局域表面等离激元增强荧光研究进展

金属表面增强荧光现象,即表面等离激元与荧光分子、原子、量子点等发光体系的相互作用,是许多应用研究的基础科学问题.近年来该领域在实验和理论方面都取得了很大的进展.研究表明,金属表面等离激元共振不仅能够增强分子的激发过程,也能强烈地调制分子荧光的发射过程,如影响发光的量子效率、弛豫寿命和发射方向等.通过设计微纳金属结构,局域表面等离激元可以有效地改变分子所处的介电局域电磁场环境,进而影响和调控荧光分子的自发辐射过程.实验研究从初始的集体平均性观测,目前已经发展至单纳米结构和单分子水平,从而克服了传统测量中的平均效应,并做到实验测量和理论模拟的有机结合,对揭示单个纳米颗粒层次上的光物理基本规律具有重要意义.本文主要介绍近期与局域表面等离激元增强荧光相关的重要研究进展,具体为表面增强荧光的发光强度、光发射角分布、荧光光谱、荧光弛豫寿命及偏振等方面.     

金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用

金属纳米结构的表面等离子体光学在光催化、纳米集成光子学、光学传感、生物标记、医学成像、太阳能电池, 以及表面增强拉曼光谱等领域有广泛的应用前景, 这些功能和金属纳米结构与光相互作用时产生的表面等离子体共振密切相关. 本文简单回顾国际上该领域过去十来年的一些重要研究进展和当前发展的前沿动态, 重点介绍我们课题组近年来在金属纳米颗粒和纳米结构的表面等离子体光学理论和实验研究上取得的一些成果. 同时还介绍了我们课题组目前在表面等离子体光学研究方面的若干新思路, 包括表面等离子体共振放大、紫外波段光学天线、纳米天线光学双稳态、表面等离子体辅助的量子相互作用等. 通过这些经验和教训的介绍与讨论, 期望能够达到抛砖引玉的目的, 与国内同行来共同探讨表面等离子体光学结构是如何在纳米尺度上实现对光的各种性质的调控和利用的, 并向等离子体光学的未知领域开拓进取.     

稀土离子对DBS表面包覆的Fe2O3纳米微粒非线性光学特性的影响

半导体超微粒因其在光作用下产生局域浓度很高的载流子而导致显著的光发射和非线性光学响应,并且表面修饰能极大地改变半导体超微粒的这些特性。Fe_2O_3纳米微粒是一类重要的过渡金属半导体材料。文献报道表面包覆的Fe_2O_3纳米微粒溶胶具有较大的三阶非线性极化率,而未见有关稀土RE~（3 ）掺杂的 Fe_2O_3纳米微粒溶胶的研究报道。本文采用胶体化学法首次制备了用DBS（十二烷基苯磺酸钠）包覆其表面的稀土RE~（3 ）（RE=Ce,Pr,Sm,Tb）掺于Fe_2O_3晶格内的纳米微粒溶胶和附着于Fe_2O_3表面的纳米微粒溶胶。研究了它们与表面包覆的和裸的 Fe_2O_3纳米微粒以及体Fe_2O_3吸收光谱的差异。在Ar~ 488nm激光的作用下,采用Z-scan技术对上述四种纳米微粒的非线性光学特性进行研究。结果表明,与表面包覆的Fe_2O_3纳米微粒溶胶相比,表面包覆的稀土离子掺杂于Fe_2O_3晶格内的纳米微粒溶胶其三阶     

以荧光碳量子点为探针构建基于金属纳米颗粒内过滤效应的氰根离子传感器

<正>荧光碳量子点是近年来备受关注的一种碳基荧光探针,在荧光成像、传感器、复合催化剂、光电器件、能源转换、药物载体等方向和领域获得广泛研究.在之前工作的基础上,本文报道了以荧光碳量子点为探针,构建一种基于金属纳米颗粒内过滤效应的氰根离子传感器.本方法中,荧光碳量子点的激发和发射波长位置与金、银纳米颗粒的局域表面等离子体共振(LSPR)吸收峰波长位置相重叠,使得体系的荧光强度减弱;当加入氰根离子后,氰根将纳米颗粒刻蚀使其粒径变小,LSRP吸收峰强度降低,使得体系的荧光强度增强.当前已发展的以荧光碳量子点为探针的传感器以检测金属阳离子为主,     

壳隔离纳米颗粒增强拉曼光谱方法

<正>表面增强拉曼散射(SERS)是一项强有力的光谱探测技术,相对于单分子荧光光谱,它可以提供非破坏性、超灵敏、单分子水平的探测信息.可是,基于银、金、铜等金属衬底实现拉曼效应对表面粗糙和纳米颗粒形状的需求,限制了SERS的实际应用.一些方法扩展了这项技术可针对更广泛的衬底,最为显著的是探针增强拉曼光谱探测方法(TERS).利用该项技术,需探测物质可以位于一般衬底上,衬底上的纳米金探针起到了拉曼信号放大器的作用。     

