一种用于表面等离子体共振传感器的纳米多孔金膜

为了打破传统的表面等离子体共振(SPR)生物传感器灵敏度不高的限制,近年来纳米材料在SPR生物传感器中的运用得到广泛的研究。但是纳米材料的制备一般都比较困难而且费用高昂,这给研究带来了困难。笔者采用化学腐蚀法制备出一种纳米多孔金膜,利用扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对该金膜的结构和光学性质进行了分析,并将该金膜用于SPR生物传感器实验研究。结果表明,与传统的平面金膜相比,该纳米多孔金膜具有独特的局域表面等离子体共振效应。装配有该金膜的SPR生物传感器在对生物试剂的检测中灵敏度有了一定程度的提高,且该金膜的制备方法简单,成本低廉,完全可以替代传统的平面金膜使用。     

半壳结构金纳米膜的局域表面等离子体共振效应

采用纳米模版印刷术和化学自组装技术制备了半壳结构的金粒子膜.利用场发射扫描电子显微镜和光谱仪等测试手段对样品的结构和光学性质进行了分析.研究发现，该结构的金膜所具有独特的局域表面等离子体共振效应取决于样品的粒子大小、间距等微观结构，且其峰值吸收波长对其周围环境介质的介电常数变化十分敏感.实验结果表明，粒子排列均匀的亚单层膜结构是控制光学性质稳定的关键. 关键词： 局域表面等离子体共振 半壳结构 纳米模版印刷术     

纳米金表面修饰与表面等离子体共振传感器的相互作用研究

为了分析纳米金表面修饰对表面等离子体共振(SPR)的放大作用,以及其对传感器本身的影响,首先,基于色散介质的吸收理论,通过建立波长型SPR生物传感器四层膜结构的数学模型,理论分析了传感器表面所吸附纳米金对传感器的影响:纳米金的表面修饰,改变了表面等离子体传感器中棱镜表面各介质层内电磁场的能量分布,削弱了金属膜在共振吸收中的作用,从而使SPR曲线的半波宽度增加,最小反射系数增大,金膜的最优膜厚度也随之改变.其次,通过不同厚度的金膜外吸附纳米金的对比试验,验证了此理论.金膜厚45nm、表面修饰10nm纳米金颗 关键词： 表面等离子体共振 生物传感器 纳米金 金属膜     

基于复合纳米结构的局域表面等离子体光学传感器

局域表面等离子体光学传感器由于其体积小、灵敏度高、免标记等特点成为目前传感器研究热点之一。然而由于银纳米结构的生物兼容性以及氧化问题,成为该传感器发展的瓶颈。提出了利用金／银混合的金属纳米结构克服上述困难,并从有限时域差分数值计算方法入手,设计了银层50nm,金层5nm的六边形分布三角形复合传感结构,并利用纳米球自组装技术实现了该类型传感器。同时,与生物分子蛋白A的结合实验结果表明,该传感器在生物分子溶液浓度213．85nM的条件下仍然具有较高的灵敏度。     

金纳米棒表面等离子体共振瑞利散射能量转移光谱测定痕量硼

硼是一种生命体必需的微量元素,但过量的硼对人体以及动植物有害。建立一种高灵敏度,高选择性以及简便的硼检测方法,对于环境和人类健康都具有很重要的意义。本研究的目的是建立一种简便,灵敏,选择性测定硼的金纳米棒等离子体共振瑞利散射能量转移光谱新方法。直径为12 nm, 长度为37 nm的金纳米棒采用种子生长法制备。在pH 5.6的NH₄Ac-HAc的缓冲溶液中和甲亚胺-H存在下,金纳米棒在404 nm处产生较强的共振瑞利散射峰。当体系中存在硼酸时,硼酸与甲亚胺-H形成硼酸-甲亚胺-H配合物。作为散射受体的配合物与散射共振能量转移的给体纳金米棒靠近时,发生瑞利散射共振能量转移,导致瑞利散射信号猝灭。随着硼酸浓度的增加,形成的配合物增加,金纳米棒转移给黄色配合物的散射光能量增大,导致体系404 nm处的瑞利散射强度线性降低。其降低值ΔI_{404 nm}与硼的浓度在10～750 ng·mL-1范围内呈良好的线性关系。考察了共存物质对该法测定2.3×10-7 mol·L-1 B的干扰情况。结果表明该法具有较高的选择性,即4×10-4 mol·L-1的Mn2+,Cd2+,Zn2+,Bi3+,Na+,Al3+,葡萄糖,Hg2+,IO-₃,F-,SO2-₄,SiO2-₃,NO-₃,ClO-₄,过氧化氢等对硼的测定无干扰。据此建立了一个灵敏度高,选择性好,简便快速检测硼的瑞利散射共振能量转移新方法。     

