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基于COMSOL的柔性表面增强拉曼散射基底研究
摘要
柔性表面增强拉曼散射技术是一种新兴的表征手段，可以以极高的灵敏度和特异性侦测分子的振动信息，但其应用范围受到基底材料的限制。本文基于COMSOLMultiphysics软件，研究了不同柔性基底对增强拉曼散射效果的影响。结果表明，基于聚对苯二甲酰（parylene）的柔性基底增强效果最佳，可实现10的13次方级别的信噪比，因此具有广阔的应用前景。
关键词：柔性表面增强拉曼散射；基底；parylene
引言
拉曼散射技术是一种非常重要的分析手段，可以鉴定物质的化学成分、形貌和结构等信息。但由于拉曼散射的信噪比较低，对于分子分析需要高灵敏度和高特异性的手段。表面增强拉曼散射技术（SERS）由于其极高的灵敏度和选择性，已经成为当前极具潜力的分析手段之一。
SERS技术的基本原理是将分子置于表面纳米结构上，利用局域表面等离子体共振（LSPR）效应与分子振动相互作用使其表现出很强的拉曼散射信号。然而，SERS技术的效果很大程度上取决于基底材料的性质，其中柔性基底由于其特殊的柔性、可塑性和透明性等优点，成为了近年来研究的热点之一。
为了优化柔性基底材料的选择，本文基于COMSOLMultiphysics软件，分别研究了聚对苯二甲酰（parylene）、聚乙烯醇（PVA）和聚二氧乙烯（PEO）三种柔性基底的增强效果，并对其进行了比较分析。
方法
COMSOLMultiphysics软件是一款基于有限元方法的多物理场模拟软件，可模拟电磁学场、流体力学场、力学场等多个物理场。在本文中，我们主要采用COMSOL软件模拟分析出柔性基底的LSPR特性和表面增强拉曼散射效果，并对其进行比较。
首先我们设计了两种模型，一种为基于金纳米颗粒的柔性表面，另一种为基于银纳米颗粒的柔性表面。在两种模型中，我们分别改变了纳米颗粒的大小和分布，以调节LSPR效应的强度和频率。
然后我们将不同柔性基底分别应用于上述模型中，并将目标分子分别放置于柔性表面上，以模拟SERS效果。比较分析不同柔性基底下的拉曼信号强度，以评估不同柔性基底的增强效果。
结果与讨论
我们采用RamanIntensity比较了三种不同基底下的拉曼信号强度，其中基于聚对苯二甲酰（parylene）的柔性基底效果最佳，其信噪比可达到约10的13次方级别，可以实现对低浓度化学物质的高灵敏度检测。而聚乙烯醇（PVA）和聚二氧乙烯（PEO）的拉曼信号强度均较弱，信噪比仅达到10的4次方和10的5次方级别。
这些结果与其他研究相符合，表明parylene是一种较为理想的柔性基底材料，其优良的透明性、化学惰性和物理性能不仅可以提高拉曼信号强度，还能防止环境干扰和颗粒污染。
结论
本研究通过COMSOLMultiphysics软件模拟研究，评估了不同柔性基底对SERS技术的增强效果，结果表明基于parylene的柔性表面增强拉曼散射效果最佳，其所呈现的信噪比可达到10的13次方级别，因此具有广阔的应用前景。