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作为一种有用的光谱检测手段，表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)自1974年被发现至今，在大量研究人员的努力下，SERS已经发展成为一项较为成熟的技术。由于其具有高灵敏度(可用于痕量分子检测，甚至单分子检测)，无损伤检测以及指纹识别的优点，SERS技术可以被应用于化学和生物传感，医学成像，环境和食品安全等领域。但是限制SERS技术广泛应用的主要挑战之一在于缺乏有效的SERS基底。因此，设计并合成高灵敏、均匀、高度兼容性的SERS传感器对此技术的实际应用是极为关键的。众所周知，热点(hot spots)在SERS基底中起着至关重要的作用，所以，构造出具有大量热点的SERS基底是获得有效SERS基底的关键。
基于上述研究背景，本论文以设计并合成高灵敏度的SERS传感器为目标，主要通过自下而上的方法制备出了有效的SERS基底，并结合理论模拟，从电磁场增强的角度探索了拉曼增强的机理。本论文还展示了SERS传感器的实际应用。本论文的主要研究内容如下：
(1)贵金属(例如金，银，铜)纳米颗粒由于具有局域表面等离激元共振效应而被广泛应用于SERS领域。湿化学合成法是最常用的合成金属纳米颗粒的方法，但是利用此方法很难获得在衬底上高度单分散的纳米颗粒，并且合成的纳米颗粒表面往往含有很难去除的表面活性剂，会对纳米颗粒在SERS和催化等领域的应用产生影响。鉴于此，我们开发了一种化学气相沉积的方法制备高品质的金纳米颗粒，通过进一步调控实验参数，我们成功合成了单晶金纳米片。在合成过程中，我们仅使用氯金酸作为前驱体，没有添加任何还原剂，氯金酸在加热条件下分解，分解产物进一步沉积在衬底上，经过一系列过程，最终形成金纳米颗粒/片，整个过程在管式炉中以氮气作为载气进行。我们开发的气相沉积法的主要优势在于可以得到表面没有任何活性剂和污染的纳米颗粒/片，开发此方法对后续制备高灵敏度SERS基底是十分重要的。
(2)构造出极小的纳米间隙是获得高灵敏SERS基底最有效的方法。针对自上而下加工方法存在的成本高，耗时长以及很难定义出亚5纳米间隙的问题。我们设计并制备了一种生长在二氧化钛纳米片上的三维堆叠金纳米颗粒结构SERS传感器，我们的制备方法简单并且低成本。此结构的关键在于两层堆叠的金纳米颗粒之间存在超薄的亚5纳米间隙层，因此相比于目前许多SERS传感器可以实现高灵敏检测。通过拉曼测试，此SERS基底实现了极低的检测限(10fM)。我们进一步通过对比实验和FDTD计算仿真阐明了此SERS基底的拉曼增强机理。最后，为了证明此SERS基底在实际检测中的应用，我们对牛奶中的三聚氰胺进行了检测，发现此SERS基底在实际应用中具有一定的潜力。
(3)通过巧妙的设计，利用简单的方法制备出一种可应用于现场检测的SERS传感器。此基底是三层结构，下层为具有光学厚度的金膜衬底，中层为修饰在金膜上的探针分子层，上层为柔性的镶嵌着贵金属纳米颗粒的聚乙烯醇(PVA)薄膜。在拉曼检测过程中，我们将探针分子吸附在金膜衬底上，然后通过后组装的方式将柔性的镶嵌着贵金属纳米颗粒的聚乙烯醇(PVA)薄膜紧密地贴在金膜上，这样探针分子就被巧妙的安排在金膜和PVA薄膜之间的间隙内，从而实现其拉曼信号的极大增强。本研究工作提供了一种操作简单、低成本、高灵敏性、结果准确的增强拉曼光谱的新策略。通过进一步改进，此基底可制作成全柔性的SERS基底，可以对果蔬表面的农药残留以及水污染等进行检测。以检测水果表面的农药残留为例，此方法的优势在于在实际操作过程中具有更好的兼容性，并且我们利用金膜而不是纳米结构来提取待检测农药，在对农药分子信号进行有效检测的同时，还可以对金属纳米结构进行很好的保护。因此此SERS传感器在现场检测方面具有很大的应用价值。
(4)大量的研究表明，多孔金属纳米结构是一种非常有效的SERS传感器。在本工作中，我们利用简单的方法制备了纳米多孔金碗状结构用于SERS基底，重要的是，相比于目前的一些多孔结构，我们的优势在于可以通过调节实验参数来调节纽带(ligament)的尺寸，以此来优化SERS基底的检测性能。纳米多孔金碗状结构用作SERS传感的优势一方面在于其具有粗糙的表面，而表面粗糙度是影响多孔金属纳米结构SERS性能的因素之一，另一方面，通过FDTD计算仿真，我们发现在纳米多孔金碗状结构的纳米孔区域存在很强的局域电磁场，所以此结构中包含大量的热点，因此位于热点区域附近的分子的拉曼信号可以被有效的放大。我们选用4-MBT作为待测物分子对此基底的SERS性能进行了评估，实验结果表明纳米多孔金碗状结构基底实现了10-15M的极低检测限，相比于目前许多SERS基底具有明显的优势，说明我们制备的SERS基底可以用于分子的超灵敏检测。最后我们还展示了此SERS基底在实际检测中的应用潜力，我们利用此SERS基底对咖啡因进行了检测。