局域环境对Tm3+掺杂透明氟氧化物玻璃陶瓷荧光光谱温度特性的影响

通过变温条件下选择激发掺杂发光离子, 在同一样品中实现了不同局域环境下离子荧光的光谱分离. 利用频域及时域的光谱学测量, 研究了镶嵌有纳米晶体的透明玻璃陶瓷体系中掺杂离子的荧光性质和弛豫过程随样品温度和离子局域环境的变化规律, 探讨了局域结构变化对荧光温度特性的影响. 根据样品结构和基质声子分布特点, 分析讨论了荧光衰减过程二阶指数行为. 结果显示, 位于晶相环境中离子的荧光寿命显示较强的温度依赖特性, 而玻璃环境中发光离子的荧光寿命受温度影响较小.     

二维过渡金属硫族化合物纳米异质结气体传感器研究进展

二维过渡金属硫族化合物(2D TMDs)在气体传感方向的应用中具有显著的"先天"优势,表现出如灵敏度高、响应速度快、能耗低以及能在室温下工作等诸多优点.相对单一的2D TMDs而言,基于2D TMDs纳米异质结的气体传感器展现出更加优越的气体传感性能.本文将系统总结2D TMDs纳米异质结气体传感器的研究进展,尤其是2D TMDs与金属氧化物、金属硫化物、碳基纳米材料以及量子点之间形成的纳米异质结设计、构效关系以及传感机理等关键科学问题.传感材料和传感机制上的创新对提升传感性能并拓展传感功能具有重要的科学意义.通过对纳米异质结气敏机理的深入探究,有望实现纳米异质结结构的人为设计和可控制备,提高室温下对目标气体的高灵敏选择性识别和检测.在纳米异质结的结构设计上,以TMDs材料为导电主体,在其表面生长各种纳米结构,通过对纳米异质结表面酸碱性、功函数、气体分子极性以及纳米异质结与气体分子之间的氧化还原反应性质进行调控,来构筑基于TMDs的纳米异质结.此外,控制负载在二维TMDs上纳米颗粒尺寸小于两倍电子耗尽层厚度,充分发挥纳米颗粒量子限域效应,以纳米颗粒充当传感的"天线分子"或"探针分子",实现对目标气体分子的高灵敏选择性识别和检测.     

聚合物电解质包裹金核银壳纳米棒制备双模式光学细胞成像探针

报道了一种新型的荧光及表面增强拉曼散射(SERS)双模式光学成像探针. 该探针以金核银壳纳米棒为SERS增强基底, 其表面标记拉曼分子产生SERS信号. 随后通过层层吸附的方法在标记了拉曼分子的金核银壳纳米棒表面包裹聚合物电解质. 最后在聚合物电解质层上连接异硫氰酸荧光素产生荧光信号. 将探针置入HeLa细胞, 实现了荧光、SERS双模式成像. 该探针具有以下优点: (1) 能产生荧光、SERS两种信号, 实现双模式光学成像; (2) 金核银壳纳米棒具有优异的SERS增强能力, 使得探针进入活细胞后仍能提供高信噪比的SERS信号; (3) 聚合物电解质在形成隔离层避免荧光信号被金属淬灭的同时, 提高了探针的生物兼容性. 这种双模式光学成像探针在药物输运和肿瘤靶向等研究中具有重大的应用前景.     

表面修饰聚合物自组装多层的金纳米棒的表面增强荧光

在金纳米棒表面自组装由阴离子聚合物和阳离子聚合物通过静电作用形成的聚合物多层结构,并研究了该金纳米棒的表面增强荧光效应.未经聚合物修饰的金纳米棒猝灭荧光素的荧光,最高猝灭率为91.5%.经聚合物自组装多层结构修饰后,金纳米棒增强荧光素的荧光.3层聚合物修饰的金纳米棒的荧光增强因子可达102级.     

多层结构对镧系掺杂纳米颗粒上转换发光的调控作用

镧系离子掺杂的上转换纳米颗粒(upconversion nanoparticles, UCNPs)由于具有较大的反斯托克斯位移,良好的发光与化学稳定性,长激发态寿命及尖锐的多谱线发射等独特性质,在生物成像和检测、疾病诊断和治疗、安全防伪以及太阳能电池等多个领域备受关注.然而传统UCNPs受到发光效率低、浓度猝灭等诸多问题的限制,实际应用举步维艰.相比较而言,通过多层结构设计可以对掺杂离子浓度、上转换能量传递过程等进行更有效的调控,从而对纳米颗粒的发光性能进行调节与优化,所以具有多层结构的UCNPs近几年来备受关注.本文主要综述了多层结构在UCNPs发光性能调控中的主要作用:多重激发和发光的调节、能量传递调控、实现高浓度掺杂的高效发光以及对寿命的大范围调控,同时结合一些应用实例展望了多层结构的UCNPs在显示、生物医疗以及安全防伪等多个领域的应用前景.     

