基于银纳米颗粒的HCPCFSERS传感系统优化设计

银纳米颗粒与光子晶体光纤、表面增强拉曼散射效应结合而成的PCF SERS传感器得到了科研界的广泛关注.而PCF结构、SERS基底的性能是传感器的重要影响因素.为了进一步提高SERS PCF传感器的性能,通过研究对比PCF和SERS基底结构参数对传感性能的影响,设计出适用于PCF SERS传感的空芯PCF以及SERS基底的结构参数.通过数值计算,设计的空芯PCF空气填充率为56.30%,当激发光波长785 nm时存在光子带隙,并能够实现单模传输.而半径为38 nm的银纳米球在间距为0.7 nm时能够产生最大的SERS增强因子.研究证明,设计的空芯PCF在785 nm输入波长下既能够基模传输激发光,又能够为SERS提供理想的活性面积,而且银纳米颗粒的形状、尺寸、间距对SERS性能影响严重,而且与入射波长有很强的依赖关系.     

不同尺寸金纳米颗粒的制备及其SERS性能

为了研究不同尺寸的金纳米颗粒作为表面增强喇曼散射(SERS)活性基底对表面增强喇曼光谱的影响,采用氯金酸作为金源,柠檬酸三钠作为还原剂及保护剂,通过控制柠檬酸三钠的加入量合成了不同尺寸的金纳米颗粒。通过扫描电子显微镜(SEM)和紫外可见分光光度计(UV-vis)等技术对金纳米颗粒进行了性质表征。利用喇曼光谱仪,以罗丹明B作为被检测探针,研究了三种不同尺寸的金纳米颗粒(20、50和100 nm)喇曼增强效果。通过喇曼光谱图发现20和50 nm的金纳米颗粒具有较好的SERS效果。随后以20 nm的金纳米颗粒为SERS活性基底,对表面增强喇曼光谱检测罗丹明B的检测限进行了研究,可以使罗丹明检测限灵敏度达到10-9 mol/L。     

介质微球光场调控制备多级银微纳结构及其表面增强拉曼光谱研究（特邀）

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种高灵敏的分子振动指纹光谱技术。光辅助化学还原制备SERS衬底具有成本低、环境适用性强等优势,但在微纳结构多样化制造方面存在局限性,限制了SERS衬底的检出性能。笔者系统研究了介质微球独特的聚焦特性,揭示了微球直径对聚焦光场分布的调控规律,在微球底部实现了可控的光场空间分布,实现了多级银微纳结构的快速光还原合成。进一步,通过优化制备参数(前驱液浓度比、激光辐照功率及辐照时间),成功制备了具有优异拉曼增强效果的多级银纳米颗粒/银微环/介质微球(AgNPs/AgMRs/MS)复合结构。通过介质微球和多级银微纳结构(AgNPs/AgMRs)中的光场耦合,即微球聚焦、多级银微纳结构局域表面等离激元共振以及复合结构定向发射等,实现了10^-14 mol/L的痕量检测,增强因子可达9.50×10⁹,为光化学还原制备高性能介质-金属复合SERS衬底提供了新思路。     

两种基底对中药溶液喇曼光谱增强作用的比较

为了对比分析TiO₂-AgNPs薄膜与银胶纳米颗粒溶液两种表面增强喇曼光谱散射（SERS）基底对中药溶液样品的SERS增强效果，选取中药附子溶液作为实验样品，分别采用两种SERS基底通过喇曼散射实验取得其表面增量喇曼光谱，并进行了解析对比。结果表明，TiO₂-AgNPs薄膜与银胶纳米颗粒溶液两种SERS基底都对中药附子溶液的喇曼散射光谱起到了明显的增强作用；TiO₂-AgNPs薄膜的增强效果相对于银胶纳米颗粒溶液更为敏感，如在喇曼位移1398cm-1的相对峰强比，TiO₂-AgNPs薄膜基底为27.85%，银胶纳米颗粒溶液基底为11.97%，但其具有易氧化、可用时间短、制备难度大、可重复性不高等缺点，因此更适于样品成分的精确鉴定，银胶纳米颗粒溶液具有制备更简单、使用时间长、稳定性和重复性好等优点，适于大量样品成分确定对比的检测；两种基底对中药溶液样品的SERS增强各有优势。此结果对国内外利用SERS技术分析中药有效成分的基底选择有一定参考作用。     

