贵金属微/纳米结构阵列的局域电磁场增强及近红外SERS效应研究

Taking the instant, trace amount and portable detection of the organic phosphor nerval toxic molecules for target-towing, and taking the surface enhanced Raman scattering (SERS) effect-based optical fiber Raman detection for approch, in this project, aming at the key material-issues existing in the visible-light excited SERS spectral detection, we put forward, taking the noble metal (alloy) micro/nanostructured arrays as SERS substrates, to shift the arrays’ local surface plasmon resonance peak to a specific waveband in infrared (NIR) region by tuning the structural parameters in the arrays; and study, in deep and systematically, the local electromagnetic field enhancement effect and NIR-SERS effects of the noble metal (alloy) micro/nanostructured arrays, mainly including: (i) the arrays’ design and building as well as the structural and componential optimization; (ii) the arrays’ local electromagnetic field enhancement effect, NIR-SERS activity and their dependences on the structural parameters; (iii) the NIR-SERS effect-based optical fiber Raman detection principle, etc., in order to establish the preparation approch of the substrates with good practicality and high NIR-SERS activity, to reveal dependence of the arrays’ local electromagnetic field on their structural parameters and component, and the field enhancement mechanism, and to develop the NIR-SERS effect-based optical fiber Raman trace detection technique, providing the design idea for the related devices and laying the foundation for instant, trace amount and portable detection of the highly toxic molecules.

以有机磷神经毒性分子的快速、痕量便携式检测为需求牵引，以基于表面增强拉曼散射(SERS)效应的光纤拉曼检测为实现途径，针对可见光源激发的SERS光谱检测中存在的核心材料问题，本项目提出以贵金属(合金)微/纳米结构阵列为SERS衬底，通过阵列结构参数的调整，将其局域表面等离子体共振吸收峰移至近红外(NIR)区的指定波段；深入开展贵金属微/纳米结构阵列的局域电磁场增强效应及NIR-SERS效应研究，主要包括：阵列的设计构筑与结构、成分的优化；阵列的局域电磁场增强效应、NIR-SERS活性及其与结构参数之间的关联；基于阵列NIR-SERS效应的光纤拉曼检测原理等。旨在确立具有实用价值的高NIR-SERS活性衬底的制备途径；揭示阵列的局域电磁场与其结构、成分的相关性及增强机制；为发展基于NIR-SERS效应的光纤拉曼痕量检测方法，为相关器件设计提供依据，为实现高毒性分子的快速、痕量便携式检测奠定基

有毒有害物质的快速、痕量便携式高效检测，一直是人们追求的目标。本项目以典型有毒有害物质的高效检测为牵引，以基于近红外表面增强拉曼谱学(NIR-SERS)效应的检测原理为实现途径，开展了贵金属微/纳米结构阵列的局域电磁场增强、NIR-SERS效应与应用研究，主要包括：阵列的设计、构筑及局域电磁场增强效应；阵列的表面修饰及其与目标物的相互作用和NIR-SERS效应；基于阵列NIR-SERS效应的痕量检测方法与应用示范。经过5年的努力，取得了主要成果如下。.发现了金纳米结构阵列的多极子耦合效应，揭示了激发波长与纳米单元中的等离激元长度之间存在线性关系；优化设计了NIR-SERS衬底的结构，发展了与晶圆相结合的芯片批量制备方法，获得了系列通用与专用NIR-SERS芯片。.提出了基于沙林碳-磷键遗传特性的SERS检测思路与表面修饰-汞化反应策略，筛选、合成了新型修饰分子，实现了对痕量沙林分子、汞离子等的NIR-SERS响应与精准识别；提出了基于表面异质包层固相转变的SERS技术，发展了贵金属纳米结构表面超薄氧化物、硫化物等的均匀可控包覆方法，揭示了SERS衬底与系列目标物(典型重金属离子、“六六六”、VOCs、含硫气体等)的相互作用与NIR-SERS效应。. 建立了基于贵金属纳米结构NIR-SERS效应的未知体系中目标物定量分析方法；设计研制了基于芯片的手持式SERS检测样机，实现了对某些有毒有害物质(沙林、汞离子、“六六六”等)的现场痕量检测，为其实用化提供了示范。.这些进展，不仅为高质量NIR-SERS芯片设计、制备提供了简便方法，加深了对贵金属微/纳结构局域电磁场增强机制的理解，而且为手持式SERS谱仪的研制提供依据与材料基础。相关结果已发表SCI论文58篇、专著章节2篇，在学术会议作大会报告20余次，申请发明专利22项(其中授权13项)，获软件著作权5项、企业标准3项，成果转化3项。