低温MOCVD法制备铜纳米棒

选用乙酰丙酮铜Cu(acac)₂为前驱物, 氢气为反应气, 采用低温有机金属化学气相沉积法(MOCVD)在介孔基质SBA-15中合成出了铜纳米棒. 该反应过程中, 氢气起了重要作用, 一方面氢将金属有机物的配位还原, 从而使其更容易扩散进入SBA-15孔内部, 同时氢也将二价铜离子还原为金属铜, 从而得到铜棒. 这种铜纳米结构由于具有独特的光学、磁学及电学特性, 因而在半导体研究领域中有潜在的重要应用价值. 另外, 研究还发现基质SBA-15的表面特性对于合成该铜纳米结构有重要影响, 将一层碳覆盖于基质表面后, SBA-15由亲水表面变为憎水表面, 更加有利于有机铜的吸附和铜离子在其内表面的沉积. 该合成方法简单, 反应只需较低的反应温度(400℃)和真空度(2 kPa), 实现了温和条件下制备铜纳米棒状材料.     

纳米结构金属晶界塑性机理的原子尺度模拟研究进展

纳米结构金属中富含晶界,对材料微观结构演化与宏观力学性能调控具有重要意义.厘清纳米结构金属晶界塑性变形的原子尺度机理,将之与材料宏观力学行为相联系,是纳米结构金属力学研究关注的核心问题.近年来,我们围绕晶界塑性变形机制及其影响因素,采用原子尺度模拟方法,探究了晶界诱导孪生与界面宏微观自由度的关联规律,揭示了晶界位错往复滑移主导的纳米晶体循环塑性机制,提出了孪晶界滑移诱导纳米晶体极端剪切变形,发展了取向依赖的晶界迁移和滑移转变模型,为纳米结构金属晶界行为预测与调控提供了新思路.本文梳理了晶界塑性原子尺度模拟的研究现状,总结了本团队从原子尺度探究晶界塑性变形机理的相关进展,指出了纳米结构金属晶界调控理论与力学表征的难点和挑战.     

金钯不对称纳米结构合成及其表面增强拉曼光谱

金钯双金属纳米结构由于独特的光学-催化协同耦合性质而受到广泛关注,在太阳能转化存储、多相催化、光电器件、生物成像、医学诊疗等领域展现出重要的应用价值.但具有协同性质的金钯纳米材料的合成制备仍然面临巨大挑战.本研究发展了溶液和固体表面上制备金钯纳米结构的两种方式.在金纳米棒种子溶液中,通过调控铜离子的浓度,制备了具有不对称钯分布的金钯凹角长方体和哑铃型纳米结构.研究揭示铜离子可以竞争吸附到金纳米棒表面,调控钯沉积到金棒表面的界面能,诱导钯在金棒表面的成核生长逐渐由外延生长向不连续分散生长模型转换,最终实现了金钯不对称纳米结构的制备.在固体表面介导的合成中,以固体表面支持的自组装金八面体单层为种子,通过控制生长溶液中的钯含量,制备了一系列不同钯负载量的金钯纳米结构.实验揭示由于固体表面的位阻效应,钯优先在背离固体基底的金八面体表面上成核生长,因此制备的金钯纳米结构具有不对称性.通过不同钯负载量下金钯纳米结构表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)的研究,获得了具有最优SERS性能的金钯异质组装基底结构,并实现了该基底催化对硝基苯硫酚加氢反应过程的原位SERS监测.预期本研究发展的金钯不对称纳米结构合成方法将在多相催化等领域发挥重要作用.     

表面增强光谱和表面等离激元共振传感器

表面等离激元光子学是研究光和金属表面自由电子耦合所引起金属表面电荷密度振荡的性质及其应用的一门学科. 金属中的自由电子在入射光的作用下产生集体振荡. 在垂直表面的方向上强度呈指数衰减, 使得亚波长金属结构中光场高度局域. 由于独特的光学性质, 使得其具有广泛的应用, 其中两个重要的分支为: 表面增强光谱和表面等离激元共振传感器. 表面增强光谱传感器是利用纳米结构的巨大表面增强效应来直接探测表面分子,表面等离激元共振传感器通过检测目标分子对等离激元共振峰的影响进行定性定量检测.这两种优势互补的传感器技术都可以达到单细胞甚至单分子的检测水平. 本文将论述表面等离激元光子学的原理、表面增强光谱和表面增强光谱传感器研究领域的国内外最新进展和发展趋势.     

