基于银纳米复合体系表面等离激元耦合增强荧光的研究

摘要

纳米金属体系中的耦合效应及其诱导的光电物理现象引起研究者的广泛关注。基于表面等离激元复合结构及其增强的荧光效应是其中一个重要的研究方向。本论文以银纳米复合材料体系为单元，提出并设计了两种复合结构:Fe3O4@Ag核壳结构(LSP-LSP)，银纳米粒子-银纳米线复合结构(LSP-SPP)。采用紫外-可见分光光度计，拉曼光谱以及FDTD计算模拟，分别研究了核壳结构的尺寸，粒间距对局域表面等离激元特性的影响。重点利用荧光光谱，研究了两种复合结构对探针分子荧光增强的影响，并分析其物理机理。本论文在生物分子的荧光成像以及RB分子的检测方面具有一定的意义。主要研究内容如下:
　　运用化学还原法，成功制备了分散性较好的Fe3O4纳米粒子以及Ag纳米粒子，通过表面修饰成功制备了Fe3O4@Ag核壳结构纳米颗粒。另外，利用PVP作为表面修饰剂，通过媒介作用将银纳米粒子与银纳米线有机结合，成功制备了银纳米粒子-银纳米线复合结构。
　　根据复合结构的特点，对于Fe3O4@Ag核壳结构，通过纳米粒子表面密度的调控，研究LSP及其耦合的表面等离激元特性;研究手段主要包括:紫外-可见分光光度计测试Fe3O4@Ag核壳结构的吸收光谱;拉曼光谱表征复合结构的场增强特性，FDTD计算Fe3O4@Ag核壳结构的电磁场分布，结果表明，对于相邻的Fe3O4@Ag核壳结构，当平均距离小于19 nm，形成了表面等离激元耦合，等离激元共振吸收峰红移，随着核壳结构平均距离减小，表面等离激元耦合程度增大，表面电磁场增强;对于银纳米粒子-银纳米线复合结构，通过银纳米粒子在银纳米线表面的沉积以及复合结构表面形貌的蚀刻，研究LSP-SPP耦合的表面等离激元特性。研究手段主要包括:紫外-可见分光光度计测试银纳米粒子-银纳米线复合结构的吸收光谱;拉曼光谱表征耦合结构的场增强特性，FDTD计算银纳米粒子-银纳米线复合结构的电磁场分布。结果表明，银纳米粒子-银纳米线形成复合结构后，表面形成更多的“热点”以及LSP-SPP耦合有效增强表面电磁场，表面等离激元共振吸收增大，对探针分子的拉曼光谱具有显著增强效应。
　　实验研究了这两种复合结构表面等离激元耦合增强探针分子的荧光辐射。对于Fe3O4@Ag核壳结构，主要运用荧光光谱仪与荧光显微镜分析不同尺寸的核壳结构对探针分子荧光辐射的影响，然后研究Fe3O4@Ag核壳结构的LSP-LSP耦合效应对探针分子荧光增强的影响，结果表明，Fe3O4@Ag核壳结构的LSP-LSP耦合可有效增强探针分子的荧光辐射，随着耦合程度增大，荧光辐射增强越大，对RB分子以及PpIX分子分别具有5.4倍和15.8倍的增强效果;然后通过引入PVA介电层调控探针分子与核壳结构的平均间距，进一步探究LSP-LSP耦合表面增强荧光的机理，结果表明，荧光增强与荧光猝灭存在竞争关系，探针分子与核壳结构的平均间距是影响荧光增强的一个重要因素。对于LSP-SPP复合结构，主要运用荧光光谱仪与荧光显微镜分析银纳米粒子在银纳米线表面的沉积对探针分子荧光辐射的影响，然后利用酸刻蚀剂对合结构刻蚀，研究银纳米粒子-银纳米线复合结构表面形貌对荧光辐射增强的影响，结果表明，LSP-LSP耦合可有效增强探针分子的荧光辐射，并且复合结构表面的“热点”越多，电磁场增强效应越大，对RB分子以及PpIX分子分别具有9.6倍和10.6倍的增强效果。最后引入PVA介电层，进一步探究LSP-SPP耦合增强荧光的机理。
　　基于表面等离激元耦合增强荧光的光学效应，设计并优化复合结构应用于生物医学上的荧光成像以及RB分子检测的初步探究。其中Fe3O4@Ag核壳结构应用于RB分子环境污染物的检测，结果表明最低可检测出RB分子的浓度为5×10-8mol/L;银纳米粒子-银纳米线复合结构应用于原卟啉(PpIX)分子的荧光成像，结果表明LSP-SPP耦合可有效增强原卟啉(PpIX)分子的荧光信号，降低其光漂白性。

