基于局域表面等离子体共振特性的高灵敏度凝血酶检测

用核酸适体修饰的纳米金共振散射光谱探针可实现对微纳空间内凝血酶的特异性识别与检测.提出了一种基于局域表面等离子体共振-暗场显微光谱联用技术的分析方法,研究了局域在金纳米粒子表面的生物分子的识别过程对局域表面等离子体共振散射光谱的影响.研究了单颗粒纳米粒子的形貌特征,实现了单分子层面上生物分子识别过程的追踪.     

局域表面等离激元增强红外吸收

红外吸收光谱是探测和鉴定分子的有效工具,然而其应用受到分子低红外吸收截面的限制.金属或高掺杂半导体纳米材料的局域表面等离激元能够产生极大的局域电磁场增强.当分子红外振动与局域表面等离激元发生耦合共振时,分子的振动信号会被极大增强,可实现对目标分子的微量甚至痕量检测.由于其在化学、生物和医药等方面的巨大应用前景,近年来局域表面等离激元增强红外吸收引起了人们的广泛关注.本文首先介绍了表面等离激元增强红外吸收效应的产生机理和理论模型,在此基础上重点讨论了几类不同结构和组分的可实现表面等离激元增强红外吸收的纳米材料的制备方法和增强效果,最后总结了该效应在光谱成像、生物分子检测、环境污染物监测和气体检测等诸多方面的重要应用.     

金属纳米颗粒／微纳结构金属膜增强拉曼研究进展

被称为“指纹谱”的分子拉曼谱及拉曼散射成像在生物及化学单分子识别领域具有重要应用。问题的关键是分子的拉曼散射截面小,利用金属纳米颗粒（LSP）局域场增强特性及其与金属膜（SPP）相互作用可产生比 LSP （ SPP）更强的局域场及尖角结构金属纳米颗粒的“热点天线”效应,可实现单分子拉曼信号的激发与辐射双共振增强效应。本文综述有关金属纳米颗粒和微纳结构金属膜相耦合增强分子拉曼信号的研究进展。     

表面等离激元增强拉曼散射（SERS）的机理

被称为"指纹谱"的拉曼谱在生物、化学及医学研究中具有重要应用,特别是在单分子传感方面具有优势。但相对于入射光强,拉曼散射信号强度非常弱,需借助科学手段增强信号,即增强拉曼研究,这主要从增强拉曼信号强度和提高信噪比两方面着手。其中,表面增强拉曼散射(SERS)是其中一支极其重要的研究方向。本文从拉曼散射的基本原理出发,研究了金属微纳结构增强拉曼信号的机理,为基于拉曼信号的高灵敏度传感提供理论参考,并给出了一个实验结果。     

弛豫铁电体的介电老化行为与钉扎效应

通过对典型弛豫铁电体PLZT的介电老化行为研究,发现其介电温度谱中老化温度附近的介电行为与材料结构及缺陷调整存在着有机联系,表明复合钙钛矿弛豫铁电体的结构缺陷特征对其介电老化行为起着重要作用.结合弛豫铁电体老化和退老化介电行为对比分析以及其恒温经时老化行为的研究,揭示出复合钙钛矿弛豫铁电体结构缺陷上的局域化电子和空穴,在内电场作用下,老化一段时间后,产生对称分布,对极化微区产生“钉扎”效应.进而,其介电温度谱中居里温度附近出现的Barkhausen脉冲,则证实了钉扎后的铁电畴壁具有介稳态特征.     

由介电函数探讨SERS效应的电磁增强机理

从能够产生表面增强拉曼散射 (SERS)效应的典型金属银出发 ,讨论其在光频段的介电函数及与此介电函数相关的表面等离子体共振现象 ,进而用表面等离子体共振理论讨论SERS效应的电磁增强机理 .     

材料特性对球壳颗粒LSPR特性影响

本文基于偶极近似理论,利用计算机模拟仿真了在准静态条件下的金属纳米球壳结构的局域表面等离激元强度最强时满足的条件,分析了增益介质的介电函数实部和虚部值与共振波长间的关系.     

