金属纳米周期结构与石墨烯复合体系的构筑及其在表面增强拉曼散射(SERS)中的应用

The project intends to build the grapheme-metal nanostructure array composite system as Surface-Enhanced Raman scattering (SERS) substrate in order to achieve a high-sensitivity SERS detection method under fluorescence interference, and develops the theoretical and experimental studies on modulation characteristics and coupling effects of the composite structures. On the one hand, the project will study the properties of surface plasmon excitation metal nanostructures and explore the relationship between the induced local electric field enhancement effect and the microstructure, and modulate the surface plasmon resonance through designing the geometric parameters of the nanostructure, realizing the accurate control technique of large area ordered metal nanostructures array with high-efficiency SERS for the desired requirement. On the other hand, the project will explore and design the grapheme-metal nanostructure array composite system, and study the influence of the grapheme layers and coupling mode on the SERS effect and anti-fluoresce in antibodies ability, in order to achieve high-enhancement and good-uniformity functional active structure through optimizing the structural design of the metal nanostructure. The project will focus on scientific and application problems of grapheme-metal nanostructure array active substrate, which has the important significance and application value on the revealing the essence of the SERS enhancement mechanism and the development of new bio-detection chip.

本项目拟通过构建石墨烯-金属纳米阵列复合体系作为表面增强拉曼散射(SERS)基底来实现有荧光背景干扰条件下的高灵敏度SERS检测方法，并对该复合结构的调制特性和耦合效应展开理论和实验研究。一方面，研究金属纳米结构中的表面等离激元激发引发的局域电场增强效应与微结构之间的关系，进而通过设计纳米结构的几何参数来调节表面等离激元共振，实现高SERS效应并能满足特定应用需求的大面积有序金属纳米阵列基底的可控组装；另一方面，探索和设计石墨烯-金属纳米阵列复合结构，系统研究石墨烯层数和耦合方式对复合体系的SERS效应及其抗荧光背景干扰能力的影响，通过优化结构设计，以获得增强因子高和均匀性能好的功能型复合基底。本项目将围绕石墨烯-金属纳米阵列复合活性基底中的一些科学问题与材料制备问题展开研究，这些工作对于揭示SERS增强机理的本质和开发新型生物检测芯片有着重要的意义和应用价值。

基于贵金属纳米颗粒的制备及表面增强拉曼散射应用，项目从研究聚苯乙烯微球阵列模板的可控制备出发，通过一、二元PS球模板制备、氧等离子刻蚀改进模板、低维贵金属纳米材料复合、二维石墨烯材料复合等方法，实现具有较高SERS活性的阵列结构基底可控制备，并结合时域有限差分法对多种基底的电场分布进行研究，得到基底的电场增强因子，并探索了贵金属纳米颗粒在分子检测方面的应用。主要内容如下：.第一，采用不同尺寸的聚苯乙烯微球作为模板，制备出不同颗粒大小、大面积有序Ag纳米颗粒阵列，该阵列的局域等离激元共振峰可以实现精确控制。在此基础上将Ag纳米阵列与零维Ag纳米颗粒复合，复合材料形成具有高密度SERS热点的Ag纳米颗粒环绕的三角形阵列。由于SERS热点环的存在，Ag纳米颗粒环绕的三角形阵列在实验和理论方面均被证明具有很高SERS增强能力。.第二，Ag纳米结构与石墨烯复合，单层石墨烯在可见光范围内有较好的透明度以及化学稳定性。大气中的硫化物很难穿透单层石墨烯来硫化银纳米阵列。与未覆盖石墨烯的基底相比，覆盖单层石墨烯的Ag纳米阵列在拉曼散射增强和电磁场增强方面有更显著的增强效果。.第三，通过精确控制氧等离子体刻蚀时间，分别对一元胶体晶体模板及二元胶体晶体模板进行刻蚀处理。刻蚀后纳米微球之间形成纳米桥掩膜结构。利用该模板制备得到大面积有序、颗粒间隙小于10 nm的纳米阵列，不同胶体晶体得到不同的纳米阵列。.第四，采用水相合成法制备了一系列不同长径比的金纳米棒结构，通过调节长径比可精确调控其对应的LSPR峰。实验和理论结果表明金纳米棒对于拉曼分子的测定具有较高的灵敏度；在此基础上采用金纳米棒作为种子溶液，有效实现金纳米颗粒从棒状到截角八面体再到八面体的系统性形状演化。.第五，制备了均匀性较高的金纳米双锥结构，并以此为基础合成了金核银壳纳米棒和金-银-金空腔纳米复合结构，分别以它们为基底探究了三种结构对SERS的增强效应。实验和理论结果表明金纳米双锥具有一个五边形基底和两个尖锐的顶点，产生了新的额外“热点”。与金纳米棒相比，金纳米双锥对周围的折射率更加灵敏，局域电场增强效应更强。