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金属-ZnO纳米棒异质结构的表面增强拉曼效应研究

张弘  
【摘要】:表面增强拉曼散射(SERS)在生命科学、疾病诊断、医学治疗、食品安全、环境检测等领域有着非常重要的应用。近年来,纳米科学技术的快速发展推动了新型SERS衬底的设计制备。Au、Ag、Cu等贵金属被证实具有表面等离子体共振效应,能够引起拉曼信号的极大增强,已经激发了贵金属SERS衬底的研究热潮。同时,基于ZnO纳米材料衬底的表面增强拉曼光谱研究也受到了人们的广泛关注。这归因于ZnO纳米材料所具有的诸多优点,如优异的表面增强拉曼效应、光催化特性、传感特性,以及成本低廉、制备工艺多样且简单、易于实现形貌控制制备等,这为其SERS衬底的应用特别是多功能性应用奠定了良好基础。当前,将ZnO纳米材料与金属纳米材料相结合形成异质结构SERS衬底进而开发其应用特性的研究引起了科研界的浓厚兴趣。揭示ZnO纳米材料与贵金属材料之间的拉曼增强协同效应的机制并进而优化衬底的SERS特性和应用具有重要的的科学研究意义和实际应用价值。本论文基于材料的控制制备首先对ZnO纳米棒和ZnO纳米棒-Au纳米颗粒的SERS效应进行了深入研究;然后在此基础上,引入高反射的Ag膜,制备出了Ag膜-ZnO纳米棒和Ag膜-ZnO纳米棒-Au纳米颗粒等新型异质结构SERS衬底,并研究了其SERS特性及相关机制。主要研究内容为:(1)控制制备了具有不同直径的ZnO纳米棒阵列,并对纳米棒阵列进行了金纳米粒子表面修饰,进而对ZnO纳米棒阵列衬底以及ZnO纳米棒-Au纳米颗粒衬底的SERS特性进行了深入研究。以罗丹明6G、亚甲基蓝荧光素分子为探测对象,揭示了样品的形貌结构以及激发波长对于衬底SERS特性的影响;(2)引入高反射的Ag膜,控制制备了Ag膜-ZnO纳米棒作为新型的SERS衬底。研究表明,该新型衬底的SERS特性比ZnO纳米棒衬底提高了2倍。基于实验数据,我们分析讨论了Ag膜对衬底SERS特性的影响机制;(3)控制制备了Ag膜-ZnO纳米棒-Au纳米颗粒新型SERS衬底,并系统研究了其SERS特性。研究表明,采用罗丹明6G为探测物,可基于该新型SERS衬底实现探测下限为10-16 M的拉曼探测,显著优于已报道的结果。进一步,我们采用该衬底对革兰氏阴性菌大肠杆菌进行了SERS探测,验证了其应用性。


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