光学天线的红外吸收增强特性及其在海洋营养盐红外检测技术中的应用研究

Detecting nutrients level in seawater is one of the important item in monitoring environmental status of ocean, and the anlyzer of nutrients is the key technique for forecasting the disaster and pollution level in seawater. The traditional technique to measure the level of nutrients is based on colorimeter and is more convenience in laboratory work. In this application, we propose a new technique of employing the surface-enhanced infrared absorption (SEIRA) by optical antenna. The main contents of this application including the theoretic simulation and experimental research of the hydration of nutrients and the characteristics of optical antenna, the effect of seawater on the characteristic of optical antenna and the selective enhancement of the infrared absorption of nutrients. Furthermore, it will be developed that an optical antenna be fit for conditions of seawater and enhances IR absorption of nutrients. Up to now, the optical antenna is unused for detection of nutrients in seawater.

海洋营养盐检测是海洋环境监测的基本内容之一，也是预报海洋灾害、治理海洋污染的前提和保障。传统的海洋营养盐检测是通过化学显色结合光度学测量方法进行检测的，更适合于实验室检测。本项目利用光学天线的表面增强红外吸收效应，探索基于红外吸收的新型海洋营养盐实时检测技术。本项目通过理论模拟和实验研究，研究营养盐的水合作用、光学天线的红外光谱响应特性，深入研究海水环境对光学天线响应特性的影响，提高光学天线对营养盐的选择性红外吸收，阐明光学天线的选择性增强海洋营养盐红外吸收的机理；并以此为基础，研究开发适用于海水环境、对海洋营养盐选择性红外吸收增强的光学天线器件，为开发基于红外吸收的新型海洋营养盐仪器奠定基础。目前尚未检索到国内外有关利用光学天线的红外吸收增强效应进行海洋营养盐检测的报道。

海洋营养盐检测是海洋环境监测的主要内容之一，开发新型海洋营养盐实时检测技术无疑具有重要意义。本项目通过研究光学天线的红外吸收增强效应，提高传统的红外吸收光谱技术的检测水平，为开发新型海洋营养盐红外检测技术奠定基础。. 本项目首先利用第一原理计算，模拟了水合作用对硝酸根离子红外吸收的影响，发现硝酸根离子与一个水分子结合时的反对称伸缩振动模式与红外吸收光谱比较符合。同时利用第一原理计算模拟了Cl–M–NO3(M = Li, Na, K)超级卤素的结构与红外光谱，计算结果表明：(Cl–M–NO3)_ 的VDEs值介于MCl2_ 和 M(NO3)2之间，表明超级卤素的亲和能可以调节；通过红外光谱可以检测超级卤素。. 其次以条形金材料的光学天线为重点，模拟计算了光学天线的几何结构（长度、宽度、厚度）、基底材料（介电常数、厚度）对红外响应的影响。红外响应波长随着条形天线的长度线性增加，随着基底介电常数的增加而线性降低。光学天线端处的凸起（缺陷）处具有明显的电场增强效应，但是对红外波长变化不敏感。基底厚度的影响主要来自界面的反射引起的相干效应。.实验研究了硅基底上条形金材料的光学天线的红外特性，发现光学天线在红外区域的响应，但是响应不明显，这可能是由于光学天线的密度比较低（1条/100μm2）,而且天线的厚度薄（0.1μm）导致透光率比较高。. 在本项目的资助下，围绕营养盐红外吸收检测技术，开展了如下：1）设计开发新型的液体红外样品池，实验结果表明红外光透光率提高了2倍以上。2）对光子晶体的红外光学特性进行了模拟和实验研究，利用金属光子晶体良好的滤波特性，可以抑制海洋营养盐红外吸收峰附近的水吸收峰（~1600cm-1），进而提高营养盐红外吸收的信噪比。3）研究了石墨烯的过滤与富集特性。. 本项目通过研究光学天线红外光学特性的研究，对微纳结构应用于海洋环境检测进行了有益的探索。