介质阵列加载的表面等离子共振传感器基底研究

单个介质纳米颗粒的散射效应表明介质散射共振和金属局域表面等离子共振具有类似的局域电场增强特性,但却避免了金属的强光吸收损耗。利用这种共振效应,提出一种介质硅阵列加载的表面等离子共振传感基底结构。数值模拟显示,通过调控基底结构参数,与金属银阵列相比,介质硅阵列的共振耦合效应更强,近场增强更明显,对应的反射谱共振谷曲线也更加尖锐。相同环境下的传感性能指标计算表明,介质硅阵列基底具有更好的灵敏度和品质因子,因此基于散射共振的介质阵列加载基底结构是提高表面等离子共振传感灵敏度的一种有效方法。     

手征性物体中电偶极场的手征性排布

对手征性石英和螺旋铜丝的结构进行了分析研究.漆包铜丝本身由于铜和漆皮的接触起电效应,存在固有的电偶极场.当铜丝弯成手征性的螺旋结构时,其固有的场也转变成手征性排列,类似螺苯中C-H键的电偶极场分布.手性石英晶体中的SiO4四面体结构单元表现出扭转的手性结构,并且Si-O键有二种不同长度,结构参数的差值已超出误差范围.一块手性石英晶体相当于由无数的均匀手性的SiO4结构单元组成.SiO4结构单元的构像手性以及手征性偶极场排布也被揭示出来.研究说明,不仅手性分子中存在手征性的场分布,石英晶体和螺旋铜丝也存在固有的手征性偶极场分布.手征性偶极场的存在能够解释光学活性的起源问题.     

银纳米粒子构筑树枝状微纳结构用于表面增强拉曼散射的研究

通过简便的电化学沉积法制备出一种新颖的由树干、树枝和树叶构筑的树枝状银微纳结构。采用SEM和XRD等技术对所制备的银微纳结构进行结构表征,并结合其结构特点对树枝状银微纳结构的形成机制进行了初步探讨,制备的树枝状纳银具有极强的对称性的结构。单分子检测实验表明,由于树枝银的高纵横比、众多的间隙结构和纳米尺寸的单晶树叶状银等结构特点,所制备的树枝状银微纳结构作为表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)的基底具有优异的SERS活性,可用于超低浓度的单分子检测。     

空心方形银纳米结构的光学性质

应用离散偶极子近似方法计算了空心方形银纳米结构的消光光谱及其近场电场分布,并与U形银纳米结构的计算结果进行了比较. 结果发现, 空心方形纳米结构和U形纳米结构具有不同的电子振动模式; 在主共振峰波长入射时, 空心方形纳米结构拥有更强的电场增强和更大面积的强电场分布. 这些结果表明空心方形纳米结构更适合于作为表面增强拉曼散射的基底, 并用于生物分子或者化学分子的探测. 另外, 可以通过改变空心方形纳米结构的边长和尺寸来调节其等离子体共振峰的位置, 以满足其在表面增强拉曼散射等等离子体光子学方面的应用.     

应用梯形纳米结构增强纳米棒表面电场

棒状纳米结构作为衬底,已经被广泛地用于表面增强拉曼散射.为进一步增强纳米棒表面电场,从而提高被探测分子的拉曼信号强度,本文设计了梯形-棒状纳米结构.应用梯形纳米结构中电子的纵向振动所产生的电场激发纳米棒中电子的横向振动,实现纳米棒表面电场级联增强的效果.另外,本文还研究了梯形-棒状纳米结构的形貌参数对其表面等离子体共振的影响.     

金属双纳米棒表面等离子体耦合共振特性研究

本文利用离散偶极子近似法,研究金纳米棒双体结构之间的表面等离子体耦合共振特性,发现当金属双纳米棒之间的排列方式和间距改变时,其表面等离子体共振消光峰发生红移或者蓝移,适当间距的金纳米棒双体结构可以产生更强的局域表面增强电场. 本文对于金纳米棒双体结构的计算结果对于金纳米棒在生物传感方面应用具有一定的参考价值.     

凸起结构附近原子的共振卡西米尔-波德力特性

利用COMSOL Multiphysics软件，研究凸起结构附近二能级原子的跃迁频率及所处位置对共振卡西米尔-波德力的影响.结果表明，相较于截面银纳米球结构，凸起结构会产生新的表面等离激元共振模式，该模式对原子所受的共振卡西米尔-波德力产生极大的增强作用.当原子离凸起结构表面较近时，新局域共振模式对原子所受的共振卡西米尔-波德力的调控起主导作用；随着距离的逐渐增大，新局域共振模式对原子所受的共振卡西米尔-波德力的贡献急剧减小，且凸起结构的共振模式比截面银纳米球结构的共振模式对原子所受的共振卡西米尔-波德力的贡献减小得更快.     