基于局域表面等离子体共振效应的聚合物波导传感器特性研究

以SU-8光刻胶作为波导芯层材料,设计了基于金纳米粒子的局域表面等离子体共振(LSPR)波导传感器。根据Mie理论,建立了金纳米粒子的消光模型,理论分析了纳米粒子半径、待测物折射率等因素对局域表面等离子体共振曲线的影响。分析表明:当待测液体折射率增大时,LSPR共振峰的位置发生红移。随着金纳米粒子半径的逐渐增大,传感器灵敏度增加。共振吸收峰逐渐由单峰变为双峰,其中一个峰位于520 nm波长附近,主要由表面等离子体吸收造成;另一个峰随金纳米粒子半径的增大而逐渐红移,主要由表面等离子体散射造成。     

多通道局域表面等离子体共振分析装置构建及实验研究

构建了一套由宽带光源、多通道精确定位机构及光纤光谱仪等组成的光学局域表面等离子体共振(LSPR)分析装置。采用Savitzky-Golay平滑算法对原始光谱数据进行预处理并建立拟合曲线,研究了粒径为5.0,13.5,25.5,41.0 nm的球形金纳米粒子(AuNPs)LSPR波长在不同折射率介质环境下的响应。结果表明:在相同的介质环境下,LSPR波长与粒径具有较好的正相关性,且共振波长与环境介质的折射率密切相关;对于粒径为25.5 nm和41.0 nm的AuNPs,得到的折射率灵敏度分别为59.46 nm/RIU和70.38 nm/RIU。该装置将多通道定位机构与光纤光谱仪相结合,光谱信号的获取无需进行冗长的波长扫描过程,为开展LSPR研究提供了一种低成本、快速的光学检测系统。     

金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振与面形状关系研究

采用三维时域有限差分法,数值研究了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体的共振性质及其规律,得到了面形状因子对共振波长的影响关系。研究表明,沿偏振方向的形状变化对共振波长偏移有重要贡献,在空气中,确定金属纳米结构局域表面等离子体共振波长的形状参数L可采用偏振方向上的纵横比和面形状因子描述,L可以拟合为纵横比和面形状因子乘积的线性函数。得到了等高、等体积下不同形状金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振的电场能量和共振波长的关系,面形状因子越小,形状越尖锐,电场能量越高,共振波长红移。研究结果为进一步了解金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振性质提供有益的参考。     

利用Ag@SiO_2纳米粒子等离子体共振增强发光二极管辐射功率的数值研究

金属纳米粒子利用其局域表面等离子体共振效应(LSPR),可以增强附近荧光分子的自发辐射速率,因而在光学传感、光电器件等领域中具有潜在的应用价值.金属纳米粒子的LSPR与其自身的材料、形状、尺寸以及周围环境介质密切相关,这影响着纳米粒子在具体器件中的应用.本文利用三维时域有限差分法,研究了相同体积的球形、椭球形、立方形与三棱柱形银纳米粒子对薄膜发光二极管辐射功率的影响;计算了不同形状银纳米粒子对偶极子光源辐射功率和薄膜器件光出射强度的增强,并结合LSPR效应讨论了辐射功率变化的物理机理.研究结果表明:银纳米粒子自身形状尖锐程度的增加有利于提高LSPR的共振强度;同时纳米粒子的形状影响了LSPR共振电场与薄膜器件中偶极子辐射电场之间的耦合作用,其中立方形纳米粒子因为能实现最强的耦合作用而对器件的辐射功率增强最大.在此基础上进一步讨论了不同薄膜材料对LSPR共振及光源辐射功率的影响,发现较高的材料折射率有利于增强金属纳米粒子的LSPR与器件的耦合作用,从而改善发光二极管性能.     