表面等离激元的调控研究与应用

随着对表面等离激元(SPPs)研究的日益深入和高精度纳米加工技术的不断进步, 表面等离激元亚波长光学得到迅速的发展. 由于SPPs具有表面局域和近场增强等特性, 在纳米光子学、能源、传感探测、生命科学等领域均有重要应用. 基于SPPs的特点, 介绍了材料、结构、材料和结构的复合以及柱面矢量光场对SPPs的调控特性及其应用.     

基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构研究进展

自然界中的手性现象广泛存在.近年来,具有在可见光波段手性光学响应特性的等离子体金属纳米结构吸引了越来越多的关注.DNA自组装技术以DNA分子为基元构筑纳米材料,具有根据实际需求精准调控并组装得到复杂纳米结构的优点,可以用来构建从静态到动态的各种手性等离子纳米结构.本文综述了基于DNA自组装的手性等离子体纳米结构的研究历程和最新进展,并对相关研究做进一步展望.     

氟化物纳米晶体中Tm3+对Eu3+的荧光增强效

采用水热-烧结法制备了性能良好的Eu³⁺ /Tm³⁺共掺LaF₃和LaOF 纳米晶体. 在波长为532 nm的激光激发下, 实现了共掺样品中Tm³⁺对Eu³⁺的荧光增强效应. 结果发现, 当三价稀土离子Tm³⁺作为敏化剂被共掺到LaF₃:Eu³⁺和LaOF:Eu³⁺纳米晶体中时, 掺杂 Eu³⁺的荧光发射得到了显著的增强, 其增强倍数与Tm³⁺离子的浓度密切相关. 与单掺 Eu³⁺离子的LaOF:Eu³⁺纳米晶体相比较, Tm³⁺离子的掺入可使氟化物纳米晶体中原本已经很强的⁵D₀→⁷F₂(612 nm)红色荧光辐射又增强了一个数量级, 从而获得拥有良好颜色纯度和极高辐射强度的红色荧光纳米材料. 依据实验观测结果和晶体结构对称性特点, 研究了共掺体系中荧光增强的产生机理以及局域对称性变化对于荧光强度的影响.     

基于纳米通道分析技术的电流检测系统

<正>纳米通道单分子检测技术受启发于Coulter计数法与单通道离子电流测量技术,自被提出以来得到了迅速的发展,受到了国内外广泛关注.作为一种研究单个分子行为的技术手段,纳米通道技术已经应用于研究DNA损伤、分析单个多肽结构及蛋白质构型、探测识别单个DNA与靶分子间相互作用、有机小分子化合物和水体中金属离子超灵敏检测等方面,通     

受限条件下玻璃基质中LaF_3微晶生长机理的光谱学探究

利用高温熔融法制备了Eu3+掺杂的45SiO2-25Al2O3-18Na2O-9.5LaF3玻璃,并将基础玻璃在可控条件下进行晶化热处理后获得了性能良好的玻璃陶瓷.通过XRD,TEM和光谱学手段对玻璃陶瓷进行了表征,结果表明晶化热处理后,LaF3纳米晶体从原有单一的玻璃相中析出,晶粒大小约为25 nm.Eu3+掺杂玻璃陶瓷、纳米晶体和玻璃3种基质的光谱分析及XRD结果证明稀土离子进入到LaF3纳米晶体中并计算出在其中富集的比例.进一步利用源自于Eu3+离子的发射谱和激发谱研究了退火温度和前驱物中重金属离子对玻璃网络结构中LaF3纳米晶体生长影响的机理,为玻璃陶瓷的人工设计合成提供了理论支持.     

聚焦电子束诱导碳沉积实现纳米线表面可控修饰

作为一种典型的准一维纳米材料,纳米线具有纳米材料所特有的小尺寸效应或纳米曲率效应,经表面修饰的纳米线一般具有不同于普通纳米线的特殊性质.利用实验室发展成熟的透射电子显微镜原位辐照技术,以透射电子显微镜中残留的有机气体分子为前驱体,成功地在纳米线表面可控沉积了非晶碳纳米颗粒和碳纳米棒,以及局域凸起的非晶碳膜并形成局域肿大的同轴结构.实验结果表明,该方法能够方便地通过控制聚焦电子束的束斑尺寸、辐照方式、辐照时间以及辐照位置等参数,在纳米线表面精确可控地沉积各种非晶碳纳米结构,从而实现纳米线的表面可控修饰.对聚焦电子束辐照下基于纳米线的各种碳纳米结构的可能沉积机理作了进一步地探索,并针对透射电子显微镜中如何减少因电子束辐照诱导非晶碳沉积造成的样品污染提出了几点建议.