纳米金粒子二聚体的三阶非线性光学效应理论研究及其生物传感器应用

表面等离子生物传感器具有实时监测，无需标记等优点，但其在应用于探测生物小分子时，灵敏度仍不能够满足实际应用的需要。本申请拟通过研究纳米金粒子二聚体的两金纳米粒子间局域电磁场的增强机制，研究其结构参数、局域电磁场的非线性增强对纳米金粒子二聚体的三阶非线性光学效应的影响，建立分子、金属纳米结构和激光相互作用的理论模型，研究被测生物分子层对该响应模式的调制作用和其稳定存在的条件。在此基础上探讨运用四波混频技术通过金属纳米粒子二聚体的相干反斯托克斯拉曼散射谱进行生物分子探测的新方法，提高传感器的Q值，抑制背景光的影响，提高信噪比，为实现微纳生物传感的高分辨率、阵列化探测提供新途径、新方法，满足生物传感高通量、低检出限等需求，促进等离子光学相关理论的发展和应用。

表面等离子体光学生物传感器具有实时监测，无需标记等优点，但其在应用于探测生物小分子时，灵敏度仍不能够满足实际应用的需要。为了提高此类生物传感器的检测灵敏度，本课题主要研究工作：.在纳米金二聚体结构近场耦合导致电磁场增强方面，研究了纳米金二聚体的电偶极距与电四极距共振增强效应，在入射光远远大于纳米粒子尺寸时，电偶极距共振起主要作用，“热点”位于两纳米粒子连线的中心位置。在粒子半径逐渐增加时，电四极距共振逐渐取代电偶极距共振发挥主要作用，并使得近场耦合时“热点”从两粒子连线的中心处逐渐偏移到中心位置的上下两部分区域。.为了获得更强的局域场来增强拉曼散射信号或非线性效应，提出了一种在亚波长金狭缝中放置两列紧邻金纳米线的结构，将两纳米线近场耦合效应和狭缝类法布里—珀罗共振对电场的放大作用结合起来实现纳米线间强电磁场。在波长650nm时，两金纳米线中心热点处电场增强为200倍，达到109的拉曼增强因子，比单纯的两根金纳米线的热点处增强因子提高了3个数量级..金纳米粒子制作工艺方面，基于电子束直写技术制备出了边长150nm，间距5nm的三角形纳米金二聚体。利用晶种生长法，以十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为表面活性剂，通过改变硝酸银的量来控制合成的金纳米棒的长径比，制作出了长径比为2～5的金纳米棒。.金纳米粒子非线性光学特性表征方面，选取操作方便、高灵敏度的激光Z扫描方法为非线性光学材料的表征方法，测试结果表明：三角形纳米金二聚体在强激光激发时表现出很好的反饱和吸收效应。金纳米棒在相对较弱的激发光强下表现出 SA (饱和吸收）现象，强激光激发时表现出 RSA（非饱和吸收）效应。.此外，本课题还开展了金纳米粒子增强场光纤消逝场生物传感技术研究，将微纳光纤较大的消逝场能量占有率和金纳米粒子的等离子体共振吸收结合起来，一方面实现较高的灵敏度，另一方面通过采用夹心放大的方法，提高了传感器检测复杂样品的特异性。以癌症标志物甲胎蛋白（AFP）为测试对象，实验结果表明检出限达到了2 ng/mL。.本课题发表SCI/EI文章16篇，申请发明专利4项。