大面积图案化电场增强薄膜的设计及制备研究

采用有限时域差分（FDTD）法仿真了不同闪耀光栅结构上的银（Ag）薄膜模型。在633 nm的激发光下，闪耀光栅上周期为1/1200 mm、厚度为15 nm的Ag薄膜模型产生了较强的局域表面等离子体共振（LSPR）效应。利用机械刻划工艺和电子束蒸发镀膜工艺成功制备了这种Ag光栅薄膜，从而大幅降低了图案化电场增强薄膜的制备成本和难度。利用该电场增强Ag薄膜，基于表面增强拉曼散射（SERS），对亚甲基蓝染料进行检测，SERS信号强度增强，与FDTD仿真结果吻合。同时，基底不同位置处的主要特征峰强度的相对标准偏差（RSD）值都小于17%，薄膜表现出良好的均匀性和再现性。     

激光液相烧蚀法制备金核银壳纳米结构及其性能的研究

采用波长为248nm的KrF准分子激光烧蚀制备纯净的金核银壳复合纳米结构,通过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)以及电子能谱(EDS)对其形貌结构和成分进行了表征。实验发现,控制银壳的厚度能够调节该纳米结构的表面等离共振吸收曲线峰位,采用Mie理论对金核银壳纳米结构在形成过程中的表面等离共振吸收曲线进行了模拟,模拟结果与实验结果一致。探讨了激光烧蚀法制备金核银壳纳米结构的机制。此外,实验结果表明准分子激光烧蚀法制备的金核银壳纳米结构具有优异的表面增强拉曼光谱(SERS)活性,可用于物质痕量检测领域。     

银纳米颗粒的局域表面等离子体共振传感

采用微波法合成银纳米颗粒,通过化学自组装技术将银纳米颗粒吸附在玻璃基片上,制备了银纳米颗粒的局域表面等离子体传感器。在纯水中,紫外可见光消光谱表明局域表面等离子体共振位于428nm处。随外界折射率增加,共振峰发生红移,其折射率灵敏度达到173±6nm/RIU。在350oC温度下退火处理后,改变银颗粒在基片上的形貌,峰位发生约65nm的红移,灵敏度下降约20%。理论分析表明,银纳米颗粒形状和基底的相互作用影响折射率传感的波长响应和灵敏度特性。     

新型凹锥形表面增强拉曼散射光纤探针的制备

研制了一种新型凹锥形表面增强拉曼散射(SERS)光纤探针,研究了光纤探针凹锥形结构的制备方法,分析了凹锥光纤探针形貌与腐蚀时间的关系,通过化学自组装法将金纳米颗粒固化到凹锥内表面,制成凹锥SERS光纤探针,并测试了其远程SERS检测性能。结果表明,凹锥形光纤探针具有更低的光纤拉曼光谱背底,约为同种光纤制备的锥形探针的1/3;在633nm的激发波长下,固化金纳米颗粒的凹锥探针对于罗丹明6G(R6G)溶液的拉曼光谱远程检测浓度低至100nmol/L。这种凹锥形结构使基底不易脱落,探针不易损坏。基于上述优点,该种凹锥形光纤探针可能在SERS远程检测领域具有潜在的应用价值。     

光诱导金纳米颗粒光栅及表面等离子激元的激发

光化学还原方法可以合成金属纳米颗粒并同时实现纳米颗粒形貌和尺寸的控制,是贵金属纳米颗粒合成领域的研究热点之一。提出了一种制备大面积表面金属光栅的方法,利用光化学还原方法合成了金纳米颗粒,并通过双光束干涉的方法在玻璃基底上沉积生成金纳米颗粒光栅,制备出具有一定耦合效率的表面等离子激元(SPP)耦合光栅。金纳米颗粒光栅结构的周期和表面起伏可以通过诱导光参数的改变得以调节。经400℃下半个小时的退火处理后,光栅结构变得更加光滑,其表面等离子激元激发角更接近理论值。     

基于COMSOL的柔性表面增强拉曼散射基底研究

为提高表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)基底的性能，采用COMSOL Multiphysics仿真软件通过有限元法对两个相邻的纳米颗粒的模型进行仿真。仿真结果表明，当纳米颗粒半径一定时，增强因子随间距的增大而快速减小；当间距一定时，增强因子随半径的增大而增大，半径达到300 nm后，增强因子趋于稳定，且呈一定的下降趋势。同时，设计并构建了倒圆锥模型的SERS基底，仿真得到其增强因子为2.66×10⁵,相比于倒金字塔模型(增强因子为1.57×10⁵)具有更优异的性能。基于所得到的仿真结果对倒圆锥模型进行优化，银纳米颗粒间距从10 nm依次减小为5 nm,增强因子得到显著提高，极大地提高了表面增强拉曼散射基底的性能。     

