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表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering,简称SERS)被发现以来,它以其高灵敏度、高分辨率,不需要预处理和非侵入非破坏性等优点,成为一种可以实现定性甚至定量分子检测的有力工具,并且在环境检测、食品安全、生命科学等领域具有广泛的应用前景。将SERS与微流控技术相结合,有望实现痕量物质的高效定性检测。SERS效应是由基底、激励光源和待测分子共同作用的结果,针对目前SERS基底存在灵敏度不够、增强特性低、稳定性弱及可重复利用性差等缺点,利用碳纳米管比表面积大、表面反应活性高以及吸附能力强等优点,并结合银纳米颗粒的强电磁增强效应,提出了以碳纳米管为构架的碳纳米管薄膜/阵列-银纳米颗粒复合结构作为高活性SERS基底,以提高其增强因子和稳定性(有效寿命),降低其制备成本和工艺复杂度,分别从制备工艺、结构表征、SERS特性和电磁增强机理等对碳纳米管薄膜/阵列-银纳米颗粒复合结构基底进行了系统地实验和理论研究。具体研究内容如下:(1)研究了碳纳米管薄膜-银纳米颗粒(CNTF-Ag NPs)复合结构的制备工艺。采用两种方法制备了CNTF-Ag NPs复合结构SERS基底,一种是化学还原反应法,该方法一步完成,制备过程简单,成本低廉,且增强效果明显;另一种是化学自组装方法,将制备好的碳纳米管悬浮液与银溶胶混合,再超声,该方法制备的CNTF-Ag NPs样品上的银纳米颗粒粒径可控。通过两种制备方法的比较,得出用化学还原反应法制备的CNTF-Ag NPs基底的增强效果优于化学自组装方法,其增强因子高出约1~2个数量级,基底的制备方法也可以扩展到其他可以发生化学反应的材料或结构,比如还原氧化石墨烯、金纳米颗粒等,为我们在实验方案的优先选择上提供参考。(2)系统地研究了用化学还原反应方法制备的CNTF-Ag NPs复合结构的光学特性和SERS增强活性。采用扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy,简称SEM)、X射线衍射仪(X-ray diffraction,简称XRD)、紫外-可见分光光度计和拉曼光谱仪对碳纳米管、银纳米颗粒及其复合结构进行了表面形貌、元素组成和光学特性等实验分析;通过位置mapping的方法对CNTF-Ag NPs复合结构基底的本身拉曼进行了小面积的均匀性测试,其相对标准偏差(Relative standard deviation,简称RSD)低于20%。实验以罗丹明6G(Rhodamine 6G,简称R6G)作为待测分子,CNTF-Ag NPs基底的检测极限可以达到10-14 mol/L,计算实验增强因子(Enhancement factor,简称EF)为~109。此外,还对CNTF-Ag NPs复合基底的稳定性和大面积均匀性等特性进行了实验研究,结果表明:样品在空气中放置65天后得到的R6G拉曼信号与放置1天的结果相比,强度下降到了15%~16%左右,大面积的均匀性RSD值不超过20%。(3)提出了碳纳米管阵列-银纳米颗粒(CNTA-Ag NPs)复合结构SERS基底,研究了其制备工艺和光学特性。采用磁控溅射和高温退火的方法制备了CNTA-Ag NPs基底,并对制备参数进行了优化,相比较于CNTF-Ag NPs基底,其均匀性得到提高,最大RSD值约为18%。结合Ostwald熟化理论,研究了不同退火温度和退火时间对碳纳米管上银纳米颗粒形貌的影响,随着退火温度和时间的增加,银纳米颗粒的平均粒径增加,且粒径分布主要符合Wagner分布,生长机制主要由化学反应生长机制所决定。(4)系统地研究了碳纳米管阵列-银纳米颗粒复合结构基底的拉曼增强特性、稳定性、均匀性和可重复利用性等SERS性能。以4-巯基苯甲酸(4-mercaptobenzoic acid,简称4-MBA)作为待测分子,其检测极限达到10-10 mol/L,增强因子EF>107,CNTA-Ag NPs基底上有待测分子的均匀性的RSD<20%;CNTA-Ag NPs的有效寿命可以达到90天以上,比用化学方法制备的CNTF-Ag NPs基底的有效寿命长;可重复利用性实验结果表明,采用乙醇清洗基底比用去离子水清洗基底的效果更好,清洗得更干净,但是用乙醇清洗后,基底对待测分子的拉曼强度下降了5%~10%。(5)分别对碳纳米管薄膜/阵列-银纳米颗粒复合结构上待测分子水溶液蒸发过程对SERS强度的影响进行了详细分析。采用time-course SERS mapping方法,以R6G和4-MBA为待测分子,实验发现随着蒸发时间逐渐增加,待测分子的拉曼信号先增强后减弱,其最主要原因是由于毛细力的作用,引起基底结构有效“热点”的变化,从而带来电磁场增强特性的变化。(6)分别对CNTF-Ag NPs和CNTA-Ag NPs两种复合结构进行了电磁增强仿真计算。利用时域有限差分(Finite difference time domain,简称FDTD)法,结合实验参数,建立电磁场仿真模型,利用仿真结果进一步证明实验结果的正确性,并对其进行了详细分析,结果表明:在碳纳米管-银纳米颗粒复合结构中,存在两种“热点”:一是碳纳米管和银纳米颗粒之间,二是碳纳米管上银纳米颗粒和银纳米颗粒之间;对于CNTF-Ag NPs和CNTA-Ag NPs复合结构,其电磁增强因子分别为~109和2.7×107。(7)初步探究了基于CNTF-Ag NPs增强基底的微流控系统SERS实验,验证了增强基底在微通道的拉曼测试可行性,但是相比较于开放的SERS基底,微通道里的SERS信号下降了87.6%。