光波导耦合金属等离子体共振结构用于表面增强拉曼散射光谱的研究

In the studies of surface-enhanced Raman scattering (SERS), to achieve superior SERS signal enhancement, the highly efficient coupling of the plasmons of SERS substrates (metal nano-materials and structures) is considered to be a key point according to the electromagnetic enhancement mechanism of SERS. This proposal is based on the advantages of dielectric waveguide structure in light transmission, to design and construct prism type and band type dielectric waveguide coupled metal plasmon resonance (OWG-coupled PR) configurations for the evanescent field excitation of SERS signal. Dielectric waveguide can guarantee high coupling efficiency of the incident light, while the advantages of the multiple reflection of light in dielectric waveguides and long propagation distance also benefit SERS excitation. The design adopts the plasmonic antenna with highly efficient emission characteristics to increase the spectral scattering cross section and it is conducive to the far-field collection. OWG-coupled PR can obtain stronger local electromagnetic field based on its similar structure of "hot spots", which is favorable to the enhancement of SERS signal. The OWG-coupled PR structure can realize the integration of SERS excitation light paths and elements. This composite integrated optical device has the potential to become the main part of a great applicable and commercial micro-SERS spectrometer. It will promote SERS analysis to a further step in application field.

在表面增强拉曼散射（SERS）研究中，为了获得超强的信号增强，对SERS基底（通常为金属纳米材料和结构）等离子体的高效耦合被认为是一个关键点。本项目基于介质波导结构在光传输方面的优势，设计和构筑棱镜型和条带型介质波导耦合金属等离子体共振（OWG-coupled PR）结构，用以在消逝场下激发SERS信号。介质波导的运用可以保证对入射光极高的耦合效率，同时光在介质波导中多次反射、传输距离长的优势也将有利于SERS激发。设计采用具有高发射特性的等离子体天线结构，增大光散射截面,利于SERS信号远场收集。OWG-coupled PR可获得更强的局域电磁场，形成"热点"结构，利于SERS信号的增强。OWG-coupled PR结构可实现SERS激发光路和元件集成一体化，这一复合集成光学器件有可能成为极具应用性和商品化的微型SERS光谱仪的重要组成部分，推动SERS分析技术向应用再迈进一步。

本项目研究从表面增强拉曼散射(SERS)物理增强机理出发，设计和构筑以光学波导耦合金属等离激元共振(Optical Waveguide-Coupled Plasmon Resonance)的结构，使其成为一类高性能的SERS信号激励方式和结构。研究了介质波导与金属局域等离激元共振(LSPR)之间的高效耦合，探究不同波导模式对局域电磁场分布的影响。优化了波导结构和金属纳米结构。探索了光纤波导型的复合集成光学结构。发展了多种生物SERS分析和超灵敏SERS检测方法。介质波导存在多种共振模式。常规的波导共振模式可以对光进行高效地捕获，但最强的电磁主要限域在波导层中，无法用于LSPR的耦合。本项目发展了一类波导漏模共振方式使之可与表面金属纳米粒子的LSPR耦合。该结构最大的优点是可以通过入射光角度、波导厚度、偏振等来调节，使最强的电场扩展到介质波导表面，从而被有效地利用。该结构可将金属纳米粒子周边的电场强度提高上百倍。此外，利用核酸适配体、短肽、酶等生物分子为元件，建立了多种SERS分析方法，可用于SERS检测葡萄糖、酶、金属离子、持久污染物、违禁油品等。该项目资助发表学术论文29篇，会议论文31篇，专利6项（3项授权，3项申请）；资助硕士毕业论文11本，博士论文7本；资助国内国际会议7次，相关内容作国内和国际邀请报告2次，口头报告3次。部分成果获中国石油和化学工业联合会科技进步奖二等奖1项、吉林省自然科学学术成果奖二等奖1项，三等奖1项； 第十八届全国分子光谱学术会议获优秀论文奖 1项、优秀墙报奖1项；第十八届全国光散射学术会议优秀墙报奖1项。