的表面元素及表面性能分析

2．4 本章小结

第三章 银／蝉翅基底的性能表征、增强机制讨论及其实际应用

3．1 银／蝉翅基底的性能表征及增强机制

3．1．1 引言

3．1．2 主要材料及仪器

3．1．3 实验方法

3．1．4 结果与讨论

3．2 银／蝉翅活性基底在农药福美双检测方面的应用

3．2．1 引言

3．2．2 实验材料及主要仪器

3．2．3 实验方法

3．2．4 结果与讨论

3．3 银／蝉翅基底在细菌检测鉴定方面的应用

3．3．1 引言

3．3．2 实验材料与主要仪器

3．3．3 实验方法

3．3．4 结果与讨论

3．4 银／蝉翅基底在腺苷酸核苷酸检测鉴定方面的应用

3．4．1 引言

3．4．2 实验材料与主要仪器

3．4．3 实验方法

3．4．4 结果与讨论

3．5 本章小结

第四章 结论与展望

4．1 结论

4．2 展望

参考文献

研究成果及发表的学术论文

致谢

作者及导师简介