米状银纳米颗粒对局域电场增强的理论模拟

为了提高表面增强拉曼散射技术中基底的增强效果,采用时域有限差分算法从理论上对不同入射光偏振方向下米状银纳米颗粒的电场增强进行了模拟分析,分别研究了单个银纳米颗粒和不同组合的二聚体以及三聚体的形状、间距对局域电场强度的影响,并且详细讨论了导致电场增强的原因。结果表明,当米状银纳米颗粒长度约为300 nm时,应控制其短轴约为36 nm,间距约为2 nm,且入射光偏振方向平行于长轴,此时在颗粒的尖端处均会产生最大电场增强,其中二聚体尖端对尖端情形下增强效果尤为明显。该结论为拉曼基底实验中纳米颗粒的制备提供了一定的理论基础。     

基于表面增强拉曼光谱技术的陈皮年份检测北大核心CSCD

采用表面增强拉曼光谱技术对8种不同储存年份的陈皮进行检测。测试分析了储存11年的陈皮样品于金膜、银纳米颗粒、金膜-银纳米颗粒增强基底上的拉曼光谱。在金膜-银纳米颗粒增强基底上的陈皮拉曼光谱特征峰最明显,对375、493、650cm-1等12处的拉曼特征峰进行初步归属分析,据此对陈皮的生化成分进行初步判断,并探讨了陈皮在金膜-银纳米颗粒基底上拉曼信号的增强机理。此外,通过分析比较8种不同年份陈皮的表面增强拉曼光谱信息,区分出不同存储年份的陈皮。根据峰值位置信息的变化,得出与存放5年及以下的陈皮相比,存放7年及以上的陈皮产生了某些新成分的结论。     

基于金纳米颗粒的激光钛合金表面处理研究

钛合金的表面质量直接决定了种植体的成活率。针对传统表面处理方法带来的问题,文中基于时域有限差分法,提出了一种基于直径200 nm金颗粒的钛合金表面激光处理方法,研究了激光参数对钛合金表面光场分布的影响规律。仿真结果表明,由200 nm金纳米颗粒激发的近场增强分布区域为环形;增强倍数超过了6 500倍;通过改变入射光的角度可以进一步提高增强倍数;而背景折射率对金纳米颗粒激发的近场增强效果影响微小,能够在多种介质中进行表面处理。     

金颗粒为活性基底的裸鼠血清表面增强拉曼散射光谱分析

对肿瘤裸鼠血清进行显微共聚焦拉曼光谱测量,并将血清的普通拉曼光谱与以金纳米颗粒为基底的表面增强拉曼散射(SERS)光谱进行对比,结果表明金纳米粒子作为活性基底对裸鼠血清具有显著的拉曼增强作用,在很多常规拉曼光谱中未能检测出的信息在SERS光谱中得以体现。这源于血清中的物质与金纳米颗粒之间的化学吸附和相互作用,使得微量样品也能够通过SERS光谱来反映出血清中各种蛋白质、脂类、糖类、核酸以及其他成分的分子结构等信息。血清中各种成分的信息可以反映体内各种细胞和组织的生理代谢及病理变化,血清的SERS光谱将为疾病的诊断和治疗提供一种有效手段。     

多孔硅负载银纳米颗粒提高硅基MSM光电探测器性能的研究

利用金属辅助刻蚀的方法在单晶硅片表面制备了多孔硅,结果表明多孔硅表面纳米结构的陷光作用在宽光谱范围内大幅提高了硅片的光吸收率。将银纳米颗粒负载到多孔硅表面,研究了其对硅基金属-半导体-金属型光电探测器(MSM-PDs)性能的影响。与基于硅片和多孔硅结构的MSM-PDs相比,基于多孔硅负载银纳米颗粒制备的MSM-PDs在420 nm入射光照射条件下的光暗电导比以及光响应度都有显著提高,这主要得益于表面纳米结构对暗电导的降低及光场中银纳米颗粒的LSPR效应对光电导的提升作用。     

