高SERS活性的纳米银溶胶的制备及其增强机理研究

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自Fleischmann等人首次在粗糙的银电极表面观察到吡啶的表面增强拉曼光谱(SERS)以来,银一直是最为广泛使用的SERS活性基底材料。目前,单分子的SERS信号已经可以在银溶胶纳米粒子表面获得。本论文制备了一系列纳米银溶胶,并以结晶紫(CV)为探针分子研究了这些银溶胶的SERS活性,探讨了它们的SERS增强机理。论文主要内容包括:(1)制备了六种具有不同ζ电位的银溶胶。测试了CV在银溶胶纳米粒子上的吸附等温线,其规律不满足Langmuir和Freundlich方程。ζ电位测定表明纳米银粒子带负电,说明与带正电荷的CV分子除发生单分子层吸附外,还可以发生多分子层的吸附。计算了CV在银溶胶粒子表面的吸附量和SERS增强因子,并研究了银溶胶的SERS活性与其粒子的大小、ζ电位之间的关系。由此确定了制备高SERS活性银溶胶较理想的条件。(2)用DFT方法在B3LYP水平上,对CV的拉曼光谱进行了计算,通过GaussView和VEDA程序模拟了CV分子的振动模式。计算结果表明,CV的二维振动模式E在SERS光谱中被选择性的增强,这与CV在半导体材料ZnO表面的SERS增强特性类似,说明银溶胶纳米粒子和CV分子之间发生了明显的电荷转移。因此,SERS增强中存在化学增强的成分。(3)用UV-Vis光谱研究了柠檬酸钠还原硝酸银制备银溶胶的成核动力学过程。考察了反应温度和过饱和度(S)对纳米银成核诱导期的影响。结果表明,其成核诱导期随着反应温度的升高和溶液过饱和度的增加而下降。同时结合均相成核理论,得出了当溶液的过饱度大于或等于4×108时,银溶胶的形成为均相成核过程。这一结论为制备形貌均一的,粒径窄分布的纳米银溶胶提供了理论依据。(4)根据经典的成核理论,结合反应体系的实际情况,摸索出银溶胶的两步合成法,即高温(100℃)成核和低温(92℃)生长。与一步法相比,所得银溶胶纳米粒子形貌单一、粒径分布窄,并具有更高的SERS活性。(5)用硼氢化钠、柠檬酸钠还原硝酸银溶液,得到球形纳米银粒子。这些球形粒子在光照条件下可得到三棱柱形纳米银粒子。实验中探讨了反应物浓度、反应过程中加样速率对三棱柱形纳米银粒子形成的影响,并对光照条件下,球形粒子转变成三棱柱形纳米银的机理进行了探讨。SERS研究结果表明三棱柱形纳米银溶胶比球形纳米银溶胶具有更高的SERS活性。(6)制备了金银合金纳米溶胶,其稳定性和分散性均较好。在UV-Vis光谱中,该合金体系只出现一个最大吸收峰,并且位于纯银和纯金的最大吸收峰之间,表明该溶胶体系是金银合金纳米粒子,而不是金粒子与银粒子的混合物。该体系是局域表面等离子体共振(LSPR)可调的合金材料,在特定激发波长条件下,具有比单一金溶胶和银溶胶更高的SERS活性。
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