基于纳米Ag-水凝胶的三维等离子激元晶体的光学性能及pH响应

摘要

光子晶体因可以实现对入射电磁波有效的操控而被广泛的应用于生物化学传感等方面，但由于光子晶体本身的局限性，并不能实现对微弱信号的精准操控，而金属等离子激元是一种表面波，可以实现对特定入射频率的电磁波强度的放大，利用金属等离子激元的这种效应，制备了一种新型的纳米微结构，这种微结构即具有光子晶体的特性又能激发金属等离子激元，可以实现对微弱信号精准的操控，称这种特殊的纳米微结构为金属等离子激元晶体。相比于一维和二维的金属等离子激元晶体，三维的结构有着更加优异的光学性能，金属银可以在300-1200nm的波长下都可激发强烈的等离子激元效应，因此研究中以采用水凝胶辅助解离三维连续银纳米结构去制备三维非连续银等离子激元晶体，并采用电磁仿真与实验光谱测试去分析其光学性能。具体如下:
　　(1)三维银等离子激元晶体的制备。以胶体晶体为模板，水凝胶为基，采用恒压电化学抛光，设置抛光参数为6V，0.02s，抛光30-80圈后将三维连续的银纳米微结构解离，通过扫描电子显微镜表征的表面与截面图，确定得到了三维非连续银等离子激元晶体;研究表明抛光电流与银等离子激元晶体被解离的程度存在内在的联系，因此可以通过抛光电流的变化去判断解离的进程，实现了抛光解离过程的可控。
　　(2)三维银等离子激元晶体光学性能的研究。对于晶体光学性能的研究，采用电磁模拟仿真和实验光谱仪测试去得到银等离子激元晶体的透射、反射光谱，并研究了各个参数改变对晶体的光谱的影响，为之后的应用做好理论基础。研究结果显示:当模板粒径从220nm变化至380nm时，反射光谱中由纳米银颗粒阵列衍射共振形成的波峰从500nm红移至900nm，且呈现线性规律性的变化;仿真了模板粒径为394nm的晶体在不同抛光度下的光谱，当抛光度为从0％变化至21.8％时，反射光谱从没有明显的反射峰到有突出的反射峰，透射率从0％变化至80％以上，因此非连续结构的三维结构呈现出更加优异的光学性能;同一模板粒径，同一抛光度下，当晶体内部填充水凝胶的折劓率每增加0.1，晶体光谱的反射峰位红移60nm，晶体对内部填充物的折射率响应非常灵敏;仿真了不同模板层数的银等离子激元晶体的光谱响应情况，结果显示当模板层数由4层变化至6层时，因法布里珀罗干涉形成的峰呈现规律的移动;通过电磁仿真得到的能带图与场强分布图以及光谱随不同模板粒径和抛光度的变化情况，确定了布拉格晶体衍射和法布里珀罗干涉等效应在光谱上表现。
　　(3)pH响应传感器的研究。首先在银等离子激元晶体中填充pH敏感型水凝胶，这种水凝胶在不同pH值下会呈现出不同的溶胀程度，水凝胶的溶胀会改变晶体原有的结构，在其光谱上也会有响应。实验中当滴加的pH值由8变化至12时，晶体的反射峰位由490nm移动到了590nm。

目录

声明

致谢

摘要

序言

3．2．1 金属等离子激元介绍

3．2．2 金属等离子激元的两种模式

1．2．金属等离子激元晶体的制备方法

1．3．等离子激元的数值分析方法

1．4．金属等离子激元在生物化学传感方面的应用

1．5．本论文的主要内容

2．银等离子激元晶体的制备

2．1．聚苯乙烯微球模板的制备方法

2．1．1．自组装法简介

2．1．2．模板的制备流程

2．2．银等离子激元晶体的制备方法及讨论

2．2．1．银反蛋白石晶体的制备

2．2．2．水凝胶的制备与填充

2．2．3．电化学抛光

2．3．本章小结

3．光学特性分析

3．1．数值仿真

3．1．1．数值仿真简介

3．1．2．仿真模型的构建

3．2．光学特性分析

3．2．1．不同模板粒径的光谱分析

3．2．2．不同抛光度的光谱分析

电磁仿真能带图分析

3．2．4．其他条件改变对光谱的影响

3．3．本章小结

4．银等离子激元晶体的pH响应

4．1．智能PH响应型水凝胶简介

4．1．1 PH响应水凝胶原理及应用

4．1．2 PH敏感型水凝胶的溶胀特性

4．2．实验部分

4．3．实验结果分析

4．4．本章小结

5．结论

参考文献

附录

索引

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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