零模波导表面荧光增强机理及在单分子荧光成像中的应用研究

零阶模波导具有对光场高度局域化和增强表面荧光等特性，已成为获取实时单分子荧光信息的重要手段。它在利用单分子荧光研究细胞信号转导的机制和分子与酶的相互作用机理等方面起着特殊的作用，是纳米光子学和生物光子学研究的交叉点和热点。本项目从亚波长波导的模式理论入手，分析零阶模波导中的模式、损耗、光场分布等特性，利用光学模拟分析零阶模波导对光场的局域化限制及其对单分子荧光观测精度的影响。研究光在金属微腔中传输时与金属中自由电子谐振的特性，建立光波在零阶模波导中表面等离子极化效应和单分子荧光的增强机制的理论模型。研究电子束曝光和阳极氧化铝模板方法制备零阶模波导的工艺条件和提高单分子荧光观测信噪比的结构参数。制备出尺度小于100nm、反应体积为仄升量级、荧光增强倍数5倍以上的零阶模波导，用于单分子荧光检测，实现对单个荧光基团的探测验证。本项目的研究将为实时单分子荧光成像研究提供技术基础。

零阶模波导具有对光场高度局域化和增强表面荧光等特性，已成为获取实时单分子荧光信息的重要手段。本项目（61007033）主要从从亚波长波导的模式理论入手，分析了零阶模波导中的模式、损耗、光场分布等特性，利用FDTD光学模拟分析零阶模波导对光场的局域化限制及其对单分子荧光观测精度的影响，并且结合金属等离子体波导中偶极子近似理论对光增强效应的解释，在理论上对尺度小于100纳米的零模波导的荧光增强效应进行了分析并提出了解释：对于零模波导而言，在金属波导层制备过程中以及工艺加工过程中所形成的几十纳米尺度的起伏所造成的金属纳米粒子增强的叠加是零模波导中荧光增强的起因。当零模波导中的光沿着波导孔径方向传输时，在光波的电场力的激发下，零模波导侧壁的纳米粒子中，导带电子的振荡产生沿着电场力方向的振荡电偶极子，电子被驱动到纳米粒子的表面，在理想的球形金属纳米粒子场中，这种等离子体共振的表现为光的增强以及吸收峰的红移。这种共振激发使得粒子外部电场大大加强，这种增强使得透射效率得以大幅提高。本项目还利用阳极氧化铝模板和离子束聚焦两种不同的工艺方法实现了尺度小于在80-100纳米、反应体积为仄升量级的零模波导及改进型零模波导。通过优化阳极氧化的电流密度，温度来调控孔密度，通过改变电解液的组成来调节孔径，利用阳极氧化铝模板制备出了孔径在80nm，周期约120nm的零模波导。通过利用聚焦离子束直接刻蚀磁控溅射形成的铝膜，制备的零模波导的孔径在100nm~110nm之间，周期在800nm至1微米，完全符合单分子成像需求。更进一步，本项目还通过有选择地对零模波导进行修饰，提高生物分子进入零模波导的几率，甚至将其固定在零模波导内，有效地提高了零模波导在分子生物学领域的应用范围。利用全内反射显微镜（TIRFM）成功观测到了衬底上的单荧光分子染料成像。下一步我们将继续围绕零模波导在单分子成像方面的优异特性，利用现有的零模波导制备及观测平台，实现DNA聚合酶在其中的反应动力学研究。本项目共发表论文4篇，申请专利3项，合作出版专著1本。