表面拉曼增强散射(SERS)光谱是表面科学中最灵敏的现场谱学技术之一,已被广泛用于表面科学相关的众多领域,其应用领域的有效拓宽直接与活性基底的制备和增强机理的研究密切相关。近年来随纳米科技的快速发展,SERS基底材料的可控合成已成为可能,其增强效应不断提高,检测灵敏度不断提高,但对于复杂SERS机理至今仍没有统一的认识,特别是由于缺乏简单实验模型而使理论研究和实验结果有效关联。基于此,本论文探索了具有特殊形状的复合粒子的制备条件,尝试研究了单个及复合粒子聚集体上的SERS光谱,并以此为研究模型,通过偏振SERS研究和理论模拟将实验结果与理论分析关联,对其SERS机理进行了深入探索。主要研究工作归纳如下:一、超顺磁性Fe3O4@Au核壳粒子的制备及SERS研究超顺磁性核壳纳米粒子同时具备核的超顺磁性及壳的SERS效应,提高了磁性纳米粒子的分散性和稳定性,在磁场下易富集,金属表面易修饰及功能化,且核壳的功能各自独立,利于拓宽磁性粒子的应用范围。控制条件合成了磁性纳米粒子,以此为核,制备了具有连续Au壳层的Fe3O4@Au核壳纳米粒子,尝试通过在磁场作用富集吸附探针分子的核壳粒子,从而提高检测灵敏度以及在单组分免疫检测中的应用。研究表明:1.制备得到具有较强磁性的Fe3O4纳米粒子,成功地制备超顺磁性的金属核壳纳米粒子。将2nm的Au粒子自组装修饰到Fe3O4粒子表面,成为形成Au壳层的生长种子,最终成功制备超顺磁性的核壳纳米粒子,通过控制Au盐的量可获得不同壳层厚度的核壳粒子,采用XRD、UV-vis、VSM等对核壳粒子进行表征。2.超顺磁性核壳粒子表现出了内核的磁性和外层Au的光学性质,可作为SERS应用研究的理想基底。在一定的非均匀磁场作用下,核壳粒子沿磁场运动后聚集,导致溶液中苯硫酚的SERS信号增强,从而可提高探针分子的检测灵敏度。以磁性核壳粒子为标记免疫溶胶,构建“固相抗体一待测抗原一标记免疫溶胶”三明治夹心复合物,用于免疫检测,内核的磁性对抗体抗原的特异性吸附没有影响。二、单个纺锤形Fe2O3@Au核壳粒子上的偏振相关SERS及理论研究基底材料的尺寸及形状对SERS效应的贡献差异极大,具有较大长径比的椭球状颗粒往往表现出理想的增强效应,当入射激光的偏振方向与纳米材料的维度尺寸匹配时可激发最大的LSPR,由此产生强的SERS效应。因此若能根据SERS的增强特点与LSPR的关系,设计制备一些特殊结构的纳米材料,不仅可以作为理想的SERS基底以拓宽SERS的应用范围,同时可作为模型体系,有利于复杂SERS机理的研究。已有SERS偏振相关性研究集中在的粒子之间的耦合作用,对于真正的单个孤立的粒子而言,由于没有粒子间的耦合作用,SERS效应主要来自粒子本身。因此,研究单个粒子的SERS效应可使体系简单化和模型化,有助于深入了解SERS的增强机理。主要结果如下:1.纺锤形Fe2O3@Au结合了纳米棒和纳米壳的优良特性,通过改变壳层厚度可调谐核壳粒子的光学性质。利用水解法制备得到较大长径比的纺锤形Fe2O3粒子,表面生长连续Au壳层后获得Fe2O3@Au复合粒子。以苯硫酚为探针分子,研究了Fe2O3@Au核壳结构粒子的SERS效应,随着Au壳层的厚度的增加,SERS强度增强,根据实验结果计算表明核壳结构平均增强因子约为106,其主要来自电磁场增强效应。2.通过FDTD的理论模拟计算,表明单粒子和双粒子耦合表面局域电场具有特征分布。计算表明对平行偏振(即入射激光的光电场矢量的方向与粒子长轴平行时,θ=0°),紧靠长轴末端外表面拉曼信号最强,对于垂直偏振(即入射激光的光电场矢量的方向与粒子长轴垂直时,θ=90°),所得到的拉曼强度较弱,约是平行偏振最大值的10-7。不同θ角度下单粒子表面局域电场的最大值与θ的余弦函数的四次方曲线吻合。这为预见各向异性粒子的偏振相关SERS光谱提供理论依据。3.首次获得了单个纺锤形Fe2O3@Au粒子表面偏振相关SERS光谱,为SERS机理研究提供实验依据和理论模型。