一种基于碳点复合纳米材料的表面增强拉曼光谱研究

Surface enhanced Raman scattering (SERS)is a high sensitive detection method at molecular level. The traditional SERS substrate is mainly metal nanoparticles or a few kinds of semiconductors. These SERS substrates could not detect some molecules that have weak adsorption with them, limiting their widely applications. In this project, we proposed to prepare a series of carbon dots/semiconductor or carbon dots/metal nanocomposites as SERS substrate. By the electron transfer between carbon dots/semiconductors or carbon dots/metal nanoparticles and probe molecules, the SERS effect could be further enhanced. We will study the effects of the size, morphology, and types of the carbon dots/semiconductors or carbon dots/metal nanocomposites on the SERS properties, and investigate the SERS enhancement mechanism. By using the strong adsorption ability between carbon dots and some molecules, we could detect the polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with a high sensitivity. By using cytochrome molecules as probes, the relationship between the biocompatibility of the carbon dots nanocomposites and the SERS properties will be studied. In addition, we will use the good visible light adsorption ability of the carbon dots to be applicable in the photocatalytic reaction. We will study the in-situ SERS properties of the dyes on the surface of carbon dots/semiconductor nanocomposites under the irradiation of UV light, which expand the practicle applications of the SERS measurement.

表面增强拉曼散射（SERS）是一种高灵敏的分子检测手段，传统SERS基底以贵金属和少量半导体纳米材料为主，对在其表面吸附性较弱的分子很难检测，因此限制了其应用。本项目拟通过将碳点与半导体或者金属复合，利用碳点/半导体(或金属)与分子之间强的电荷转移作用，增强复合基底的拉曼效应。探索碳点/半导体、碳点/金属复合纳米结构材料的尺寸、形貌、种类对其SERS性质的影响，揭示碳点/半导体、碳点/金属复合纳米结构材料的表面增强拉曼协同作用机理。利用碳点在半导体或者金属表面与探针分子的强吸附作用，实现对低拉曼散射截面分子（如多环芳烃）的高灵敏度检测。以细胞色素为探针分子，研究碳点/半导体、碳点/金属复合纳米结构材料的生物相容性与SERS性质之间的关系。利用碳点可吸收可见光并通过转换实现与其复合的半导体发生电荷分离的特性，实现碳点/半导体复合纳米材料对光催化反应进程的实时监测，扩大SERS的应用范围。

表面增强拉曼散射（SERS）是一种高灵敏的分子检测手段。碳点具有一些独特的电学、光学和化学性质，将碳点与半导体或者金属复合可以产生许多新颖的性质。例如，利用碳点/半导体复合纳米材料作为基底可以实现化学反应过程和催化反应机理的原位SERS研究，利用碳点/金属复合纳米材料作为基底可以改善金属纳米材料的生物相容性及拓展其在生物体系中SERS的高灵敏度检测，为SERS技术研究带来新的契机。.本项目制备了一系列Ag/C-dot、Au/C-dot、ZnO/C-dot、TiO2/Ag/C-dot等核壳或复合纳米结构材料，实现了这些复合结构材料尺寸、形貌的可调可控，完成了探针分子在这些复合纳米结构材料基底上的SERS性质研究。研究了探针分子/碳化聚合物点偶联Ag纳米粒子接触界面的电荷转移SERS 机理，实现了碳化聚合物点/Ag纳米催化反应过程中界面与分子之间的相互作用的原位监测。利用TiO2纳米纤维为载体，原位生长碳点/Ag纳米粒子，利用SERS技术研究了界面分子可见光催化降解的反应进程。通过实验研究选择控制Ag与石墨烯量子点相复合纳米粒子的尺寸，构筑了一类增强效果好，尺寸小，生物相容性好的石墨烯量子点/Ag复合纳米结构材料，以小尺寸石墨烯量子点/Ag复合基底为基础，进一步拓展了细胞内层面上的类酶催化反应的原位SERS监测，为构建细胞层面的酶催化反应的SERS高灵敏快速检测技术奠定基础。将该工作拓展，实现了石墨烯负载半导体/金属复合纳米材料作为类过氧化物酶和类氧化物酶基底，利用SERS技术研究了其类酶催化反应机理，实现了对H2O2、Hg2+、抗坏血酸、葡萄糖等重金属及生物分子间接SERS超灵敏检测及生物医学应用。