近年来随着工业迅速的发展, 大气中气溶胶含量逐渐增加, 导致雾霾天气频发, 大气环境污染日益严峻。气溶胶污染问题主要与其物理化学性质有关, 包括气溶胶的吸湿性、挥发性、酸性、相态和非平衡动力学等。文中综合论述了大气气溶胶单颗粒的拉曼测量, 包括研究气溶胶的吸湿性、相变、pH和反应摄取系数, 运用光镊-受激拉曼光谱技术测量气溶胶的挥发性、非平衡动力学和相变, 以及运用表面增强拉曼光谱技术测量气溶胶的化学组成等。

本文设计了一种基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片, 利用介质波导激发等离子波导的耦合结构减小传输损耗, 增加传输距离, 以实现拉曼信号的长程探测。在632.8 nm的激发光入射下, 以金(Au)作为等离子波导芯层材料, PTFE做为介质光波导芯层材料, 经仿真分析发现: 介质光波导宽度为4 μm、厚度为0.2 μm, 等离子体波导宽度为4.5 μm、厚度为13 nm, 两波导间距D为3.1 μm时, 耦合效果最好, 场强大小约1.8024×108, 传输距离约0.3 mm, 是单独使用等离子波导传输距离的两倍。该研究为实现表面增强拉曼微流体芯片长程探测提供了理论依据。

目的: 研究不同检测条件对单链脱氧核糖核酸(Single-Stranded Deoxyribonucleic Acid, ssDNA)表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, SERS)检测结果的影响, 以确定最佳的检测条件。方法: 以单链DNA GO18(序列为AACCTTTGGTCGGGCAAGGTAGGTT (5′~3′))为例, 探讨不同检测条件(银胶溶液浓缩倍数、激发功率及积分时间、装样方式、凝聚剂MgSO4用量等)对 SERS 检测结果的影响规律。在最佳检测条件下, 对稳定性、重复性和检测限进行考察并对光谱图进行峰位归属。结果: 确定适于单链DNA检测的最佳条件是: 银胶溶液浓缩100倍, 激发功率30%(60 mW), 积分时间30 s, 装样方式为1.0~0.8高纯度石英毛细管, MgSO4(10mM)的用量2.0 μL。该条件下测定结果的稳定性高, 重复性好, 检测限为0.625μM。结论: 本研究优化了单链DNA的SERS检测条件, 为进一步扩大和推动 SERS 技术在单链DNA检测中的应用提供方法基础。

铜绿假单胞菌可导致临床慢性感染, 是烧伤、泌尿道感染、囊性纤维化等感染的重要致病菌。铜绿菌素是铜绿假单胞菌产生的次生代谢产物, 可导致感染患者细胞死亡, 与高死亡率息息相关, 可作为铜绿假单胞菌检测的生物标志物。铜绿菌素的直接、即时检测能够极大程度降低临床上铜绿假单胞菌的诊断时间, 提高临床治疗的效率。为实现以上目标, 在本文中, 我们通过静电吸附的机理在氨基硅烷化的玻片表面修饰一层AgNPs, 构建了一种简单、价格低廉的具有表面增强拉曼效应的阵列传感平台, 以实现培养基及唾液中铜绿菌素的直接、快速检测。结果表明铜绿菌素主要的SERS峰位主要为420, 543, 597, 680, 1354, 1598和1615 cm-1, 其中用来进行定量分析的420 cm-1和1615 cm-1处拉曼位移分别归属于-CCN环弯曲和-C-N弯曲, 及C=C环拉伸和C=N环拉伸。通过对肉汤培养基和唾液中的铜绿菌素直接检测, 发现检测限分别为0.5 μM和0.35 μM, 远低于临床样本中铜绿菌素的检测浓度, 每个样品的检测时间为10 s。这表明我们所构建的SERS基底阵列, 具备适用于临床上铜绿假单胞菌代谢产物铜绿菌素的高灵敏即时检测的潜力。

利用酸辅助一锅法合成了形貌均一的三氧化钨方形纳米片。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和紫外漫反射吸收光谱(UV-DRS)对材料的形貌结构和均一性进行表征。由X射线光电子能谱分析(XPS)与X射线衍射(XRD)对材料中的元素和价态表征可知, 成功制备了三氧化钨纳米片, 并发现其表面具有一定的氧缺陷。将该材料作为表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)基底, 对不同浓度结晶紫(CV)进行了检测, 并经统计计算得到了917 cm-1处特征峰的相对标准偏差(RSD)值为16.13 %, 表明该基底具有较高的重复性。

