纳米贵金属-介电材料复合阵列的合成与应用研究

This project combines dielectric nano particle (NP) and plasmonic noble metal NP into organized nano array via self-assembly. Suffering from dissipative losses, conventional metallic NPs display relatively broad localized surface plasmonic resonance feature, which hinders their application in spectroscopic sensing. The entity composed by dielectric NP and noble metal NP benefits from both enhanced electric near field intensity and expanded near field enhancement volume. Furthermore, integrated array with such entity will gain extra light energy concentration through the in plane diffraction modes, which will bring near field intensity and volume enhancement as well. Such novel material demonstrates considerable potential in chemical sensing. Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) will be applied as indirect method validating near field enhancement within the array. Finally, the array will be utilized for the SERS detection of hazardous chemicals in atmosphere and local water environment, providing advanced sensing technology in response to the urging request for fast and reliable environmental measurement.

该课题研究介电材料纳米颗粒与等离子体贵金属纳米颗粒通过自组装技术组成纳米几何阵列，并将其作为纳米探针器件。通过对复合物成分纳米的合成与组合，研究纳米颗粒在分散相中的相互作用机理，并利用机理设计制备共振能量可调节的纳米元件。基于对合成的颗粒的光学表征，结合数值与分析电磁场模拟技术，研究介电材料颗粒与贵金属纳米颗粒复合体在光激发下的光学性质，获得倍增的金属颗粒表面电场强度和扩展的近场增强体积。进一步的纳米自组装复合体研究则通过制备周期在数百纳米到微米级别的阵列，研究阵列平面内衍射模增强等离子体颗粒表面的电场强度，以及扩张阵列范围内电场增强体积的现象，掌握阵列的材料成分、几何参数与阵列本征共振频率的关系。最后该课题将通过表面增强拉曼光谱技术测试复合阵列检测大气和水环境中低浓度，高危害的化学物质的能力，为现今日益提高的环境防治要求提供更先进的科学技术工具。

本项目通过三年时间的实践与理论探索，实现了在立项时所定下的目标，制备了可以用于检测微量浓度和复杂环境中目标分子的贵金属-介电材料纳米复合阵列探针；相关的理论模拟获得了可以预测、评价金属-介电材料相互作用的的物理模型，并通过该模型很好地解释了金属-介电材料纳米复合体中介电微球的尺寸效应。本项目从该复合探针的基本元素出发，探究了尺寸统一的金纳米颗粒的合成方法以及自组装金纳米颗粒为单层阵列的方法。表面增强拉曼光谱（SERS）实验证明，当介电微球在直径高于4μm时，复合探针的增强效率开始趋于饱和，在5μm时达到顶峰，之后效率开始下降。通过电磁场模拟，我们对该种体积效应的解释是由于介电微球的近场汇聚效应与球体本身的空间位阻效应会产生相反结果，前者提高增强效率，后者反之削弱增强效率。该金属-介电复合探针后续被应用到了违禁药品的检测实验，实验将修饰过的微球与被测物混合后吸附了被测物分子并随后形成复合探针，被测物则正好位于复合探针的增强区域。实验结果表明，该探针可以在体液环境下获得对甲基苯丙胺在纳摩尔（nM）级别的检测能力。.在探针的SERS检测应用领域，本项目利用纳米金属颗粒与血清形成咖啡环效应，利用SERS技术检测大量结直肠癌患者的血清样本，并使用机器学习方法进行统计分析，获得了高准确率的癌症筛查结果，这项研究对于无创快速筛查潜在癌症患者的技术具有重要意义。另一方面，本项目利用纳米金属颗粒的SERS快速检测，在快速测定低浓度的细菌培养液中的含巯基氨基酸产物方面，也取得良好的检测结果。.本项目前期研究的相关金属纳米颗粒的制备，合成的镍、银等纳米颗粒被应用到绝缘基材、柔性基材上加成法制作导电线路的应用中，获得了结合力高，抗机械形变能力强的导电线路，具有良好应用前景。