目录

摘要

第一章 绪论

1 引言

1．1 表面等离激元概述

1．2 表面等离激元增强荧光及其研究进展

1．3 本论文的主要研究内容

第二章 Fe3O4@Ag核壳结构与银纳米粒子-银纳米线耦合结构的制备与表征

2．1．1 实验原理

2．1．2 实验材料

2．1．3 实验步骤

2．2 银纳米粒子-银纳米线复合结构的制备

2．2．1 实验步骤

2．3 Fe3O4@Ag核壳结构与银纳米粒子-银纳米线复合结构的表征

2．3．1 Fe3O4@Ag核壳结构的表征

2．3．2 银纳米粒子-银纳米线复合结构的表征

2．4 本章小结

第三章 Fe3O4@Ag核壳结构与银纳米粒子-银纳米线复合结构的表面等离激元特性研究

3．1 Fe3O4@Ag核壳结构表面等离激元及其耦合特性的研究

3．2 银纳米粒子-银纳米线复合结构表面等离激元特性的研究

3．3 本章小结

第四章 Fe3O4@Ag核壳结构局域表面等离激元(LSP)增强荧光的研究

4．1 Fe3O4@Ag核壳结构局域表面等离激元对RB的荧光辐射增强

4．1．1 实验样品制备以及仪器表征

4．1．2 Fe3O4@Ag核壳结构对RB荧光辐射的影响

4．1．3 Fe3O4@Ag核壳结构LSP耦合对RB荧光辐射的影响

4．1．4 介电层对Fe3O4@Ag核壳结构LSP耦合增强RB分子荧光的影响

4．2 Fe3O4@Ag核壳结构局域表面等离激元对原卟啉(PpIX)的荧光辐射增强

4．2．1 实验样品制备以及仪器表征

4．2．2 Fe3O4@Ag核壳结构对PpIX荧光辐射的影响

4．2．3 Fe3O4@Ag核壳结构LSP耦合对PpIX的荧光辐射影响

4．2．4 介电层对Fe3O4@Ag核壳结构增强PpIX荧光的影响

4．3 本章小结

第五章 银纳米线-银纳米粒子复合结构表面等离激元耦合增强荧光的研究

5．1 SPP和LSP局域场增强因子

5．2 银纳米线-银纳米粒子复合结构表面等离激元耦合对RB荧光辐射的增强

5．2．1 实验样品制备以及仪器表征

5．2．2 银纳米线-银纳米粒子复合结构对RB荧光辐射的影响

5．2．3 介电层对银纳米线-银纳米粒子复合结构增强RB荧光辐射的影响

5．2．4 银纳米线-银纳米粒子复合结构增强荧光在RB分子检测方面的应用

5．3 银纳米线-银纳米粒子复合结构表面等离激元对原卟啉(PpIX)的荧光辐射增强

5．3．1 实验样品制备以及仪器表征

5．3．2 银纳米线-银纳米粒子复合结构对PpIX荧光辐射的影响

5．3．3 介电层对银纳米线-银纳米粒子复合结构增强PpIX荧光辐射的影响

5．3．4 银纳米线-银纳米粒子复合结构表面增强荧光在PpIX分子荧光成像方面的应用

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 主要研究工作

6．2 展望与建议

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

声明

致谢