金属纳米粒子/泡沫镍复合结构的制备和拉曼增强特性研究

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拉曼光谱技术是“指纹”识别光谱,能够实现待测分子的定性定量检测。但拉曼散射信号的强度较弱,容易淹没在较强的荧光信号里面,这是目前该技术存在的主要问题。表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,SERS)是一种能够有效增强拉曼散射信号的光谱技术。该技术通过将分子置于金属纳米结构的超强局域电磁场(即热点)中,从而大大增加分子的拉曼散射。近年来,随着光谱技术和纳米技术的不断发展,SERS技术也逐渐在生物医疗、环境科学、食品安全等领域实现了广阔的应用。传统的SERS基底的衬底材料大多基于刚性材料,但刚性材料机械柔韧性差,对复杂表面的检测能力较弱,因此限制了SERS技术的应用。泡沫镍(nickel foam,NF)是一种具有多孔网状结构的三维柔性材料,其比表面积较大、表面吸附能力强、成本低,与金属纳米粒子(nanoparticles,NPs)制作成的柔性SERS复合基底能够有效地收集到更多的待测分子,因此本文以泡沫镍为衬底材料,开展了两类柔性SERS复合基底的制备与拉曼增强特性研究。主要研究内容如下:(1)探究了泡沫镍-金纳米颗粒(NF-AuNPs)复合结构的制备工艺。利用高效、简易的化学置换反应法,在泡沫镍衬底上大面积生长了花针状的金纳米结构。然后对NF-AuNPs复合结构基底的表面形貌进行了扫描电子显微镜(scanning electron microscope,SEM)表征,分析了置换反应时间对金纳米结构生长过程的影响,得到了最佳的置换反应时间参数。利用仿真软件COMSOL Multiphysics模拟了柔性NF-AuNPs基底的结构,探究了纳米粒子的尺寸和形貌对电场分布的影响。探究了基底的拉曼增强特性、均匀性及稳定性。NF-AuNPs基底对R6G(rhodamine 6G,R6G)的检测极限可达10-8 mol·L-1,增强因子(enhancement factor,EF)达到1.04×10~5,基底的相对标准偏差(Relative standard deviation,RSD)在15%以下,具有良好的均匀性。在空气中放置一定天数后,基底的稳定性优异。(2)为了进一步提高SERS基底的检测灵敏度以及降低成本,本文探究了银纳米粒子修饰泡沫镍的SERS基底(NF-AgNPs)的制备工艺。使用SEM对NF-AgNPs基底的形貌进行了表征,分析了置换反应时间和反应溶液浓度对基底上生长的银纳米粒子形貌的影响,并得到了最佳的置换反应时间与反应溶液浓度参数。利用COMSOL Multiphysics对柔性NF-AgNPs基底进行了抽象仿真,分析了NF-AgNPs基底的电场分布情况。探究了基底的拉曼增强特性、均匀性及稳定性。NF-AgNPs基底对R6G的检测极限可达10-12 mol·L-1,EF高达2.47×10~9,基底的RSD在15%以下,具有良好的均匀性。在空气中放置一定天数后,基底的稳定性一般。NF-AgNPs复合基底比NF-AuNPs复合基底具有更加优异的拉曼增强特性,制作成本更低,但稳定性有待提高。
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