本论文以六年生枣树树干为研究对象, 应用同步辐射小角X射线散射(SAXS)方法, 对不同年轮枣树样品内的微孔结构进行了表征。不同年轮样品的散射图像均呈扇形分布, 说明枣树内部存在针状微孔, 并沿木质纤维轴择优取向。计算了微孔的长轴、短轴、长短轴比、取向角和取向度随着年轮的变化。取向角和取向度随年轮整体呈波浪式变化。从第一年轮到第二年轮, 孔隙变细变长, 说明枣树迅速长高; 其后年轮, 孔隙变短变粗, 说明枣树枝繁叶茂, 需要树干孔隙输送更多的营养物质。

文章通过数值模拟系统地研究了单个金纳米长方体颗粒和金纳米长方体阵列的折射率传感性能。结果表明, 四极共振的半峰全宽远小于偶极共振的半峰全宽。当纳米颗粒的边界变得尖锐时, 四极共振的共振波长会发生“红移”, 其折射率灵敏度和品质因子也会显著增加。金纳米长方体阵列的四极共振折射率传感性能(S≈787.72 nm /RIU, FOM≈13.82)优于单个颗粒的传感性能。等离子体四极共振在金纳米长方体阵列中的高灵敏度、大FOM和优异的稳定性使其在生物传感器领域具有潜在的应用前景。

胆酸钠相较于常规表面活性剂有着特殊的自组装行为, 这是由于胆酸钠具有独特的刚性类固醇骨架以及双亲面式结构导致的。通过小角X射线散射并辅以等温滴定量热实验、Zeta电位测量对胆酸钠的自组装行为进行表征, 发现了胆酸钠受浓度变化影响的自组装行为发生变化以及胆酸钠自组装体存在最大尺寸。分析讨论了导致自组装行为变化的两种驱动方式, 即疏水作用驱动的结合方式与分子间羟基形成氢键的结合方式, 并发现在20 mg/mL浓度范围时, 两种驱动方式达到平衡, 随着浓度进一步升高, 逐渐变为以分子间羟基形成氢键的驱动方式为主导。通过对小角X射线散射结果进行模型拟合分析, 得出具体的胆酸钠形貌尺寸信息, 胆酸钠自组装体长轴半径在13.5~41.2之间, 短轴半径在9.6~11.4 之间, 达到40 mg/mL浓度范围时, 胆酸钠自组装体达到最大尺寸不再继续增大。

局域表面等离子共振不仅可以扩宽材料的光谱响应范围, 还可以增强局部电场从而使待测分子的拉曼信号增强, 在生命科学领域发挥着重要作用。本文建立了单个金纳米颗粒(gold nanoparticle, AuNP)和双个金纳米颗粒在全血环境中的模型, 并采用三维有限元方法系统地研究颗粒尺寸、间隙以及全血消光系数对金纳米颗粒近场增强的影响。研究表明, 在全血环境单个AuNP模型中, 随着颗粒尺寸增大, 共振峰红移。当颗粒尺寸为80 nm时, 局部电场最大。相比于空气介质, 在全血介质中的AuNP共振峰红移并且局域电场增强。全血的消光系数对局部电场的影响非常小, 局部电场增强差异小于0.1 V/m。在全血环境双个AuNPs模型中, 随着两颗粒间距减小, 共振峰蓝移且局域电场明显增强。当两颗粒间距为1 nm时, 拉曼增强因子可高达1011。该研究为全血环境中药物分子和生物标志物的表面增强拉曼散射灵敏性检测实验提供一定的理论指导。

为了研究消光光谱颗粒粒径测量方法影响因素, 搭建了消光光谱颗粒粒径测量实验系统, 建立了非线性最小二乘颗粒粒径反演算法, 并选用900 nm、2.1 μm与5.1 μm三种标准颗粒作为待测颗粒样品, 开展了不同波段范围、波长选取数及颗粒浓度下消光光谱颗粒粒径测量实验研究。结果表明: 消光光谱颗粒粒径测量过程中, 光谱波长范围、波长数以及颗粒浓度等参数的选取均会对反演精度造成较大影响; 光谱信噪比是光谱波长范围选取的重要指标; 存在光谱波长选取数精度阈值, 采用该阈值进行颗粒粒径反演, 既可以保证测量精度, 又可以避免光谱数据冗长导致反演计算速度降低; 颗粒粒径反演选取待测颗粒系消光值约0.75时达到最佳。

