金属纳米结构的表面等离激元共振效应能够显著提高金属对光的吸收。表面等离激元效应在金属表面产生增强电场的同时,产生大量的热和高于费米能级的热电子。这些效应可以极大的提高表面化学反应速率,甚至提高选择性,实现传统方法难以实现的反应。本文回顾了表面等离激元辅助反应中各种效应(包括光电场、热和热电子)对反应的作用,总结了高效表面等离激元辅助反应的原则。等离激元增强拉曼光谱由于具有既能通过表面等离激元引发反应,又能通过光谱观测反应的特点,因此在表征等离激元辅助反应方面具有独特的优势。最后从原位表征、界面调控和多外场协同等方面提出了展望。

本文用射线光学的方法计算了球形微粒在微纳光纤涡旋倏逝场中的受力,并研究了微粒与微纳光纤表面之间的距离、微粒半径和微纳光纤半径对微粒受力的影响。微粒在梯度力的作用下被捕获到微纳光纤表面,同时在散射力的作用下沿微纳光纤中光束传播的方向绕光纤螺旋状运动。离光纤表面距离越远,微粒受到的光辐射压力越小。当微纳光纤半径不变时,微粒的径向捕获效率、沿光轴的传输和绕光纤的转动可分别通过微粒的半径来优化; 而当微粒半径不变时,可分别通过微纳光纤半径来优化。

以天然矿物纤蛇纹石为原料,通过酸浸与物理化学分散的方法制备出了形貌较为均匀,纯度高且分散性好的SiO2纳米线。利用硼氢化钠(NaBH4)和柠檬酸钠(C6H5Na3O7)做双还原剂将高度分散的Ag纳米颗粒修饰在SiO2纳米线表面。用透射电镜(TEM)、扫描电镜(SEM)、紫外吸收光谱仪和拉曼光谱仪对SiO2@Ag纳米复合材料进行表征,并研究以SiO2@Ag纳米复合材料为基底的表面增强拉曼效应。结果表明,SiO2@Ag纳米复合材料具有极强的表面拉曼增强效应,并且当SiO2@Ag纳米复合材料中Ag纳米颗粒溶液体积为2 mL时,其增强效果最好。

设计了一种双对称性破缺Au-TiO2-Ag三层纳米杯结构,采用有限元方法分析了其局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)特性,并采用等离激元杂化理论对LSPR现象进行理论分析。分别仿真了入射光偏振态、核壳结构参数和外界介质折射率对Au-TiO2-Ag三层纳米杯消光光谱的影响。研究结果表明,当入射光偏振方向垂直于对称轴方向时,可将反对称横向耦合模式ω-⊥〉1的共振峰波长调谐至近红外区域1100 nm附近,同时该模式共振波长随外界介质折射率的增大产生红移,这一特性可在生物传感领域得到广泛的应用。

多氯联苯是一种持久性有机污染物,它在环境中极难分解,并通过食物链可在生物体内富集,从而对生态系统和人类健康造成严重危害。目前,多氯联苯在土壤、垃圾处理厂、天然水域及水生生物体内仍广泛存在,所以,亟需建立一种快速、灵敏、抗干扰的痕量检测方法。本项工作以金包裹二氧化硅的球形纳米颗粒(SiO2@Au)为探针,采用表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)技术对多氯联苯进行痕量检测。研究中,我们制备了不同大小、形状均一的金包裹二氧化硅球形纳米粒子(SiO2@Au)(粒径范围为200~310 nm),并将制备好的纳米粒子用于溶液中PCB-77的检测。结果发现,在红外激光激发下,所制备的SiO2@Au纳米粒子对PCB-77分子都显示了较好的SERS检测效果,而用200 nm 的SiO2@Au纳米颗粒检测PCB-77,其检测低限可达10-7 M。这项工作为环境中的有机污染物痕量检测提供了一种有效可行的方法。

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation,DDA)方法系统研究金属/石墨烯复合纳米阵列的消光特性,考察金属基底和石墨烯纳米阵列尺寸对局域表面等离子体共振峰位和强度的影响,以及研究不同基底厚度比条件下纳米复合阵列的电场分布、规律和物理本质。仿真结果表明,当保持金属基底厚度不变时,Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列的局域表面等离子体共振峰随石墨烯原子层数的增大而增大,共振波长发生微小红移; 当保持八根石墨烯层柱和银基底厚度不变时,随金银厚度比的增大,消光光谱发生蓝移; Ag/Au/石墨烯复合纳米阵列银层表面的电场强度为最强,石墨烯纳米棒阵列的电场强度较强。

