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基于表面增強拉曼散射的納米材料開發(fā)與性能優(yōu)化
更新時間:2024-10-23瀏覽:624次

基于表面增強拉曼散射的納米材料開發(fā)與性能優(yōu)化

隨著科技的飛速發(fā)展,光電應(yīng)用與材料領(lǐng)域正不斷涌現(xiàn)出令人矚目的新知識和技術(shù)與新應(yīng)用,為響應(yīng)國家號召,作為光電行業(yè)的領(lǐng)*企業(yè),北京卓立漢光儀器有限公司積極承擔(dān)社會責(zé)任,特別策劃并推出《名家專欄》系列技術(shù)與應(yīng)用新聞專欄,該專欄匯聚激光物理、拉曼光譜、等離子體、電化學(xué)、量子理論及激光誘導(dǎo)擊穿光譜等多領(lǐng)域系列,全系列專欄共計36篇,深入剖析前沿科技,為讀者帶來專業(yè)而豐富的知識盛宴,為廣大科研工作者提供一個交流與學(xué)習(xí)的平臺?!睹覍凇防庾V系列專欄第二期,邀請四川大學(xué)原子與分子物理研究所雷力老師、王揚斌老師,對SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生、增強機制和應(yīng)用做詳細(xì)分享。


SERS現(xiàn)象

由于拉曼信號本質(zhì)上很弱且常常受到其它信號的干擾和削弱,科學(xué)家們不斷探索使拉曼信號更強和更容易檢測的方法。表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,簡稱SERS)就是其中一種,它利用了具有等離子體性質(zhì)的納米結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性,使得位于等離子體金屬納米結(jié)構(gòu)附近的目標(biāo)分子的拉曼信號顯著增強。SERS技術(shù)提高了拉曼光譜的靈敏度,通過增強拉曼散射和熒光猝滅(消除熒光背景),可以將拉曼信號提高近1010-15倍,等離子體納米材料的*高靈敏度、分子特異性以及拉曼光譜的協(xié)同作用使SERS成為一種靈敏、快速、無損、強大的分析技術(shù)。由于其超高靈敏度和選擇性,SERS在表面和界面化學(xué)、催化、納米技術(shù)、生物學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、食品科學(xué)、環(huán)境分析等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

基本上,SERS分析吸附在特制金屬表面上的分子。這種金屬表面應(yīng)具有等離子性能:在金屬與介電材料(如空氣)的界面上,激光的入射光與金屬的自由電子相互作用,產(chǎn)生共振相互作用,產(chǎn)生電子的振蕩密度波,稱為等離子體。


SERS現(xiàn)象的產(chǎn)生需要滿足以下兩個條件:

(1) SERS活性基底。通常情況下,采用具有粗糙結(jié)構(gòu)的Au、 Ag等貴金屬納米材料或TiO2、Cu20和MoS2 等半導(dǎo)體材料作為增強基底;

(2) 基底與探針分子間的距離非常小,一般小于 10 nm。

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SERS增強機制

自1974年發(fā)現(xiàn)SERS現(xiàn)象以來,其增強機制至今還尚未明確統(tǒng)一,存在不少爭議。目前,電磁增強機制(EM)和化學(xué)增強機制(CM)是研究者較為認(rèn)可的兩種增強機制。其中EM對整個SERS增強效應(yīng)起主導(dǎo)作用,EF增強因子可達(dá)105 - 106倍,而來自CM的貢獻(xiàn)僅有10 - 103倍。電磁增強有兩個方面的貢獻(xiàn):局部場增強和再輻射增強。電磁增強與分子類型無關(guān),而依賴于基底及其粗糙度。化學(xué)增強機制也被稱為電荷轉(zhuǎn)移增強機制,主要源于探針分子與基底間的電荷轉(zhuǎn)移引起分子的電子結(jié)構(gòu)的改變,促進(jìn)分子極化率的提高,從而增大拉曼散射信號。其增強能力取決于分析物自身的電子特性,通過誘導(dǎo)偶極子使分子的極化率增大,因此,化學(xué)增強機制比電磁場增強機制的貢獻(xiàn)小很多。


SERS的應(yīng)用

單分子檢測:SERS技術(shù)可以實現(xiàn)超低濃度溶液和超薄薄膜中的分子檢測,最近在表面科學(xué),分析化學(xué),納米技術(shù)等領(lǐng)域引起廣泛關(guān)注。

化學(xué)及工業(yè):表面增強拉曼光譜是研究電極化學(xué)界面結(jié)構(gòu)、吸附、反應(yīng)的一種重要譜學(xué)工具,作為一種靈敏度很高的表征手段,SERS因為能直接研究物質(zhì)在膠體上的吸附行為而得到廣泛的應(yīng)用。

生物、醫(yī)學(xué)體系:SERS作為一種增強拉曼光譜技術(shù),在研究生物分子的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象方面發(fā)揮著重要作用,大量的研究人員利用SERS解決了生物化學(xué),生物物理和分子生物學(xué)中的許多問題,包括提供分子的特殊基團(tuán)與界面的相互作用、生物分子與金屬的鍵合方式等等。基于SERS的生物測定法可以診斷癌癥、心血管疾病和傳染病等。

納米材料:SERS可以避開本體覆蓋層的干擾,直接對聚合物、金屬界面的結(jié)構(gòu)進(jìn)行高靈敏度和專一性的檢測,找出聚合物分子在金屬表面的去向以及幾何形態(tài),擴展聚合物在金屬防腐中的應(yīng)用,弄清金屬粘接以及集合物在表面的光化學(xué)反應(yīng)等。

聯(lián)用技術(shù)與傳感器:SERS的高靈敏高分辨率使得它在傳感方面有強大優(yōu)勢和潛力??梢宰鳛樯V及流動注射分析的檢測手段,在進(jìn)行成分分離同時還可以進(jìn)行各組成分的指紋鑒定,對于天然有機物、違禁藥物等分析有重要意義。

作者:雷力,常雪,王揚斌
作者單位:四川大學(xué)原子與分子物理研究所

雷力,四川大學(xué)原子與分子物理研究所研究員,博士生導(dǎo)師,主要開展高壓譜學(xué)研究?,F(xiàn)任中文核心期刊《光散射學(xué)報》常務(wù)副主編、編輯部主任,《高壓物理學(xué)報》編委,中國物理學(xué)會光散射專業(yè)委員會委員,中國化學(xué)學(xué)會高壓化學(xué)專業(yè)委員會委員。進(jìn)一步了解可百*/必應(yīng)搜索關(guān)鍵詞:“廣義壓強"、“熊貓氮",“高壓耦聯(lián)"、“高壓樂隊"。

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