用表面等离子体共振传感器检测纳米间距

结合物理光学原理和表面等离子体共振（SPR）角度传感器,提出了可以突破衍射极限的纳米间距检测方法。在理论上建立起纳米间距和位相改变量之间的函数关系,借助于SPR角度传感器的高灵敏性,提出通过检测出射光束振动方向的p分量和s分量的位相差值来实现纳米间距的实时检测。模拟结果显示：纳米间距改变量从-0.5～0.5μm变化时,位相改变量可实现-150°～150°的变化,检测灵敏度〉1 nm。该检测方法能够实现10 nm以下间距的灵敏检测,且具有结构简单,易于操作,实时检测的特点。     

利用表面等离子体共振效应确定金纳米棒的尺寸

金属纳米粒子的尺寸和形状对其物理和化学性质有很大影响,通常利用昂贵的透射电子显微镜和扫描电子显微镜进行其尺寸测量。为了节约测量成本,利用时域有限差分法研究了金纳米棒的尺寸与吸收峰的对应关系得到间接的测量方法。即当金纳米棒的纵横比增大时,横向等离子峰几乎没有变化,纵向等离子峰出现明显的红移,且红移速度随着金纳米棒半径的增大而增大。实际制备了两种不同尺寸的金纳米棒样品,通过理论模拟确定的金纳米棒的尺寸与利用透射电子显微镜测量的金纳米棒的尺寸符合的很好。     

基于表面等离子体共振传感器的金胶体表征

设计了表面等离子体共振(SPR)传感器实验装置,制备了金膜和金纳米胶体溶液,测量了不同厚度金膜和不同浓度金胶体溶液的SPR角谱,得到了不同浓度金胶体溶液的折射率.     

一个简便快速测定CO的纳米金表面等离子体共振吸收光谱法

CO主要由火焰或烤炉等碳的不完全燃烧所产生,是一种常温下为无色、无臭的有毒气体,人们受一氧化碳的污染在慢性中毒时完全意识不到它,有时甚至有舒适的感觉,这些特性更增加了它的危害性。因此,探索简便快速灵敏的CO检测方法具有重要意义。研究表明,在pH 7.2 磷酸盐缓冲溶液中,一氧化碳还原HAuCl₄ 生成近似球形的金纳米粒子(NG),其平均粒径为45 nm,在1.70, 2.20和9.70 keV处产生3个金元素的能谱峰,在540 nm处产生一个表面等离子体共振(SPR) 吸收峰。采用分光光度法优化了分析条件,选择磷酸盐缓冲缓冲溶液的pH为7.2,磷酸盐缓冲浓度为40 mmoL·L-1,HAuCl₄浓度为40.0 μg·mL-1,反应时间为5 min。在选定条件下,CO浓度在0.2～8.75 μg·mL-1范围内与其SPR吸收峰峰值成线性关系,检出限为0.1 μg·mL-1 CO。考察了共存物质对测定1.0 μg·mL-1 CO的影响。结果表明, 当相对误差在±5%之内,200倍的SO2-₃, PO3-₄, SO2-₄、CO2-₃, NO-₃;100倍的Zn2+, K+, BrO-₃, Na₂S, 乙醇, 甲醇;80倍的Ni2+,Cr3+,Co2+,Ca2+, Mg2+, Fe3+, 葡萄糖, Pb2+, Al3+, SeO2-₃, Na₂S₂O₃,甲醛;50倍的Mn2+不干扰测定。这表明该SPR光度法具有较好的选择性。采用本法测定了空气样品中CO含量,结果与气相色谱法一致,相对误差在1.8%～4.2%之间。     

Ag-Al纳米球二聚体的光学性质研究

金属纳米材料因其表面等离子体共振特性而备受关注。异质结构的金属纳米材料的光学特性相比于同质结构因其材料的不同破坏了原有结构的对称性,对称性的破坏将引起光学性质的改变,相邻两个颗粒之间的相互作用会产生Fano共振。Fano共振是由异质纳米结构的表面等离子体共振耦合引起的,通过合理地调控表面等离子体共振的耦合,将进一步调控Fano共振的强度同时促使异质结构的电场增强特性和辐射特性得到进一步优化。受金银等贵金属的带间跃迁影响,金属铝纳米材料成为研究紫外-近紫外光区的表面等离子体共振研究最佳选择。采用有限时域差分方法研究了Ag-Al纳米球二聚体的光学特性。研究了Ag和Al纳米球组成的二聚体的吸收光谱与入射光偏振方向、纳米球半径、颗粒间距和介质折射率等几何结构及物理参数的关系,并深入讨论了二聚体的局域场分布规律;讨论了获取更高效的Fano共振光谱的方法。由于材料的对称性被破坏,异质二聚体的光学性质与同质二聚体明显不同,Ag-Al异质纳米球二聚体呈现出在紫外和可见光区的双Fano共振现象。Ag-Al二聚体表面等离子体互相耦合引起Fano共振从而导致表面等离子体的共振抑制和增强。研究结果对在紫外-可见光区的表面等离子体应用、纳米光学器件的设计与开发及基于表面等离子体共振的表面增强光谱、生物传感和检测研究等有一定参考价值。     

