光学标记免疫诊断技术是一种应用广泛的检测技术,它通过抗原抗体结合反应后,再加上各种光学标记物放大信号来实现便捷和灵敏的检测。近十年来,基于表面增强拉曼光谱(Surface Enhanced Raman spectroscopy,SERS)的免疫检测标记物得到越来越多的关注。这种光学标记物被称为SERS探针,由金属纳米基底、吸附在基底上的拉曼信号分子、保护层和生物靶向分子修饰等四部分构成。其中,金属纳米基底起到了关键性作用,具有超小缝隙结构的金属基底能产生极强的增强效应。制备适当的金属基底以获得信号重复性、稳定性和均一性好的SERS探针是增强拉曼光谱领域的研究重点。近年来,越来越多的文献报道了具有内部缝隙的核壳结构金属纳米颗粒。拉曼信号分子嵌入颗粒内部的缝隙中,提高SERS的强度、重复性和稳定性,使得这些颗粒可作为优异的SERS探针。目前,这种具有内部缝隙的核壳金属SERS探针已经在多指标免疫检测等领域得到应用。本论文以具有内部缝隙的核壳结构金属纳米颗粒为研究对象,将其命名为“缝隙增强拉曼探针(Gap Enhanced Raman Tags,GERTs)”,研究内容涵盖材料化学合成、信号增强物理机制和免疫检测应用等方面.第二章对GERTs颗粒的表面形貌、拉曼性能进行了详细的表征分析,证实其具有优异的SERS信号,并研究了GERTs金壳生长过程和机理。实验结果表明内嵌分子层是缝隙结构形成的关键因素,分子层厚度决定缝隙宽度,分子层在金表面的亲和力和占据面积决定了缝隙结构的完整性;当内嵌分子层的覆盖率改变,“缝隙率”和拉曼性能也随之变化。这些工作有助于理解GERTs的合成机理与缝隙形成的原因。第三章则研究了GERTs颗粒的光学属性。我们从实验和理论上研究了具有不同的内部缝隙尺寸(0.7,15,100 nm)的金属核壳颗粒的光学响应。结果表明对于亚纳米间隙而言,分子层诱导的电荷转移效应变得显著,使间隙共振峰从消光光谱中消失。量子修正模型(QCM)理论计算的消光光谱与测量光谱吻合,证实GERTs内部存在电荷传输效应。内嵌导电和非导电分子层GERTs颗粒的拉曼测试也佐证此结论。第四章对GERTs进行化学合成调控,研究颗粒金壳数量改变对其拉曼性能的影响。通过重复使用种子生长法成功合成多层核壳GERTs颗粒,并发现双层核壳GERTs具有最优SERS性能,其外层拉曼分子层主要贡献了整个颗粒的信号。该多层核壳GERTs拉曼信号的谱峰位置和强度是可调的,我们简要探究了它在拉曼编码领域的应用可能性。第五章中合成了内嵌硫醇化芳香族分子的、内部缝隙宽度可调的GERTs,并相应获得强度可调的拉曼信号。通过改变硫醇化芳香族分子与纳米金核的混合时间,使分子之间通过二硫键交联成多层结构,从而在金核表面形成不同厚度的分子层,据此制备得到具有不同缝隙宽度的GERTs颗粒。这种缝隙宽度可调的GERTs可以作为研究分子层电荷转移效应的模型。我们测试了GERTs颗粒近场光学特性的变化,证实其拉曼增强信号的最高值受缝隙内电荷传输效应所影响。这些结果提供了优化核壳颗粒SERS性能的设计策略,也为间隙内分子电子学领域的发展提供参考。第六章中,我们简单验证了GERTs颗粒在生物医学免疫检测领域的应用潜力。使用GERTs制备免疫侧流层析(LFA)试纸,通过检测试纸的拉曼信号,实现了高灵敏、可定量和快速检测样品中的人绒毛膜促性腺激素(HCG),比市售同类品的检测限低两个数量级。该试纸可以用小型手持式拉曼光谱仪检测,拓宽了应用场景。综上所述,本论文以GERTs颗粒为研究对象,以材料的化学合成研究为主,对其纳米光学性质和信号增强物理机制提出解释,并对颗粒的检测应用潜力做了简单验证。这些工作有助于理解核壳金属结构颗粒的化学和光学性质,提供了优化核壳颗粒SERS性能的设计策略,对SERS探针在生物医学检测中的应用具有参考价值。