基于铁磁流体的高度有序和生物相容性表面增强拉曼散射基底研究

表面增强拉曼散射（SERS）在表面科学、生物医学和生命科学等领域具有重要的应用前景。SERS活性基底是实现拉曼增强的核心，具有规则有序排列的纳米金属结构是实现高稳定性和重现性SERS的关键，生物相容性是该技术生物医学应用的基础。本项目结合铁磁纳米颗粒的超顺磁性和生物相容性及纳米金属的优异光学性质，设计和制备纳米金属/铁磁颗粒核壳结构的铁磁流体，利用铁磁流体在外加磁场下形成的有序排列来实现有序结构的SERS基底。研究制备条件对颗粒形貌、尺寸、均匀性及所加磁场对颗粒排列有序性等的影响，从而实现具有高增强因子和生物相容性的高度有序的SERS基底，并进行拉曼光谱实验验证。从理论分析，数值模拟和实验三个方面来研究在激发光作用下复合颗粒之间的相互作用，揭示其实现电磁场增强的物理机制。所设计的SERS衬底具有良好的稳定性、生物相容性、成本低等优点，在单分子检测、药物输运及生物医学等方面都会有良好的应用。

本项目从实验上制备了几种SERS活性基底，即磁控Ag-Fe3O4复合纳米结构SERS基底，自组装单层银纳米立方，银纳米球及其复合结构的SERS基底，银纳米立方（Ag-NCs）@ p-ATP探针分子/Pt膜三明治结构的SERS基底、自组装银纳米粒子的SERS基底、以及半胱氨酸分子修饰金纳米棒SERS基底。通过选择合适的探针分子，分析了以上不同结构SERS基底的光学稳定性，重现性以及拉曼增强特性。结果表明磁控Ag-Fe3O4复合纳米SERS基底展现了高均匀性、高重复性、和高的增强因子。增强的SERS基底归因于大尺度贵金属纳米团聚体形成的局域电场热点，从而提供一些具有显著增强的拉曼效果。并利用拉曼光谱与表面增强拉曼光谱对食管癌患者血红蛋白进行分析，并结合统计学分析方法，可以对食管癌患者与正常人进行较好的区分。理论研究了铁磁流体中铁磁金属壳层纳米颗粒周围局域电场的研究。在外加磁场的影响下，复合铁磁颗粒将会沿着外加磁场的方向排列，并形成磁纳米链。磁纳米链中复合颗粒在外场的影响下发生极化，导致颗粒之间产生相互作用。通过解拉普拉斯方程，得到了复合纳米颗粒周围局域电场分布的表达形式，并深入分析了局域电场分布与入射波长，复合颗粒体积分数，壳层厚度，极化角度之间的关系。进一步设计与计算了铁磁金属纳米流体层与介电层形成的一维梯度光子晶体结构中光学能带及色散关系。并且利用超材料进行metamaterial-SERS衬底的初步设计，研究了超材料对光波的完美吸收特性以及法诺共振效应。