基于石墨烯复合薄膜的等离激元传感研究进展

 做为由单层碳原子紧密堆积而成的六边形蜂窝状二维晶体,石墨烯具有高载流子迁移率、良好的生物兼容性和优异的化学稳定性。本文简要综述了石墨烯-金属纳米粒子复合薄膜在表面增强拉曼散射研究进展,以及石墨烯等离激元的激发方式和传感性能。在可见光波段,石墨烯和金属纳米粒子之间的耦合使复合薄膜具有强的光学吸收和局域电场增强,从而使复合薄膜可以作为高灵敏的表面增强拉曼基底。在中红外波段,除可以利用石墨烯微纳结构激发等离激元,还可以对介电基底进行微纳加工利用波导模式激发,使得石墨烯等离激元可能用于折射率传感。讨论了石墨烯基复合薄膜研究过程中面临的机遇和挑战,展望了其在表面增强拉曼和传感方面的应用前景。     

基于核四极共振的爆炸模拟物探测研究

针对当前爆炸物探测中存在的突出问题,基于固体物理学相关理论和核四极共振基本原理,给出一种具有本征探测能力的核四极共振爆炸物探测方法. 该方法以爆炸物分子中普遍存在的¹⁴N核为探测对象,探测不同分子结构所具有的不同核四极共振特征信号. 试验测得亚硝酸钠、乌洛托品、尿素和硫脲等几种爆炸模拟物的核四极共振信号. 试验结果表明,该探测方法能本证标识各被探物是一种准确有效的本征探测方法.     

有机手性分子器件的光电特性

目前多种有机手性分子器件虽已研制成功,但其内在的物理机理仍有许多未解之谜,其中手性分子的圆二色性精细结构、手性诱导的自旋选择效应等是有机手性分子研究的核心。为设计基于手性的新型有机功能器件提供理论指导,考虑有机手性分子螺旋势场诱导的自旋-轨道耦合,围绕分子的光电特性及其调控展开了系列研究。根据光致跃迁理论,得到手性分子的光吸收谱和圆二色谱,发现光吸收峰发生劈裂,圆二色谱由轨道磁矩和自旋磁矩共同贡献。此外,从极化子输运的图像解释了手性诱导自旋选择效应的来源,并利用其电输运特性,设计了手性异质结器件,发现其手性电阻可达7%,整流比达48。     

FTO薄膜电子结构和光学性质的PBE0方法研究

本文基于密度泛函理论(DFT)PBE0方法对本征SnO_2及SnO_2∶F电子结构及光学性质进行了理论计算,从理论上描述了光学性质与电子结构关系。计算结果表明,PBE0方法计算光学带隙最接近实验数值。在PBE0赝势下,计算了本征SnO_2及SnO_2∶F能带结构、电子态密度。掺杂后,体系局域态密度增加,费米能级穿越导带底部,F掺杂增强SnO_2的导电性。增加F掺杂浓度,体系等离子体频率降低,有利于降低FTO薄膜红外辐射率。F掺杂SnO_2后,介电函数谱发生红移。     

基于表面等离激元的量子相干效应的理论研究

起源于金属中自由电子集体振荡的表面等离激元,具有超小的光学模式体积和亚波长局域的近场增益,为纳米尺度上研究光和物质相互作用带来新的机遇．共振的纳米金属结构的近场区域,具有各向异性的珀塞尔系数,并且可以为量子体系提供近场激发．我们理论上演示了基于表面等离激元结构的单分子共振荧光、原子布居数的本征量子拍频及其在表面等离激元结构中的纳米尺度上的实现、表面等离激元诱导的各向异性珀塞尔系数导致的亚波长尺度自发辐射谱线的变化．这些结果在超紧凑的有源量子器件中有潜在应用．     

等离激元/介质微纳结构与光的互作用及其传感应用

微纳米尺度物质与光的相互作用研究对于光电转换、生物传感等领域的发展具有重要的科学意义.基于等离激元效应和介质光耦合机理增强光和物质相互作用的微纳光学研究涌现出众多优秀科研成果,在分子传感领域更是展现出巨大的应用潜力.本文重点围绕本课题组近年来在等离激元/介质微纳结构与光的互作用方面的相关理论与实验研究展开回顾分析,揭示了采用不同电磁机制增强光与微观物质相互作用的物理内涵,论述了微纳结构光学设计的新思路和新方法,阐明了在微纳光学分子传感应用上的科研思想和探索成果.最后,展望了微纳光传感的研究发展方向和实际应用前景.