金纳米阵列的调控制备与SERS活性研究

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表面增强拉曼光谱(SERS)技术是能够提供分子的微观结构信息的灵敏分析技术,在化学、材料、环境、食品安全、生物医学等领域有广泛应用。作为检测技术,SERS信号的灵敏响应、稳定获得至关重要,因此如何制备稳定可重复、高灵敏的SERS活性基底,一直是研究的难点和热点。金纳米材料具有良好的生物相容性、化学稳定性和优异的光学性能,加上其形貌尺寸易于调制,是研究最为广泛的SERS活性基底材料。  嵌段共聚物模板组装技术具有图案结构丰富、灵活可控、操作简便、低成本,可与微电子工艺相兼容等特点,在调制纳米结构阵列的形貌结构方面具有优势。本文期望利用嵌段共聚物模板,发展一种简便的金纳米阵列的形貌结构调制方法,进行构效关系研究,为新型高SERS活性基底的稳定制备及其生物传感应用奠定基础。  本文我们选择聚苯乙烯-b-4-聚乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)为模板分子,研究建立纳米界面限定的置换反应沉积方法,在硅表面调控制备不同形貌结构、尺寸大小、周期分布的系列金纳米结构阵列,并研究其与结构相对应的SERS活性。研究内容主要包括以下几个方面:  1、基于嵌段共聚物模板的金纳米结构生长研究。研究考察了纳米界面置换反应溶液浓度以及反应时间对金纳米结构阵列生长的影响,建立了界面可控的纳米金生长体系;通过改变反应时间或多次生长方法调控制备了间隔周期约为100nm、颗粒尺寸范围为33nm-71nm的系列金纳米结构阵列。以生物染色分子尼罗蓝A为敏感分子的SERS活性研究表明该类阵列显示依赖于尺寸结构的光学性质,较大尺寸、较小间隙的金纳米阵列显示较好的SERS活性。  2、金纳米阵列的形貌结构调控与光学性质研究。研究通过等离子体和紫外辐射两种后处理方式及其不同时间对金纳米阵列的结构形貌的影响,调控制备了相同周期、不同尺寸的系列类圆形与类花形金纳米结构阵列。SERS活性研究结果表明,金纳米阵列的结构尺寸明显影响SERS活性,其SERS活性随着纳米结构尺寸的增大而增强,类花形金纳米结构具有优于类圆形结构的SERS活性。  3、利用不同共聚物模板图案对金纳米阵列结构与光学性质的调制研究。采用表面重构、成膜转速调节以及不同分子量聚合物的选择等方式,获得多种模板图案,调控制备了不同形貌结构与周期分布的金纳米阵列。SERS活性研究表明,单颗粒金纳米结构阵列的SERS活性随着周期间隔的变化而变化;金纳米颗粒团簇阵列比单颗粒阵列具有较好的SERS活性;不同分子量的嵌段共聚物模板获得的金纳米阵列,其SERS活性随结构、分布变化而变化。  本文研究为功能纳米结构的设计、调控与优化以及性能的调制提供了有益启示,也为SERS活性基底的基础理论的理解与研究提供了参考。
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