实验发现单粒子表面的SERS信号随着入射激发光的偏振方向改变而变化。当偏振方向沿粒子的长轴方向时信号最强;而当偏振方向转过90°时信号最弱,这与FDTD理论计算结果基本一致。4.从实验上考察单粒子表面SERS效应的分布情况。结合单粒子上苯硫酚SERS信号及2D-mapping数据的数学解析,表明吸附在各向异性粒子表面探针分子的SERS信号在粒子表面不同位置的强度存在明显差别。单位面积上的SERS信号强度在最强处与最弱处约差2-3个数量级。在确定的激发光下,单个各向异性粒子上的SERS增强的热点主要分布在尖端(长轴端点)附近,而短轴方向两端处SERS效应较弱。若考虑SERS增强主要为电磁场增强的尖端效应,则单个纺锤形粒子尖端的电磁场增强约为垂直方向的5倍,这与理论模拟的结果一致。通过对单个纺锤形粒子的SERS偏振实验研究,并结合FDTD的理论计算,2D-mapping研究以及数学解析对SERS电磁场增强的尖端效应机理做了进一步的探讨和认识。三、多枝状纺锤形FeOOH@Au核壳粒子的制备及SERS研究在纺锤形基础上形成多枝状粒子可望利用多枝间的耦合作用进一步提高粒子的SERS活性,丰富SERS机理研究的模型。通过间接方法控制合成了多枝状纺锤形核壳粒子,分析了形成机理,并研究了相关的SERS效应。主要结果如下:1.调控溶液组成制备多枝状的FeOOH核及FeOOH@Au核壳结构。独特的纺锤形多枝状FeOOH的形成依赖于尿素中OH-离子的缓慢释放,加入的油酸浓度和金属离子种类对粒子形貌也有明显的影响,对多枝状粒子的形成起诱导作用。通过TEM、XRD等对多枝状的FeOOH及FeOOH@Au核壳结构的形貌结构进行了表征。2.多枝状纺锤形各向异性的粒子具有较好的SERS活性。研究表明,SERS活性强度主要来源于核外层连续的Au壳层,且与壳的厚度相关,随着Au壳的厚度的增加,SERS信号强度逐渐增大。与单纺锤形的核壳结构相比较,多枝状结构显示了更强的SERS活性,这可能归因于多枝状粒子尖端的避雷针效应及多枝间可能的耦合效应。四、1,4-BDT在Au表面的光谱的理论研究根据1,4-BDT在纺锤形Fe2O3@Au核壳粒子表面的SERS光谱,结合量子化学计算,对该分子的振动基频、在核壳粒子上的吸附行为进行了初步研究。研究内容如下:1.为考察1,4-BDT在Fe2O3@Au核壳粒子上的吸附机理和吸附方式,采用密度泛函理论(DFT)中的B3LYP方法在C2h对称性限制下,计算了1,4-BDT的拉曼振动基频。并通过定义局域内坐标,把密度泛函理论中的笛卡尔坐标力常数转化成具有内坐标力常数,用校正量子力学程序(SQM)根据实验值对理论计算值进行校正,计算得到1,4-BDT的C-C, C-H的伸缩振动频率校正因子为0.9668,C-S伸缩振动为0.974,S-H伸缩振动为0.915,其余频率为0.974。然后按照Wilson的GF矩阵方法得到校正频率和振动基频的势能分布(PED)分析,对振动基频的对称性及振动模式进行了详细的归属,与实验基本吻合。2.结合拉曼光谱和量子化学计算,探讨了1,4-BDT在Fe2O3@ Au上的吸附模式。以1,4-BDT分子与一个Au原子形成的复合物为例,利用DFT理论在B3LYP/6-311+G**(C, H, S) / LANL2DZ(Au)水平上,对1,4-BDT与Au复合物的可能结构进行了构型优化,并计算相应的拉曼光谱,并对其中一种复合物HSC6H4SAu(Ⅰ)的振动基频进行了PED分析。根据特征峰的相对强度、位移、NBO、PED等分析,最后得出1,4-BDT是以倾斜的方式化学吸附在Au上。总之,通过纳米粒子的可控合成及制备特殊形状的粒子,不仅为拓宽SERS应用范围提供了新型基底材料,同时为复杂SERS机理的深入探索提供了实验依据及理论模型,特别是孤立单粒子的定位并结合理论及数学模拟的偏振SERS研究可发展成为解析SERS机理的重要技术手段之一。