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新拉曼光谱法可“看到”小于十亿分之一米粒子

2019-12-27 09:20| 发布者: heku| 查看: 44| 评论: 0

摘要: 据物理学家组织网近日报道,日本科学家开发出一种新拉曼光谱法,使研究人员能分析直径仅0.5—2纳米金属颗粒的化学成分和结构。这一最新突破有望使科学家开发出新型微材料,广泛应用于电子、生物医学、化学等领域。金属纳米颗粒拥有广泛的潜在应用前景,正成为现代研究领域的“香饽饽”。研究人员目前已能研制出直径仅为0.5—2纳 ...

据物理学家组织网近日报道,日本科学家开发出一种新拉曼光谱法,使研究人员能分析直径仅0.5—2纳米金属颗粒的化学成分和结构。这一最新突破有望使科学家开发出新型微材料,广泛应用于电子、生物医学、化学等领域。

金属纳米颗粒拥有广泛的潜在应用前景,正成为现代研究领域的“香饽饽”。研究人员目前已能研制出直径仅为0.5—2纳米(1纳米等于十亿分之一米)的金属纳米晶体。这些小颗粒被称为“亚纳米簇”(SNC),拥有非常独特的特性。例如,可充当(电)化学反应中出色的催化剂;也会表现出奇特的量子现象,对组成簇的原子数的变化非常敏感等。

但现有分析方法无法胜任SNC的检测研究工作。其中一种方法名为拉曼光谱法,尽管传统拉曼光谱法及其变体已在多个领域“大显身手”,但由于其灵敏度较低,因此对SNC的检测工作只能“望之兴叹”。

有鉴于此,东京工业大学研究小组提出了一种新方法来增强拉曼光谱测量的性能,并使其能胜任SNC的分析工作。

在研究中,日本团队致力于提升特定拉曼光谱法——表面增强拉曼光谱法的性能。他们表示,将包裹于惰性二氧化硅薄壳内的金/银纳米颗粒添加到样品内,可放大样品的光信号,从而提高该技术的灵敏度。因此,他们首先从理论上确定了金/银的最佳尺寸和组成,结果发现,100纳米银光放大器可极大地放大黏附在多孔二氧化硅壳上的SNC的信号。

研究负责人之一山本喜久(音译)教授解释说:“这种光谱技术选择性地产生了与光放大器表面非常接近的物质的拉曼信号。”

为测试这一发现,他们测量了氧化锡SNC的拉曼光谱,结果获得了新发现,解释了氧化锡SNC为什么拥有如此高的化学催化活性——与其原子有关。

山本总结道,新突破对于扩大亚纳米材料在生物传感器、电子学和催化剂等各个领域的应用范围至关重要。


表面增强拉曼光谱

拉曼光谱红外光谱一样同属于分子振动光谱,可以反映分子的特征结构。但是拉曼散射效应是个非常弱的过程,一般其光强仅约为入射光强的 10^-10。所以拉曼信号都很弱,要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究几乎都要利用某种增强效应。

Fleischmann 等人于 1974 年对光滑银电极表面进行粗糙化处理后,首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱 。随后Van Duyne 及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比,增强约6 个数量级,指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应,被称为表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS) 效应。

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