全金属光子晶体增强拉曼基底的设计、制备及对ctDNA检测的研究

In recent yeats, due to its high sensitivity, Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) has drawn increasing attentions especially from the field of biomedical molecular assay where it coming to the forefront gradually. Signal enhancement of SERS has a close relationship with substrates. However, no consideration has been taken to maximize the usage of far-field electromagnetic wave in traditional substrates design, thus capability of signal enhancement in SERS performs incompletely. In the past work, non-full metal photonic crystal enhanced Raman substrates were designed and fabricated. The results indicated that the photonic crystal could act as a bridge between far-field electromagnetic wave in sub-micron scale and substrates in nanoscale. Besides, the photonic crystal could provide extra signal enhancement factors to the substrates. The experiments showed that the two- and three-dimensional photonic crystal could provide extra one- to two- order magnitude of signal enhancements, respectively. In the preliminary experiments, full-metal photonic crystal enhanced Raman substrates showed much higher signal enhancement factors. Besides, some study indicate that this kind of substrates have great potential in circulating tumor DNA assay, which need further experiments. Hence, full-metal photonic crystal enhanced Raman substrates are proposed: design the substrates by theoretical simulations, fabrication and exploring its applications in breasts cancer related ctDNA assay.

近年来，表面增强拉曼（SERS）以其高灵敏性特点受到越来越多的关注，并逐渐在生物医学分子分析检测方面崭露头角。SERS信号增强与信号增强基底密切相关，然而传统基底设计中没有考虑对远场电磁场的最大化利用，因此SERS信号增强能力未能完全发挥。前期工作中我们设计制备了非全金属光子晶体增强拉曼基底，发现光子晶体可在亚微米电磁波与信号增强基底尺度间起到桥梁传递作用，可抢先将亚微米电磁场局域化后传递给信号增强基底，能提供额外信号增强倍数。结果表明，二维与三维非金属光子晶体可分别提供额外一到两个数量级的信号增强。而预实验结果显示全金属光子晶体基底有望会有更高的增强倍数，且文献检索提示这种基底在ctDNA检测方面有一定的应用潜力与价值，这需要进一步的实验探索。为此，本项目中我们提出全金属光子晶体增强拉曼基底：拟采用理论模拟设计与制备全金属光子晶体增强拉曼基底，并探索在乳腺癌等相关ctDNA检测中的应用。

光子晶体作为一种有序微纳结构，有光学禁带效应，可调制亚微米波长的光局域化为纳米尺度的近场电磁场，提高入射光子与材料的相互作用。受到光子晶体材料这种特殊性质的启发，前期工作中，我们首先构建了二维光子晶体增强拉曼基底。发现相比于单独的金纳米粒子，二维光子晶体可额外提供一到三个数量级的信号增强。理论模拟结果显示在光子晶体的调制作用下，光子晶体—单独金纳米粒子/金纳米粒子二聚体体系的近场电场强度分别是单独一个金纳米粒子和一个金纳米粒子二聚体的1.96倍和1.86倍。通过实验与理论相结合，发现光子晶体可作用于SERS效应的第一步，能将远场电磁场在信号增强基底前抢先局域放大近场电磁场，最终提供额外的信号放大倍数。为了探究三维光子晶体是否有同样特性，申请者随后又以二氧化硅纳米粒子光子晶体为模板，通过银染制备出三维非全金属光子晶体增强拉曼基底，发现在532 nm入射光激发下，电场|E|有了额外9倍的增强。.针对电场增强的光子晶体优化设计一直缺乏足够的理论框架，以金/银光子晶体为例，我们设计了一种全面的理论评估模型，获得了多组优化的光子晶体参数。在经历大量的数据统计及参数扫描后，我们得到了一些结论。在远场中，光子晶体的第二层及更深的层面仅仅贡献了5%的消光率和吸收率。随着层数的增加，消光率和吸收率基本变化不大，最大电场强度（|E|max）变异系数仅仅处于1%左右。然而，晶格常数以及纳米粒子直径的变化对最大电场影响巨大。我们得到的最强电场强度来自于190纳米金纳米粒子耦合的晶格常数为560纳米的金光子晶体。该结构的最大电场强度分别是金纳米粒子耦合石英片、耦合硅片、耦合银箔以及耦合金箔的47.7倍、7.39倍、4.63倍和2.69倍。据此我们可以得出结论，这种高强度的电场增强不仅仅是由于等离子体效应，也是由于光子晶体增强效应。我们提出的这种理论模拟方案提供了一种光子晶体精确设计的可能性，并且也为以后电场增强多种应用奠定了理论基础。