贵金属空心球微/纳米结构阵列构筑、SERS效应及对氰化物痕量检测原理

本项目，以单层胶体晶体为模板，合成以纳米片为基元的空心球微/纳米结构阵列体系，获得高活性表面增强拉曼散射(SERS)衬底；针对氰化物，探寻基于SERS效应的检测原理。主要包括：贵金属纳米片为基元的空心球微/纳结构阵列的构筑及其结构参数 (微米单元排列周期、间隔，纳米片尺寸、排列密度等) 的优化；研究这种微/纳结构阵列的SERS效应、表面等离子激元共振(SPR)特性及其相互关联；考察激光激发波长对SERS活性的影响，及被测分子浓度与SERS信号间的关系；探究贵金属微/纳结构阵列SERS效应的结构增强机制；理论模拟计算空心球表面的局域场强度分布；选择高SERS活性的微/纳结构阵列衬底，尝试建立基于SERS效应的氰化物快速、痕量检测的方法，为微/纳结构阵列的器件化和实用化奠定基础。显然，本项工作的开展，不仅具有学术价值，而且具有重要的实用前景。

在国家自然科学基金项目 “贵金属空心球微/纳米结构阵列构筑、SERS 效应及对氰化物痕量检测原理”的支持下，主要取得了以下进展： 以金膜覆盖的单层胶体晶体为模板，通过电化学沉积的方法，获得了以银纳米片为基元的空心球微纳米结构阵列，尺寸可以达到平方厘米量级。这种阵列是由周期分布的微米尺寸的空心球组成，几乎所有的银纳米片都垂直交叉站立在球壳的表面。纳米片为单晶结构，尺寸为几百纳米，厚度约为30nm。纳米片的密度可以通过电化学沉积的条件加以控制。我们研究了纳米片的形成机理：在低电流密度条件下，初始阶段的电沉积准平衡生长与接下来电泳沉积诱导下的导向连接生长。重要的是，这种阵列具有较高的SERS结构增强活性，其增强因子为108，对4-氨基苯硫酚（4-ATP）的检测极限为10-15M，展现出较高的稳定性与均匀性。并且，这种阵列，通过等离子体清洗的方法，可以重复使用。基于SERS效应，以这一阵列为衬底，研究了对氰化钾的痕量检测。检测极限为0.1ppb,并且氰化钾浓度与SERS信号强度之间满足双对数关系，表明CN-在空心球微/纳米结构阵列的吸附机理满足Freundlich 吸附。另外，我们发现激光激发功率对氰化钾的检测至关重要。本项目的研究不仅对材料的合成具有重要的科学意义，而且对基于SERS效应的器件设计具有重要的实用价值。