金-二氧化钛（Au-TiO_2）复合薄膜的制备及局域表面等离子体共振（LSPR）效应

利用溶胶凝胶法在玻璃衬底上制备了金-二氧化钛（Au-TiO2）复合纳米薄膜,研究了热处理温度对复合薄膜表面纳米颗粒沉积的影响。利用原子力显微镜对样品进行了形貌表征,结果显示：复合薄膜是由纳米微晶组成的致密膜,温度越高越有利于Au粒子的形成。在550℃的热处理温度下,薄膜表面沉积的纳米微晶的粒径约为100nm。利用紫外-可见分光光度计测量了反射谱线,结果表明：由于局域表面等离子体共振（LSPR）的产生,在不同的热处理温度下,第一个反射峰（短波长处）不发生变化,第二个反射峰（长波长处）发生漂移（红移）。     

表面等离子体共振与表面增强拉曼散射相关性研究

本实验利用实验室搭建的SPR-SERS显微拉曼光谱仪同时检测了吸附在40 nm银膜上的4-amin-othiophenol(4-ATP)自组装膜的表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,简称SPR)消光谱及表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,简称SERS)光谱,研究了两者之间的相关性。实验发现随着SPR吸收的增强,SERS强度也急剧增强,在SPR共振角附近SERS强度是远离共振角处的20多倍。因此在共振角附近能够极大的提高SERS的检测灵敏度并扩展SERS的应用。     

海胆状金纳米粒子表面形貌对表面增强喇曼散射特性的影响

采用改进的一步还原法合成了多种海胆状金纳米粒子,并对它们的表面增强喇曼散射特性与其表面形貌的关系进行了实验研究.实验表明,合成的海胆状金纳米粒子的直径及表面的尖刺大小可以通过改变加入到氯金酸溶液中的硝酸银的量来调节.当加入到氯金酸溶液中的硝酸银为1μL时,合成的海胆状金纳米粒子的直径最小而尖刺最长.同时测量的紫外-可见-近红外吸收光谱表明,海胆状金纳米粒子的局域表面等离子体共振带会随着加入到氯金酸溶液中的硝酸银量的增加而变宽.此外,通过喇曼标记分子对巯基苯甲酸(4MBA)的喇曼光谱测量发现,较小直径和较长尖刺的海胆状金纳米粒子具有更强的表面增强喇曼散射活性.     

金纳米球壳对的局域表面等离激元共振特性分析

应用有限元方法, 研究金纳米球壳对的几何结构参数及物理参量对其表面等离激元共振的散射及消光光谱的影响, 并根据等离激元杂化理论进行了理论分析. 结果表明, 随着金壳厚度的增加, 金纳米球壳对的散射及消光共振峰先发生蓝移而后红移, 而随着金纳米球壳间隙的减小, 或者随着金纳米球壳的内核尺寸或内核介质折射率的增大, 散射及消光共振峰均发生红移; 随着金壳厚度或内核尺寸减小, 或者随着内核介质折射率增大, 金纳米球壳对的散射与消光共振强度减弱, 而随着金壳间隙的减小, 金纳米球壳对的散射共振强度先增强后减弱, 而消光共振强度逐渐增强, 数值模拟与理论分析一致.     

数值模拟探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻

采用有损耗介质和色散介质的二维时域有限差分方法,数值模拟了以光波长514.5nm的p偏振基模高斯光束为入射光源,激发Kretschmann型表面等离子体共振,并通过探针的局域场增强效应实现纳米光刻的新方法——探针诱导表面等离子体共振耦合纳米光刻.分别就探针与记录层的间距以及探针针尖大小,模拟分析了不同情况下探针的局域场增强效应和记录层表面的相对电场强度振幅分布.结果表明,探针工作在接触模式时,探针的局域场增强效应最明显,记录层表面的相对电场强度振幅的对比度最大;当探针针尖距记录层5nm时,针尖下方记录层表面的相对电场强度振幅大于光刻临界值的分布宽度与针尖尺寸相近. 关键词： 纳米光刻 表面等离子体共振 时域有限差分方法     

金纳米球壳表面等离激元共振波长调谐特性研究

理论研究了金纳米球壳的几何结构参数, 及物理参量对局 域表面等离激元共振波长调谐特性的影响. 结果表明, 随着壳层厚度的增大, 球壳消光共振峰先蓝移后红移, 高阶峰转向时对应的壳层厚度比低阶峰大, 且该厚度与球壳内径的比值随内径尺寸的增大而减小, 随内核材料或外界环境介电常数的增大而增大, 散射共振峰也有类似的移动规律. 利用电子杂化效应和相位延迟效应对该现象进行了理论解释.