金屬納米粒子局域表面等離激元的光學(xué)性質(zhì)表征及其應(yīng)用研究.pdf

1、在光的激發(fā)下金屬納米結(jié)構(gòu)中的自由電子能夠發(fā)生群體性的振蕩，進(jìn)而產(chǎn)生表面等離激元(SPP)。發(fā)生等離激元共振時(shí)，金屬納米結(jié)構(gòu)會(huì)將光束縛在表面，并在表面產(chǎn)生極強(qiáng)的電場增強(qiáng)。表面等離激元有兩種類型:一類具有傳播的特點(diǎn)，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(gè)很小的金屬結(jié)構(gòu)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(qiáng)的表面等離激元共

2、振的(LSPR)性質(zhì)，使其對(duì)光產(chǎn)生增強(qiáng)的吸收和增強(qiáng)的散射，并表現(xiàn)出相關(guān)的熱、光電場增強(qiáng)和熱電子等效應(yīng)。近年，隨著納米科技的發(fā)展，金屬納米粒子的LSPR效應(yīng)已經(jīng)成為一個(gè)重要的前沿研究領(lǐng)域，并被廣泛的應(yīng)用于光學(xué)傳感、生物成像、疾病診斷、熱療、光催化和表面增強(qiáng)光譜等領(lǐng)域。金屬納米粒子的LSPR中包含納米粒子增強(qiáng)的吸收和增強(qiáng)的散射兩部分信息，納米粒子吸收和散射性質(zhì)可以使其在不同的領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前在熱療、熱電子催化及增強(qiáng)光譜等領(lǐng)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(xué)性質(zhì)表征的技術(shù)，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(shù)，皆無法同時(shí)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?qū){米粒子LSPR光譜中吸收和散射部分貢獻(xiàn)進(jìn)行分離的技術(shù)，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(yīng)用領(lǐng)域。對(duì)納米粒子吸收散射進(jìn)行分離，可以指導(dǎo)人們

4、合成需要的納米粒子。同時(shí)對(duì)納米粒子吸收散射進(jìn)行分離，為單獨(dú)研究吸收、散射及與吸收散射所關(guān)聯(lián)的效應(yīng)的研究提供可能。
　　本論文從對(duì)納米粒子進(jìn)行吸收散射分離出發(fā)定量的研究吸收與熱效應(yīng)的關(guān)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(guān)聯(lián)性研究;基于納米粒子吸收導(dǎo)致的熱效應(yīng)及增強(qiáng)效應(yīng)，發(fā)展了基于SERS的局域溫度檢測(cè)方法。本論文工作的創(chuàng)新點(diǎn)和主要成果如下:
　　1.基于紫外可見吸收檢測(cè)原理，提出了吸收散射分離的公式，并

5、在此基礎(chǔ)上建立了雙通道的基于光纖式的吸收散射分離系統(tǒng)。對(duì)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(jì)算的相符結(jié)果，表明該方法的可靠性。通過對(duì)納米粒子進(jìn)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(yīng)用領(lǐng)域，同時(shí)可以針對(duì)特定的功能，指導(dǎo)人們合成特定結(jié)構(gòu)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(píng)估了相同長徑比不同粒徑的金納米棒的熱效應(yīng)，結(jié)合升溫冷卻曲線公式

6、計(jì)算出其熱效應(yīng)曲線。發(fā)展了定量的從納米粒子的吸收性質(zhì)判斷其熱效應(yīng)的評(píng)估方法。
　　3.以實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的Renishaw inVia拉曼儀器為基礎(chǔ)，研制出一套能夠自由調(diào)節(jié)激發(fā)光的偏振方向，并能同時(shí)采集單顆納米粒子散射光譜和表面增強(qiáng)拉曼光譜的單粒子光譜系統(tǒng)。發(fā)展了光學(xué)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(zhì)上是一近場效應(yīng)，而散射是一遠(yuǎn)場過程。如果能通過可

7、檢測(cè)的遠(yuǎn)場信號(hào)，為近場效應(yīng)提供指導(dǎo)，對(duì)于SERS的實(shí)驗(yàn)發(fā)展將具有重要的意義。針對(duì)目前文獻(xiàn)對(duì)LSPR和SERS之間關(guān)系仍有爭議的現(xiàn)狀，我們?cè)谘兄频膯瘟Ｗ庸庾V系統(tǒng)上開展了金屬單顆納米粒子及二聚體的LSPR效應(yīng)與SERS的關(guān)聯(lián)性研究，結(jié)果表明SERS與納米粒子的LSPR密切相關(guān)，激發(fā)光和拉曼光在納米粒子LSPR位置的強(qiáng)度的乘積與SERS強(qiáng)度成正比。
　　5.對(duì)樣品局域溫度的測(cè)量，一直是溫度傳感和檢測(cè)中的一個(gè)重要挑戰(zhàn)。我們發(fā)展了一種利用對(duì)