金屬納米粒子局域表面等離激元的光學性質表征及其應用研究.pdf

1、在光的激發(fā)下金屬納米結構中的自由電子能夠發(fā)生群體性的振蕩，進而產生表面等離激元(SPP)。發(fā)生等離激元共振時，金屬納米結構會將光束縛在表面，并在表面產生極強的電場增強。表面等離激元有兩種類型:一類具有傳播的特點，其表面等離激元能夠在表面?zhèn)鞑?，稱之為propagating SPP;另一類不具有傳播性，共振局域在一個很小的金屬結構中，稱之為localized SPP，即局域表面等離激元共振(LSPR)。金屬納米顆粒就具有很強的表面等離激元共

2、振的(LSPR)性質，使其對光產生增強的吸收和增強的散射，并表現(xiàn)出相關的熱、光電場增強和熱電子等效應。近年，隨著納米科技的發(fā)展，金屬納米粒子的LSPR效應已經成為一個重要的前沿研究領域，并被廣泛的應用于光學傳感、生物成像、疾病診斷、熱療、光催化和表面增強光譜等領域。金屬納米粒子的LSPR中包含納米粒子增強的吸收和增強的散射兩部分信息，納米粒子吸收和散射性質可以使其在不同的領域得到應用。目前在熱療、熱電子催化及增強光譜等領域，往往通過紫外

3、可見獲得納米粒子的消光光譜來判斷納米粒子的吸收和散射信息，有很大的盲目性。而現(xiàn)有的納米粒子LSPR光學性質表征的技術，如紫外可見光譜、暗場光譜、共振光散射光譜及光熱成像等技術，皆無法同時獲得金屬納米粒子的吸收和散射信息。因此，發(fā)展一種能夠對納米粒子LSPR光譜中吸收和散射部分貢獻進行分離的技術，分別獲得納米粒子的吸收和散射的信息，從而推斷納米粒子可能具有的功能，將有助于找到納米粒子的最佳應用領域。對納米粒子吸收散射進行分離，可以指導人們

4、合成需要的納米粒子。同時對納米粒子吸收散射進行分離，為單獨研究吸收、散射及與吸收散射所關聯(lián)的效應的研究提供可能。
　　本論文從對納米粒子進行吸收散射分離出發(fā)定量的研究吸收與熱效應的關系;建立暗場光譜的方法，從單粒子水平開展了散射與SERS的關聯(lián)性研究;基于納米粒子吸收導致的熱效應及增強效應，發(fā)展了基于SERS的局域溫度檢測方法。本論文工作的創(chuàng)新點和主要成果如下:
　　1.基于紫外可見吸收檢測原理，提出了吸收散射分離的公式，并

5、在此基礎上建立了雙通道的基于光纖式的吸收散射分離系統(tǒng)。對不同粒徑(＜200 nm)的金納米粒子分離其吸收和散射信息，獲得與DDA計算的相符結果，表明該方法的可靠性。通過對納米粒子進行吸收散射分離，可判斷納米粒子所具有的功能，找到納米粒子的最佳應用領域，同時可以針對特定的功能，指導人們合成特定結構的納米粒子。
　　2.納米粒子消光譜中吸收和散射信息成功分離后，我們定量地評估了相同長徑比不同粒徑的金納米棒的熱效應，結合升溫冷卻曲線公式

6、計算出其熱效應曲線。發(fā)展了定量的從納米粒子的吸收性質判斷其熱效應的評估方法。
　　3.以實驗室現(xiàn)有的Renishaw inVia拉曼儀器為基礎，研制出一套能夠自由調節(jié)激發(fā)光的偏振方向，并能同時采集單顆納米粒子散射光譜和表面增強拉曼光譜的單粒子光譜系統(tǒng)。發(fā)展了光學和電鏡共定位的方法，并建立了一套在暗場下能夠迅速篩選二聚體、金納米棒及判斷納米粒子方向的方法。
　　4.SERS從本質上是一近場效應，而散射是一遠場過程。如果能通過可

7、檢測的遠場信號，為近場效應提供指導，對于SERS的實驗發(fā)展將具有重要的意義。針對目前文獻對LSPR和SERS之間關系仍有爭議的現(xiàn)狀，我們在研制的單粒子光譜系統(tǒng)上開展了金屬單顆納米粒子及二聚體的LSPR效應與SERS的關聯(lián)性研究，結果表明SERS與納米粒子的LSPR密切相關，激發(fā)光和拉曼光在納米粒子LSPR位置的強度的乘積與SERS強度成正比。
　　5.對樣品局域溫度的測量，一直是溫度傳感和檢測中的一個重要挑戰(zhàn)。我們發(fā)展了一種利用對