染料聚集体/Au纳米结构中激子-表面等离子体耦合的电化学调制及生物分析应用

Exciton-plasmon (E-P) coupling appears to be a great potential for applications in bioanalysis. However, these applications may be largely restricted, due to the lack of an effective means to modulate the E-P coupling. This proposed research is focused on developing an electrochemical method for modulating the E-P coupling, which can control optical properties of E-P coupling by alternating excitonic energy and changing the redox state of the exciton system. Electrochemical techniques will be combined with attenuated total reflection spectra and current imaging to study the electrochemically modulated E-P coupling in two systems: polymerized dye film/Au nanofilm and dye J-aggregates/Au/SiO2 core-shell nanoparticles. The research aims to evaluate the effects of potential change on optical properties of the E-P coupling and develop a fundamental understanding of the electron-transfer mechanism of the electrochemically modulated E-P coupling. Glucose oxidase and IgG will be immobilized by electrochemical polymerization and biomolecule-based self-assembly of dyes. The objective of the proposed research is to provide insight into the biological catalysis and recognition mechanism in the E-P coupling systems. This research will contribute to developing a potential-, wavelength-, and angle-dependent biosensor. Knowledge gained form this research will provide a theoretical basis for E-P coupling based biosensing and inspire research toward applying new concepts in nano-optics to bioanalysis.

激子与表面等离子体的耦合作用(E-P耦合)在生物分析中有巨大的应用前景。但是，由于缺乏E-P耦合的有效调控，极大制约了其在生物分析中的发展。本项目通过电化学方法改变激子体系的氧化还原态，引起激子能量变化，从而实现E-P耦合的可控调节。采用电化学结合衰减全反射光谱和电化学电流成像技术，对染料聚合膜/Au纳米膜和染料J型聚集体/Au/SiO2核壳纳米微粒的电化学调制E-P耦合进行研究。阐明电位变化对E-P耦合光学性质的影响，揭示电化学调制E-P耦合中的电子转移机理。采用电化学聚合包埋和染料在生物分子骨架上的组装来实现E-P耦合体系中葡萄糖氧化酶和IgG抗原等生物分子的固定。研究电化学调制E-P耦合体系中生物分子的识别与催化机理，构建具有电位分辨、波长分辨和角度分辨的酶和免疫传感器。本研究将为电化学调制E-P耦合的分析应用提供理论依据，有助于把纳米光子学的新原理纳入到生物分析新方法的创建之中。

Au等贵金属纳米微粒具有突出的表面等离子共振性质，有机染料或无机半导体纳米材料具有独特的能带结构，可以产生激子（电子-空穴对）。在Au-有机染料或无机半导体的复合纳米材料中，表面等离子体共振-激子会产生较强的相互作用，这为发展新的分析检测方法提供了有效途径。本项目合成了一系列新型8-羟基喹啉-金属-卤素（MqX，M=Cd、Cu；X=Cl、Br、I）纳米线、Au-CdqX微纳米绒球、曙红-Cdq纳米颗粒、结晶紫-CdqI纳米颗粒、曙红-甲基紫包覆Au纳米颗粒、曙红-罗丹明B包覆Au纳米颗粒、聚亚甲蓝-Au纳米薄膜、亚甲基蓝-Au纳米棒、染料-Au-SiO2复合纳米微球、Au-MY（M=Cd、Zn、Pb；Y=S、Se）复合纳米薄膜、Au(Pd、Pd)-Ag2S(Ag2Se)-Pb3(PO4)2异质纳米结、染料/嵌入式Au纳米薄膜等纳米结构，使用各种技术对这些复合纳米材料进行了表征，阐明了其形成机理。采用电化学、光电化学、电化学-表面等离子体共振光谱、电致化学发光、电化学荧光、表面增强拉曼等方法研究了这些复合纳米材料的表面等离子体共振-激子的相互作用，揭示了表面等离子体对光致电子-空穴对分离转移机理。研究表明，Au等贵金属纳米微粒产生的表面等离子体共振对这些复合材料的光电化学性质、电致化学发光、拉曼散射等有显著的增强效应。研究了电化学对表面等离子体共振-激子相互作用的影响。根据Au纳米微粒的表面等离子体共振、有机染料或无机半导体光生激子以及表面等离子体共振-激子相互作用，利用电化学、光电化学、表面等离子体共振光谱、电致化学发光等技术，构建了酶、免疫传感器。此外，利用合成的新型染料-Au等复合纳米材料发展了葡萄糖、过氧化氢、金属离子、无机阴离子、甲醛、鸟嘌呤等分析检测新方法。