贵金属纳米壳微球阵列SERS效应的结构关联性及其增强机理

针对贵金属纳米壳微球阵列表面增强拉曼散射（SERS）效应的结构关联问题，本项目基于共聚焦显微拉曼光谱仪和原位高倍光学显微镜系统，研究贵金属纳米壳微球阵列的结构参数与SERS效应的关联性，探索其内在的结构增强机理。主要包括：贵金属纳米壳微球阵列的构筑和结构参数调控；通过对激光束光斑形状和尺寸的调节，研究纳米壳微球单元、微球组成的一维和二维阵列结构的SERS效应、及结构过渡时的SERS效应变化规律；探究微球尺寸与纳米壳厚度、一维或二维微球阵列的排列周期、单元间隔等结构参数与SERS效应的关联；考察激发波长、偏振方向、功率大小等测试参数对SERS信号的影响；探寻阵列的局域表面等离子体共振及其与SERS效应的联系。通过综合分析和局域电磁场模拟，揭示纳米壳微球阵列SERS效应的结构关联性及结构增强机理，并为其它微/纳结构阵列的SERS研究提供实验方法，为高SERS活性衬底的制备提供理论依据。

本项目针对贵金属纳米壳微球阵列表面增强拉曼散射（SERS）效应的结构关联问题，通过研究这种简单SERS基底模型的内在增强机理，揭示微纳结构阵列中的相关耦合机制，实现增强基底的高活性和高稳定性，为高性能复杂微纳结构阵列SERS基底的制备及其应用提供依据。项目的主要研究内容包括：贵金属微纳结构阵列的构筑及其结构参数调控、纳米壳微球阵列SERS效应结构关联特性的理论和实验研究、复杂微纳结构阵列的SERS效应及其结构关联特性、基于高SERS活性基底的检测应用初探。项目取得的主要研究结果包括：第一，基于单层胶体晶体模板发展了电化学沉积、二次模板、化学刻蚀等阵列构筑方法，实现了多种复杂微纳结构阵列的构筑及其结构参数调控；第二，从实验和理论两方面揭示了贵金属纳米壳微球阵列SERS效应的结构关联性及内在增强机理，优化构筑了具有高SERS性能的金银复合结构纳米壳微球阵列；第三，发现贵金属纳米壳层、纳米颗粒等与复杂微纳结构阵列的耦合可以实现原有高活性SERS基底的二次增强并提高其对杂质拉曼峰的抗干扰性，进而通过实验和理论分析构建了高效耦合结构；第四，研究了贵金属纳米颗粒溶胶与探针分子混合溶液在复杂微纳结构阵列表面原位浓缩过程中的SERS演变，发现了过程中的高增强耦合态，并结合理论模拟分析了其耦合增强机制；第五，提出了水膜限制和蒸发浓缩SERS增强策略，实现了与衬底弱相互作用力探针分子（如沙林模拟剂甲基磷酸二甲酯）的高灵敏SERS检测。项目执行期间共发表SCI论文14篇，授权或申请专利8项，合著英文专著1部，获得安徽省科学技术一等奖1项，项目负责人获得了安徽省杰出青年科学基金和中国科学院青年创新促进会优秀会员等荣誉称号。本项目的研究具有重要的意义：一方面，对纳米壳微球阵列SERS效应结构关联机理、纳米壳层/纳米颗粒与微纳结构阵列间耦合效应等问题的研究和理解将为高性能微纳结构阵列SERS基底的设计与制造奠定基础；另一方面，高SERS活性基底以及新提出的水膜限制和蒸发浓缩SERS增强策略，将为传统难以被衬底有效捕获探针分子的SERS检测提供方法。