本文采用自组装纳米球热压印技术, 在旋涂有聚丙烯酸(PAA)薄膜、聚苯乙烯(PS)薄膜的基底上, 旋涂SiO2纳米球溶液, 通过自组装形成纳米球三维密排结构, 接着进行热熔-沉陷处理, 在PS薄膜形成周期性、六角密堆积纳米碗状阵列, 接着利用PAA的水解特性去除PAA薄膜, 将PS薄膜翻转并移至硅片基底上, 通过氧离子刻蚀, 得到纳米孔阵列掩模, 最后结合电子束蒸发镀Al, 制备出大面积、周期性的Al纳米盘阵列。同时也研究了三层膜结构的均匀性对制备大面积、周期性纳米盘阵列的重要性。基于自组装压印技术制备圆盘阵列的研究比传统纳米制作技术操作更简单、效率高、成本低; 同时在新光学元件的基础研究、太阳能光伏设备方面具有潜在应用。

江苏仪征刘集联营的西汉墓出土了17件彩绘陶俑, 陶俑在出土过程中表面残留的彩绘随泥层剥落。通过对脱落的粘有颜料的泥层取样, 进行超景深显微观察、拉曼光谱和扫描电镜能谱分析, 结果表明红色颜料为朱砂、白色颜料为高岭土、黄色颜料为雄黄。颜料纯度很高, 杂质较少, 可得知当时彩绘陶制作时对颜料的选择要求很高。检测分析结果为江苏地区的汉墓考古文化提供了重要信息。

青铜锈蚀物的科学认知是开展文物保护的重要前提和基础。为了科学认知绥德县博物馆馆藏一件青铜瓿的锈蚀物, 本文利用显微激光拉曼光谱技术对该青铜瓿的锈蚀物进行分析。分析结果表明, 青铜瓿的锈蚀物组成复杂, 包括: 斜氯铜矿(Cu2(OH)3Cl)、氯铜矿(Cu2(OH)3Cl)、孔雀石(Cu2CO3(OH)2)、赤铜矿(Cu2O)、蓝铜矿(Cu3(CO3)2(OH)2)。其中氯铜矿和斜氯铜矿属于有害绣, 它们的存在会引发青铜本体进一步的反复腐蚀, 将极大影响青铜器的安全, 亟需清除。此研究为该青铜瓿后续的保护修复提供科学依据与数据支持。

采用固相反应和浸渍法制备了NiO/NaTaO3:La催化剂。采用衰减全反射红外光谱原位研究了钽酸钠基光催化剂上光催化全分解水机理。在光催化反应条件下直接观测到了归属为物理吸附的过氧化氢中间物种的1350 cm-1和870 cm-1红外吸收峰。过氧化氢物种是由水氧化的中间物种Ta(O2)在大量水存在条件下先质子化生成TaOOH中间物种, 之后进一步质子化而形成的。证实了NaTaO3液态光催化和气相光催化分解水的机理是一致的。

文章以柠檬酸为碳源L-半胱氨酸为修饰剂, 采用简易的水热合成法制备出具有高荧光产率的碳量子点。经实验分析发现, 在Fe3+存在的情况下, 合成的碳量子点可以同时作为荧光探针和共振瑞利散射(RRS)探针检测花旗松素。在最佳实验条件下, Fe3+可以使碳量子点的荧光显著猝灭, 同时RRS有一定程度的增强。当向上述体系中再加入花旗松素, 发现猝灭体系的荧光得以恢复, 且三者共存时RRS强度显著增强。据此, 文章通过构建两种光谱法择优检测花旗松素, 最后确定以检出限更灵敏、线性范围更宽的RRS光谱法作为快速检测花旗松素的实验方法。在最佳实验条件下, RRS增强的强度与花旗松素的浓度在0.9-160×10-7mol/L范围内具有良好的线性关系, 最低检出限为8.6×10-9mol/L, 相关系数为0.9975。且利用本实验方法检测标准样品的含量与出售方标注的高效液相色谱法测定值相比较, 以及水样的加标回收实验, 均得到了满意的结果。