金属纳米粒子表面等离子体共振效应的调控及相关应用

摘要

在过去的十年时间内，得益于纳米尺度的制造工艺，纳米光子学表征手段以及电磁学模拟技术的成熟实用化，表面等离基元光子学成为了一个快速发展的新兴研究领域并引起了各学科的广泛关注。自从局域表面等离子体共振(LSPR)现象在上世纪80年代首次被应用于传感技术以来，经过二十年的发展，其研究内容已经涵盖纳米等离激元聚焦、等离激元-激子耦合效应、纳米波导、表面增强光谱、纳米开关、LSPR传感器、表面等离激元激光、等离子体共振能量转移、光热治疗、低于衍射极限的超分辨成像、光逻辑运算以及负指数折射率材料等等。虽然表面等离激元光子学的研究已经有了巨大的发展，但是如何使其同时具有工艺简单，成本低廉，效率高并且实现工业化应用依然是很大的挑战。本论文的主要研究内容包括制备了一种多功能纳米结构并将其用于细胞成像，开发了两种用于选择性超灵敏分子识别的新方法。此外，基于分子工程学原理以及LSPR动力学过程的研究，我们提出并通过实验证明了金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振是可以被有效抑制的。
　　 论文的内容分为以下五章:
　　 第一章为绪论，首先概述金属纳米颗粒对光的响应来解释LSPR的基本原理。接着简要介绍了LSPR的性质及相关应用，包括表面增强拉曼散射，表面增强荧光以及LSPR传感器等。最后引出了本论文的研究内容及意义。
　　 在第二章中，我们利用3-羟基-L-酪氨酸(DOPA)直接还原氯金酸得到了DOPA包覆纳米金颗粒的核-壳纳米结构(Au@DOPA)。所制备的纳米颗粒具有良好的生物适应性。更重要的是，由于纳米金颗粒的表面等离子体共振，这种复合纳米颗粒具有很强的共振瑞利散射。通过实验发现，这种复合纳米颗粒可以通过内吞作用转移进人体动脉血管平滑肌上皮细胞和乳腺癌细胞内。因此，可以用作为细胞显影剂通过利用暗场显微镜观察其散射来实现细胞成像。这种新型的复合纳米结构在生物治疗领域如药物控制释放和光热治疗等方面有着广泛的应用前景。
　　 第三章主要介绍了一种新型的利用单个纳米金颗粒选择性超灵敏检测2，4，6-三硝基甲苯(TNT)的方法。该方法是利用TNT与半胱氨酸的络合物(Meisenheimer络合物)与纳米金颗粒之间的等离子体共振能量转移(PRET)，通过分析纳米金颗粒共振瑞利散射的强度变化达到间接检测TNT的目的，其检出限可达1nM。
　　 第四章中，我们发展了一种以纳米银颗粒为基底，利用表面增强共振拉曼散射(SERRS)超灵敏检测水中甲醛的技术。由于甲醛本身难以被拉曼光谱识别，我们利用甲醛的Hantzsch反应，通过检测其反应产物达到间接检测甲醛的目的。该方法的检出限可达10-11 M，大大超过了传统的乙酰丙酮比色法以及荧光分光光度法。增强因子可达～109。我们利用此方法直接对天然水域中的水样品进行了检测，其检出限并没有明显的变化，说明这是一种可以广泛用于天然水体的超灵敏检测甲醛的手段，而这种间接检测的方法也为我们今后发展其他难检测污染物的检测手段提供了新的思路。
　　 第五章中，我们提出了通过诱导被光激发的金属纳米颗粒的表面热电子向H-聚集体的暗态超快速转移而抑制其表面等离子体共振效应发生的设想并根据这一设想精心设计了一种金@H-聚集体的纳米异质结构。实验中，我们清楚地观察到这种透明的H-聚集体壳层能够有效地抑制纳米金颗粒的表面等离子体共振并利用瞬态吸收光谱以及光电流测试证实了超快电子转移过程的存在。这种强耦合的金@H-聚集体的纳米异质结构在表面等离基元驱动的热电子太阳能电池以及表面催化反应方面有很大的应用潜力。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 表面等离激元的基本概念与性质

1．2．1 表面等离激元的基本概念

1．2．2 米氏散射理论

1．2．3 影响纳米颗粒局域表面等离激元的几种因素

1．3 表面增强光谱及其应用

1．3．1 表面增强拉曼散射及其应用

1．3．2 表面增强荧光及其应用

1．4 局域表面等离子体共振传感技术

1．4．1 基于消光光谱的比色法传感技术

1．4．2 基于共振瑞利散射的局域表面等离子体共振传感技术

1．4．3 基于荧光的局域表面等离子体共振传感技术

1．5 本论文的选题依据和研究内容

参考文献

第2章 核壳结构的金／左旋多巴纳米颗粒用于细胞成像

2．1 引言

2．2 实验步骤

2．2．1 试剂

2．2．2 Au@DOPA核-壳结构纳米颗粒的制备

2．2．3 样品的表征

2．2．4 成像用细胞的培养和细胞内吞过程

2．2．5 Au@DOPA核-壳结构的毒理学和生物适应性分析

2．3 实验结果与讨论

参考文献

第3章 利用等离子体共振能量转移超灵敏检测2，4．6-三硝基甲苯(TNT)的新方法

3．1 引言

3．2 实验步骤

3．2．1 试剂

3．2．2 纳米金颗粒探针的制备和表面修饰

3．2．3 样品的表征

3．3 实验结果与讨论

参考文献

第4章 利用表面增强共振拉曼散射(SERRS)超灵敏选择性检测水中的甲醛

4．1 引言

4．2 实验步骤

4．2．1 试剂

4．2．2 纳米银颗粒的制备

4．2．3 DDL待测溶液的制备

4．2．4 SERS测试基底的制备

4．2．5 样品的表征

4．3 实验结果与讨论

参考文献

第5章 金@H-聚集体纳米异质结构中表面等离子体共振的抑制及热电子光电流的产生

5 1 引言

5．2 实验步骤

5．2．1 试剂

5．2．2 Au@CB核-壳纳米结构的制备

5．2．3 样品的表征

5．3 实验结果与讨论

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果