贵金属纳米结构在石墨烯表面的可控组装及其在表面增强拉曼光谱中的应用研究

In this project, we report a simple confined self-assembly process to synthesize metal nanostructrues with different shapes (nanorod, nanowire, nanoplate, nanocube, etc.) through surfactant-assisted π-π stacking interactions. First, metal-porphyrin molecules with conjugated macrocyclic building blocks are self-assembled to form metal-porphyrin nanostructures with different shapes through π-π stacking interactions. Metal-porphyrin nanostructures are then further self-assembled on the surface of graphene with conjugated rings to form 2-D metal-porphyrin nanostructure/graphene composite materials through π-π stacking interactions. Then, noble metal ions are reduced at the surface of metal-porphyrin nanostructures under the light illumination and 2-D noble metal nanostructure/graphene composite materials are prepared when the templates of metal-porphyrin nanostructures are removed. The shape, size and space between the noble metal nanostructures can be controlled to simulate the "rough surface" of real systems. The relationship between the Raman enhancement factors and the anisotropy of metal nanowires is studied. The relationship between the Raman enhancement factors and the facet of metal structures is also studied to explore the SERS mechanism. The 2-D metal nanostructure/graphene composite materials are used as substrates of super high sensitive SERS detection and applied in the fields of pesticide residues, food safety and environmental monitoring.

在本课题中，我们提出了在表面活性剂的诱导下通过π-π堆积作用自组装形成具有不同形貌金属纳米结构（纳米棒、纳米线、纳米片、纳米立方体等）的新途径。首先利用金属-卟啉分子具有共轭大环结构的特点，将金属-卟啉分子通过π-π堆积作用自组装形成具有不同形貌的金属-卟啉纳米结构，金属-卟啉纳米结构在具有共轭结构的石墨烯表面进一步通过π-π堆积作用形成二维金属-卟啉纳米结构/石墨烯复合材料。以金属-卟啉纳米结构作为模板，在可见光作用下还原贵金属离子并牺牲模板，得到二维贵金属纳米结构/石墨烯复合材料，通过控制贵金属纳米结构的形状、大小和间距来模拟各类实际体系的"粗糙表面"。研究金属纳米线的各向异性和金属纳米结构的不同晶面对SERS的影响规律，进一步深入探讨SERS产生的机理。将金属纳米结构/石墨烯二维复合材料用作SERS超高灵敏度检测的基底，应用于农药残留、食品安全和环境监测等方面。

随着纳米科技的发展，人们利用电化学和液相化学技术已经可以控制合成具有单一尺寸和形貌的纳米晶体，通过调控纳米晶体的形状就可以获得不同的面。如果我们能够将具有某种晶面的纳米晶体按照一定的方式组装成有序的聚集体，那么就可以在这个鸿沟上架上一座桥梁。在本课题中，我们提出了在表面活性剂的诱导下通过π-π堆积作用自组装形成具有不同形貌金属纳米结构（纳米棒、纳米线、纳米片、纳米立方体等）的新途径。首先利用金属-卟啉分子具有共轭大环结构的特点，将金属-卟啉分子通过π-π堆积作用自组装形成具有不同形貌的金属-卟啉纳米结构，金属-卟啉纳米结构在具有共轭结构的石墨烯表面进一步通过π-π堆积作用形成二维金属-卟啉纳米结构/石墨烯复合材料。以金属-卟啉纳米结构作为模板，在可见光作用下还原贵金属离子并牺牲模板，得到二维贵金属纳米结构/石墨烯复合材料，通过控制贵金属纳米结构的形状、大小和间距来模拟各类实际体系的"粗糙表面"。研究金属纳米线的各向异性和金属纳米结构的不同晶面对SERS的影响规律，进一步深入探讨SERS产生的机理。将金属纳米结构/石墨烯二维复合材料用作SERS超高灵敏度检测的基底，应用于农药残留、食品安全和环境监测等方面。银纳米修饰聚纤维素酯薄膜超疏水界面能够有效的检测出敌百虫的特征官能团的SERS信号（441 cm1和 756 cm1为 P-O 键振动, 723 cm1为C-Cl 键振动），以756 cm1处强的 P-O 键特征振动峰作为分析信号，信号强度与敌百虫浓度的对数呈现出良好的线性关系，线性方程为ISERS = 56.37 log C + 893.07，R2 = 0.9845，线性范围为1×10-8 ~1×10-13 mol/L，检出限为1×10-16 mol/L （S/N=3）。