碳黑纳米结构的制备及其在SERS中的应用

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表面增强拉曼散射(SERS)是一种快速、无损、具有高灵敏度的检测手段,被广泛应用于生物检测、食品安全、环境监测和痕量检测等研究领域。贵金属(Au、Ag、Cu)因其独特的消光特性和表面易产生等离激元共振的特性而常用于SERS基底的制备。SERS基底的灵敏度主要取决于基底上贵金属材料引发的表面等离激元共振形成的“热点”的强度和数量,“热点”的强度取决于贵金属材料的类型、形状、尺寸及团聚现象,而“热点”的数量取决于形成纳米间隙的个数。相比于二维SERS基底,三维SERS基底的“热点”既存在于水平方向,也存在于竖直方向,且三维材料可以更有效的对检测分子进行吸附,这就使得三维SERS基底具有更强的SERS活性。单纯的以贵金属制备的SERS基底很难形成三维结构,因此需要其他三维结构对贵金属纳米颗粒进行架构。常见的贵金属纳米颗粒支撑结构制备方法包括水热法,刻蚀法,压印法和化学气相沉积法。利用化学气相沉积法制备的石墨烯和碳纳米管被多次应用于SERS基底的制备,但化学气相沉积法制备过程较为复杂且对设备要求较高。在本文中,利用简单快速的火焰法制备了三维多孔碳黑纳米结构,此方法简单易操作,可大面积制备且可重复性高。在碳黑纳米结构上利用磁控溅射法沉积银制备出银/碳黑复合三维多孔结构,通过控制银的溅射时间得到了具有高灵敏性的SERS基底。利用该SERS基底对不同浓度的R6G溶液进行检测,当R6G溶液浓度为10-11M时拉曼信号依然明显;此外,计算出基底的增强因子为1.48×109,这与其他以碳纳米材料为支撑结构制备的SERS基底相比具有极高的增强因子。掩膜版将基底分割为点阵列模式,对点阵模式每一个位置进行拉曼检测得到的信号稳定,误差较小,说明一个基底可进行多次检测。另外,我们根据溶液在点周围的蒸发过程观察到溶液蒸发收缩路径会影响探针分子在基底上的吸附分布,溶液在光滑平面上难以形成固定的接触线,而银/碳黑三维复合结构阻碍了溶液向内收缩,溶液在点边缘形成固定的接触线,大量探针分子在点边缘聚集,导致边缘位置探针分子的吸附数量更多。此外,该复合基底还可用以检测牛奶中掺杂的三聚氰胺成分,验证了基底用于实际检测的潜能。
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