针尖增强拉曼光谱(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy,TERS)的增强机制中物理和化学效应的影响是一个非常重要的研究课题。通过采用基于原子力显微镜平台的针尖增强拉曼光谱系统,深入研究了金纳米光栅表面苯硫酚的针尖增强拉曼效应。通过与相同样品在表面增强拉曼光谱系统中不同模式的增强因子对比,发现在TERS中物理效应和化学效应对其拉曼信号的增强均有贡献,同时TERS技术会带来更大的化学增强效应,尽管在针尖加载的过程中并未改变苯硫酚与金光栅基底之间的化学环境。这种现象可以归因于苯硫酚分子在垂直金属表面方向上的各向异性及其与针尖表面电荷和外加光电场之间相互作用的影响。本文的研究促进人们对TERS机理的理解,为进一步完善TERS增强理论奠定基础。

采用显微拉曼光谱和电阻测量技术,选择30支不同品牌和型号的黑色签字笔书写的墨迹样本,在分析所采集的拉曼谱图和电阻数据的基础上,对墨水的成分属性进行综合鉴别。结果表明,两种技术方法之间具有互证性和互补性,可以为黑色签字笔的种属鉴别提供一种准确、无损、便捷的新思路,适用于法庭科学添改文件鉴别,增强物证的证据效力。

采用拉曼光谱法对药用植物丹参根鲜样不同组织部位进行原位检测,以考察丹参酮类成分在丹参根中不同组织上的分布。结果表明: 丹参酮IIA标准品在1668、1620、1579、1535、1479 cm-1出现较强峰,丹参根周皮、韧皮部也在1667/1665、1618/1613、1576/1575、1533/1532、1477/1480 cm-1出现较强峰,周皮、韧皮部与丹参酮IIA标准品谱图之间的匹配度分别为74.9%、49.4%; 而木质部与丹参酮IIA标准品无相对应的拉曼峰,与隐丹参酮、二氢丹参酮标准品谱图之间的匹配度很低,分别仅为4.4%、5.6%,不足以证明有丹参酮类成分存在; 因此得出丹参根周皮和韧皮部中均有丹参酮类成分的分布,且主要成分为丹参酮IIA,而木质部中无丹参酮类成分分布的结论。虽然丹参根周皮和木质部均呈红色,但拉曼光谱检测发现丹参酮类成分的分布与周皮细胞颜色分布之间呈正相关性,与木质部细胞颜色分布无相关性,这提示颜色判别法分析丹参酮类成分的分布具有一定的局限性,而利用拉曼光谱法可快速的获得丹参酮类成分在丹参根中的分布情况,凸显了拉曼光谱用于丹参根中化学成分原位检测的优势。

作为一种无损分析技术,拉曼光谱近几十年来被越来越广泛地应用于文物艺术品分析和考古学领域。色彩是艺术品的灵魂,颜料分析是研究文物艺术品的一个重要课题。本文利用显微拉曼光谱技术,测量了龙门石窟洞窟中彩绘使用的颜料的拉曼光谱,通过对这些光谱的解析,对颜料的化学成分做出了识别。利用X射线荧光光谱进行的元素分析确定金色装饰为高纯度黄金,扫描电镜分析进一步测出了贴金的厚度。这些分析结果对于进一步开展龙门石窟彩绘的保护和修复有着重要的参考价值。

三磷酸腺苷(Adenosine 5’-TriphosPhate,ATP)是一种核苷酸的衍生物,在生命过程中扮演着重要的角色,既是能量分子,同时也是生物助水溶剂。由于其重要的生物学意义,ATP水溶液结构的研究一直受到广泛的关注。本文利用本课题组自主搭建的457 nm短波长手性拉曼光谱仪(Raman Optical Activity,ROA)对 ATP在酸性(pH=2.0)和中性(pH=7.0)水溶液中的手性结构进行了研究。通过Raman和ROA谱图的分析,发现在不同的pH条件下,Raman光谱表现出了明显的差异,但在相应的ROA谱图中,光谱轮廓具有极大相似性,主要的差别反应在950~1150 cm-1光谱区域,说明pH值的改变,主要影响了环外磷酸基团和呋喃糖环之间的相互作用方式。

