新型夹心式表面增强共振拉曼器件的设计、应用及其理论研究

本研究以银为基底，通过引入薄膜层(如SiO2)将内层金属的高表面增强拉曼活性和外层金属(如金或铂)的电化学特性相结合，拟构建新型夹心式(金属-薄膜-金属)表面增强拉曼器件。以细胞色素c或细胞色素P450为探针分子，研究它们的表面增强共振拉曼(SERR)光谱和电化学行为。同时，利用电磁理论构建表面增强拉曼散射理论模型，探讨内-外层金属间表面增强的机制。通过该体系可研究探针分子的构象变化、电子传递机制和表面催化反应机理等。它不仅具有SERR光谱本身的优点，而且还有下列新特点：(1)宽光谱，光谱采集可在整个可见及紫外区进行；(2)宽电位窗；(3)高稳定性和重现性；(4)生物相容性好；(5)成本低廉，制备简单；(6)多样性薄膜功能平台。该体系以电化学拉曼为平台，将电磁理论、SERR光谱、纳米和电化学等学科相交叉，试验与理论相结合，拟构建新型光电生物传感及催化器件，实现多种检测技术在同一平台上操控。

本项目构筑了 “三明治” 结构 Ag-SAMs-Au和Ag-SiO2-Au 表面增强拉曼器件，充分利用Ag的高拉曼活性和Au的导电性及化学稳定性。在Au薄膜表面自组装一层巯基单分子层，再通过静电吸附作用将探针生物分子如细胞色素c固定在该基底上，实现了探针分子在Au表面的紫外拉曼光谱和电化学性能研究。采用稳态表面增强拉曼共振技术(SERR)研究细胞色素c的生物活性及其界面取向，并考察了不同电位对细胞色素c的SERR光谱信号的影响。利用时间分辨SERR技术研究细胞色素c电子传递的动力学过程。此外，建立了表面增强拉曼散射（SERS）理论模型，详细研究了非导电薄膜(SiO2或巯基薄膜等)和外层金属的介电常数及其厚度对周围电磁场强度的影响，为研制新型拉曼器件提供原理和方法。.同时，结合溶胶凝胶、电沉积及水热合成技术等构筑了多种形貌且有拉曼活性的贵金属纳米材料，如树枝状金/铜/钯纳米薄膜、金纳米花、纳米银柱阵列等等，并制备了许多新型多级微纳结构的贵金属及半导体等光电材料，包括核壳型和空心结构的Ag-聚多巴胺杂化材料、MnO2纳米棒、空心花生状及双笼状ZnO多级材料、空心微球Cu/Cu2O及八角对称树枝状PbS等，并详细研究了上述材料的生长机理以及光电催化性能，探索了这些材料在光电传感等领域的应用。目前已发表论文26篇，其中SCI源期刊论文24篇，其中3篇作为封面文章分别发表在Adv. Funct. Mater.、J. Colloid Interf. Sci.和FEBS J.，并参编英文论著2章。