基于金银合金纳米线SERS活性基底的制备

首先采用液相软模板方法合成银纳米线,然后采用静电吸附法将带负电荷的银纳米线和带正电荷的金纳米颗粒组装形成金银合金纳米线。通过扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和X射线能谱分析仪(EDS)对材料的形貌和成分进行表征,结果表明金纳米颗粒被均匀吸附在银纳米线的表面。之后将金银合金纳米线偶联到氨基化处理后的硅片抛光面上,组装得到均匀、致密排列的金银合金纳米线表面增强喇曼散射(SERS)基底,该基底具有良好的重现性、均一性和SERS活性。使用尼罗蓝A (NBA)作为喇曼信号分子,SERS基底的最低检测浓度为7.93×10~(-10)mol/L,其分析增强因子(AEF)为6.31×10~7,SERS增强效应很高。此外金银合金纳米线具有高稳定性和良好的生物相容性,因此该基底在SERS生物传感方面具有广阔的应用前景。     

金纳米棒复合纳米颗粒荧光辐射的微观和宏观调控

正金属纳米颗粒以其独特的表面等离子体共振(Surface plasmon resonance,SPR)特性广泛应用于生物标识、荧光增强、表面增强拉曼散射(SERS)等诸多领域。其中荧光增强和SERS主要利用的是金属纳米颗粒SPR产生的激发增强或发射增强效应。提出了一种基于金纳米棒的荧光增强的新方法:通过将金纳米棒的横向和纵向SPR模式分别与荧光分子的激发和辐射波段相匹配,可以实现激发和辐射的同时增强,获得最大的"激发-发射"效率。为验证这种"双SPR荧光增强"物理机制,开展了DDA数值模拟和单纳米颗粒荧光观测实验、理论和实验结果表明,满足"双SPR荧光增强"机制的金纳米棒复合纳米颗粒具有最高的"激发-发射"效率,达到20倍之多。这种"双SPR荧光增强"机制为表面等离子体荧光增强提供了一种新的思路。     

Fe~(3+)对植酸封端的金纳米颗粒SERS性能的影响

利用植酸(IP6)、柠檬酸三钠和硝酸银的氧化还原制备了银纳米粒子,基于银纳米粒子与氯金酸的置换反应制备了IP6封端的金纳米颗粒,研究了该纳米颗粒的粒径分布和组成,结果显示:该纳米颗粒的均匀性良好;通过合成表面增强拉曼散射(SERS)基底可以准确有效地检测拉曼探针,检测极限可以达到10~(-8) mol·L~(-1);当添加质量分数为0.28×10~(-6)～0.56×10~(-6)的Fe~(3+)时,IP6与Fe~(3+)形成的螯合物可以增加热点数,使SERS增强效果及检测灵敏度得到提升。     

C层包覆Ag纳米颗粒基底的表面增强拉曼散射研究

Ag纳米结构是最常用的表面增强拉曼散射(SERS) 活性基底,缺点是Ag的化学稳定性和 生物相容性比较差。为此,利用化学方法合成了一种新型的SERS活性基底—纳米碳层包覆的 Ag(Ag@C)纳米颗粒。利用透射电子显微镜(TEM)和紫外- 可见吸收光谱对制备的核壳结构纳米颗粒进行了表征,并研究了颗粒的SERS活性。结果表明 ,罗丹明6G(R6G)、结晶紫(CV)和孔雀石绿(MG)分子在Ag@C悬浮液中的SERS光谱强度 与在Ag胶中的SERS光谱强度相比显著增强。根据光谱 的变化规律推断,额外的增强来自于化学增强。由于C层的存在,相比于Ag纳米颗粒, Ag@C颗粒的化学稳定性和生物相容性都有所改进。     

纤芯包层复合结构FBG的光谱特性仿真研究

针对纤芯包层复合结构光纤布拉格光栅(FBG)制备难度较大的问题,文章首先分析了复合结构FBG的结构特征,然后从光纤耦合模理论出发,利用Rsoft结合Matlab软件分别模拟了单独存在的纤芯、包层光栅以及复合结构光栅的反射光谱,并且通过改变光栅周期、栅区长度以及调制深度,对复合结构FBG的反射光谱特性进行了仿真分析。仿真结果表明,光栅周期为541 nm并固定其他参数时,单独的纤芯与包层光栅中心反射波长分别为1 563.4和1 558.0 nm,复合结构光栅获得了具有相同中心波长的双峰反射光谱;复合结构光栅的光栅周期、光栅长度和调制深度会对反射谱的中心波长、强度与半高宽度造成规律性的影响。研究结果可以给光栅刻写与应用提供参考与理论支撑。