原卟啉(PPIX)是血清中内源性荧光物质之一,目前研究表明癌症病人血液中的原卟啉含量高于正常人水平。因此,测定血清样品中的PPIX含量对于癌症病人的早期诊断具有重要的意义。本文中以超灵敏的荧光相关光谱(FCS)单分子检测技术,建立了直接测定血清中PPIX的含量的新方法。通过对100例正常人血清样本和12例疑似癌症病人血清样本(甲胎蛋白AFP含量异常)中PPIX的FCS数据分析,发现相对于检测PPIX-HSA的单个分子荧光强度和总荧光强度,PPIX-HSA在病人血清中的浓度与正常人血清有着极显著差异。FCS方法具有样品需求量少、分析时间短、可实现自动化操作等优点,有望成为癌症临床诊断的一种新方法。

运用傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared,FT-IR)光谱结合二阶导数红外(Second-order Derivative Infrared,SD-IR)光谱、曲线拟合及二维相关红外(Two-Dimensional Correlation Infrared,2D-IR)光谱来区分松茸和姬松茸。结果显示: 松茸和姬松茸的FT-IR光谱的总体特征基本相同; 松茸与姬松茸SD-IR光谱在1650~750 cm-1范围内吸收峰强度、位置、形状出现差异; 曲线拟合结果显示松茸和姬松茸在1186~1000 cm-1范围内子峰面积比例不同; 2D-IR光谱在1666~1388 cm-1和1120~918 cm-1范围松茸和姬松茸的自动峰的数目和强度都有差别。实验结果表明,FTIR光谱结合2D-IR光谱、曲线拟合和SD-IR光谱能简单、快速、无损的区分松茸和姬松茸。

本文研究了SiO2/Si、SiNX/Si、Al2O3/Si这三种具有不同介电常数(k)栅介质材料结构在1.7 MeV电子辐照前后的傅里叶红外光谱。随着辐照剂量的增大,三种结构的吸收峰强度均随之减小,其振动模式受到影响。电子辐照SiO2/Si结构后,振动吸收峰随着辐照剂量的增大,由Si-O-Si、Si-O键引起的伸缩振动吸收峰的位置向低波数移动。电子辐照SiNX/Si结构后,由Si-N键、Si-O键引起的伸缩振动吸收峰的位置向高波数移动。电子辐照Al2O3/Si结构后,由Al2O3的晶格振动,Al-O-Al键引起的伸缩振动吸收峰的位置向高波数移动。吸收峰的变化为电子辐照不同介质材料引入的缺陷提供了新的信息。

光缆维护时存在着故障点的位置定位不精确的问题,给光缆维护和抢修带来了困难。为解决这一问题提出了基于光时域反射仪(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)的光缆故障点精确定位方法。该方法结合了OTDR和偏振光时域反射技术(Polarization Optical Time Domain Reflectometry,POTDR),使用OTDR得到光缆故障点的光纤光学长度,利用POTDR分别获取光缆弯曲时和光缆恢复原状时的两组后向散射数据,用差值法和寻找斜率变化的方法对两组后向散射数据进行处理,可以确定光缆弯曲点的位置。结合光纤光学长度、弯曲点的位置及光缆余长系数,得出弯曲点与光缆故障点的距离,当弯曲点距离光缆故障点位置比较近时(小于200 m),对光缆故障点的定位很精确。实验结果表明,该方法能够精确地定位光缆故障点位置,结构简单,操作方便且不损伤光缆。

8-羟基喹啉锂用作有机电致发光器件的电子注入层能够提高阴极功函数,进而提高器件的发光效率。10 的Liq薄膜足以降低有机电致发光器件中的开启电压并能有效提高器件效率,该现象可与LiF/Al作阴极的器件性能相比拟。利用不同阴极材料制作器件,讨论了8-羟基喹啉锂的电子注入机制,发现把Liq薄膜引入到Alq3和不同阴极之间后,器件的电流密度与所用阴极材料的种类无关。为了讨论电子在分界面上注入势垒的变化情况,对器件进行饱和光伏测试。测试发现Alq3/Liq/Al的分界面上真空能级的移动降低了电子注入势垒。推测此现象是由于在界面上形成了强偶极子,这也可能是有机电致发光器件中电子注入效率提高的机理之一。