基于上述研究背景，本论文以设计并合成高灵敏度的SERS传感器为目标，主要通过自下而上的方法制备出了有效的SERS基底，并结合理论模拟，从电磁场增强的角度探索了拉曼增强的机理。本论文还展示了SERS传感器的实际应用。本论文的主要研究内容如下：
(1)贵金属(例如金，银，铜)纳米颗粒由于具有局域表面等离激元共振效应而被广泛应用于SERS领域。湿化学合成法是最常用的合成金属纳米颗粒的方法，但是利用此方法很难获得在衬底上高度单分散的纳米颗粒，并且合成的纳米颗粒表面往往含有很难去除的表面活性剂，会对纳米颗粒在SERS和催化等领域的应用产生影响。鉴于此，我们开发了一种化学气相沉积的方法制备高品质的金纳米颗粒，通过进一步调控实验参数，我们成功合成了单晶金纳米片。在合成过程中，我们仅使用氯金酸作为前驱体，没有添加任何还原剂，氯金酸在加热条件下分解，分解产物进一步沉积在衬底上，经过一系列过程，最终形成金纳米颗粒/片，整个过程在管式炉中以氮气作为载气进行。我们开发的气相沉积法的主要优势在于可以得到表面没有任何活性剂和污染的纳米颗粒/片，开发此方法对后续制备高灵敏度SERS基底是十分重要的。
(2)构造出极小的纳米间隙是获得高灵敏SERS基底最有效的方法。针对自上而下加工方法存在的成本高，耗时长以及很难定义出亚5纳米间隙的问题。我们设计并制备了一种生长在二氧化钛纳米片上的三维堆叠金纳米颗粒结构SERS传感器，我们的制备方法简单并且低成本。此结构的关键在于两层堆叠的金纳米颗粒之间存在超薄的亚5纳米间隙层，因此相比于目前许多SERS传感器可以实现高灵敏检测。通过拉曼测试，此SERS基底实现了极低的检测限(10fM)。我们进一步通过对比实验和FDTD计算仿真阐明了此SERS基底的拉曼增强机理。最后，为了证明此SERS基底在实际检测中的应用，我们对牛奶中的三聚氰胺进行了检测，发现此SERS基底在实际应用中具有一定的潜力。
(3)通过巧妙的设计，利用简单的方法制备出一种可应用于现场检测的SERS传感器。此基底是三层结构，下层为具有光学厚度的金膜衬底，中层为修饰在金膜上的探针分子层，上层为柔性的镶嵌着贵金属纳米颗粒的聚乙烯醇(PVA)薄膜。在拉曼检测过程中，我们将探针分子吸附在金膜衬底上，然后通过后组装的方式将柔性的镶嵌着贵金属纳米颗粒的聚乙烯醇(PVA)薄膜紧密地贴在金膜上，这样探针分子就被巧妙的安排在金膜和PVA薄膜之间的间隙内，从而实现其拉曼信号的极大增强。本研究工作提供了一种操作简单、低成本、高灵敏性、结果准确的增强拉曼光谱的新策略。通过进一步改进，此基底可制作成全柔性的SERS基底，可以对果蔬表面的农药残留以及水污染等进行检测。以检测水果表面的农药残留为例，此方法的优势在于在实际操作过程中具有更好的兼容性，并且我们利用金膜而不是纳米结构来提取待检测农药，在对农药分子信号进行有效检测的同时，还可以对金属纳米结构进行很好的保护。因此此SERS传感器在现场检测方面具有很大的应用价值。
(4)大量的研究表明，多孔金属纳米结构是一种非常有效的SERS传感器。在本工作中，我们利用简单的方法制备了纳米多孔金碗状结构用于SERS基底，重要的是，相比于目前的一些多孔结构，我们的优势在于可以通过调节实验参数来调节纽带(ligament)的尺寸，以此来优化SERS基底的检测性能。纳米多孔金碗状结构用作SERS传感的优势一方面在于其具有粗糙的表面，而表面粗糙度是影响多孔金属纳米结构SERS性能的因素之一，另一方面，通过FDTD计算仿真，我们发现在纳米多孔金碗状结构的纳米孔区域存在很强的局域电磁场，所以此结构中包含大量的热点，因此位于热点区域附近的分子的拉曼信号可以被有效的放大。我们选用4-MBT作为待测物分子对此基底的SERS性能进行了评估，实验结果表明纳米多孔金碗状结构基底实现了10-15M的极低检测限，相比于目前许多SERS基底具有明显的优势，说明我们制备的SERS基底可以用于分子的超灵敏检测。最后我们还展示了此SERS基底在实际检测中的应用潜力，我们利用此SERS基底对咖啡因进行了检测。