Au納米顆粒光學(xué)特性及粒徑濃度消光法測(cè)量.pdf

1、Au納米顆粒表現(xiàn)出與體相材料所不同的特殊光學(xué)特性。Au納米顆粒與特定波長(zhǎng)的入射光相互作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生局域表面等離激元共振現(xiàn)象，從而導(dǎo)致納米顆粒呈現(xiàn)強(qiáng)烈的光吸收和散射特性，并導(dǎo)致納米顆粒表面附近的局部電場(chǎng)大幅增強(qiáng)。基于這些獨(dú)特的光學(xué)特性，Au納米顆粒在生物、醫(yī)學(xué)、化學(xué)、信息、能源、環(huán)境等眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。深刻認(rèn)識(shí)和理解 Au納米顆粒光學(xué)特性變化規(guī)律與調(diào)控機(jī)理對(duì)于Au納米顆粒的實(shí)際應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。粒徑和濃度是Au納米顆粒的兩個(gè)重要參

2、數(shù)，它們不僅直接影響到顆粒的光學(xué)性能，而且決定著Au納米顆粒在實(shí)際應(yīng)用中的性質(zhì)和行為，因此，在Au納米顆粒的制備、表征及實(shí)際應(yīng)用中粒徑和濃度的準(zhǔn)確測(cè)量是至關(guān)重要的。光譜消光法是一種簡(jiǎn)單、快速及低成本的顆粒粒度測(cè)量方法，它能夠同時(shí)獲得顆粒的粒徑和濃度信息，故此，基于光譜消光法的Au納米顆粒度測(cè)量研究具有重要的實(shí)際價(jià)值和意義。
　　本文基于嚴(yán)格的Mie散射理論和近年快速發(fā)展的離散偶極子近似方法系統(tǒng)地研究了幾種常見Au納米顆粒的共振光學(xué)

3、特性和折射率傳感特性。針對(duì)Au納米球殼在光熱治療和生物成像中的應(yīng)用，采用雙層同心球的Mie散射理論研究了Au納米球殼的吸收和后向散射特性，并對(duì)Au納米球殼的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。最后，利用光譜消光法從理論和實(shí)驗(yàn)上系統(tǒng)地研究了球形 Au納米顆粒系的粒徑和濃度反演問題。本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)果如下：
　?。?）目前關(guān)于Au納米顆粒共振光學(xué)特性的研究中，主要研究了消光特性。在Au納米顆粒的許多應(yīng)用中通常是針對(duì)吸收或散射不同特性而非總體消光特

4、性，但關(guān)于散射和吸收特性的系統(tǒng)研究鮮有報(bào)道。針對(duì)上述不足，本文以三種常見的Au納米顆粒（即Au納米球、納米球殼和納米棒）為研究對(duì)象，應(yīng)用Mie散射理論和離散偶極子近似方法系統(tǒng)地研究了它們的消光、散射和吸收特性。研究結(jié)果表明，Au納米顆粒尺寸較小時(shí)消光中吸收處于支配地位，而隨著尺寸的增大散射特性逐漸表現(xiàn)更為強(qiáng)烈；相比于Au納米球，Au納米球殼和納米棒具有更寬的共振波長(zhǎng)調(diào)節(jié)范圍和較強(qiáng)的共振峰。本研究為Au納米顆粒共振光學(xué)特性在光熱治療、生物

5、成像、生物傳感等領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)。
　　（2）Au納米橢球、納米圓柱和納米方柱是三種典型的非球形Au納米顆粒，目前缺乏有關(guān)它們的折射率傳感特性方面的系統(tǒng)研究。因此，本文以這三種非球形Au納米顆粒為研究對(duì)象，采用離散偶極子近似方法系統(tǒng)地研究了它們的折射率傳感特性，定量分析了納米顆粒的尺寸和形狀對(duì)共振波長(zhǎng)和折射率靈敏度的影響。為了尋找具有高靈敏度的Au納米顆粒，對(duì)這三種Au納米顆粒的折射率靈敏度進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，縱橫

6、比的增加或者有效半徑的增加同樣會(huì)導(dǎo)致共振波長(zhǎng)紅移和折射率靈敏度增加。相比于具有相同幾何參數(shù)的 Au納米橢球和納米方柱，Au納米圓柱擁有更大折射率靈敏度，更適合用于生物傳感。
　?。?）對(duì)于Au納米球殼在光熱治療和生物成像中的應(yīng)用，尋找具有最佳吸收或者后向散射特性的Au納米球殼結(jié)構(gòu)是非常必要的。本文基于雙層同心球的Mie散射理論定量研究了內(nèi)核分別為SiO2和真空的Au納米球殼的內(nèi)核半徑和外殼厚度對(duì)其吸收和后向散射特性的影響，提出了

7、Au納米球殼的優(yōu)化思想，并獲得了其最優(yōu)內(nèi)核半徑和外殼厚度。優(yōu)化的 Au納米球殼可以作為理想的治療劑和造影劑。通過改變介電函數(shù)模型中的參數(shù)，本文提出的優(yōu)化思想還可以應(yīng)用于其它金屬納米球殼，而采用T矩陣、離散偶極子近似、時(shí)域有限差分等方法也可對(duì)其它形狀的納米顆粒（比如納米棒、納米籠等）進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。
　?。?）首次把光譜消光法用于多分散球形Au納米顆粒系的粒徑分布和濃度測(cè)量，為Au納米顆粒粒徑和濃度的測(cè)量提供了簡(jiǎn)單、快速、低成本的

8、方法。本文首先基于Mie散射理論和非負(fù)Tikhonov正則化方法系統(tǒng)地研究了單分散和多分散球形Au納米顆粒系的粒徑和濃度消光法反演問題。結(jié)果表明，對(duì)于單分散球形Au納米顆粒系，粒徑與消光譜中出現(xiàn)的共振波長(zhǎng)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，利用此對(duì)應(yīng)關(guān)系可以確定粒徑和顆粒數(shù)濃度。對(duì)于多分散球形Au納米顆粒系，波長(zhǎng)范圍200-600 nm對(duì)應(yīng)的反演誤差較小，消光譜中添加噪聲時(shí)，反演誤差變大。本文還對(duì)平均粒徑為80、60、40和20 nm的Au納米顆粒樣品進(jìn)