基于纳米双孔有序阵列的SPR-SERS效应及其在微囊藻毒素检测中的应用研究

In recent years, with the continuous development of nanotechnology, optoelectronics, and bioanalytical method, the studies on SPR and SERS-based biosensing have drawn extensive attention of scholars at home and abroad. But several problems still exist in molecules capturing, the action depth of surface plasmon wave expanding, etc. This project aims at high sensitivity detection of microcystins by using Ag/SiO2/Au composite film substrate etching with ordered double nanohole arrays, and coupled with Kretschmann prism structure. On theoretical aspect, to study the relation between structural parameters of the multilayer SERS substrate and SERS signal enhancement using finite-difference time-domain method and optical waveguide theory. The detailed studies include exploring the adsorbability of the SERS substrate and the adjusting rules of SPR effect when different size of the double hole array and thickness of the composite film are considered. On experimental aspect, to prepare high-enhanced SERS substrate using magnetron sputtering and focused ion beam method; to build high sensitivity sensing system detection platform to complete the confirmatory measurements and to achieve the 1 ng/mL detection limit. The implementation of the project is of great significance for the rapid, accurate, inexpensive and effective detection of microcystins.

近年来，随着纳米技术、光电子学以及生物分析方法的不断发展，结合SPR和SERS效应开展生物传感的研究引起了国内外学者的广泛关注，但在捕获生物分子、扩大表面等离子体波作用深度等方面仍存在问题。本项目提出一种刻蚀纳米双孔有序阵列的银/二氧化硅/金复合膜新型SERS基底，并结合棱镜耦合结构激励SPR效应，探寻基于SERS效应的高灵敏度微囊藻毒素检测方法。理论上将采用光波导理论和时域有限差分法，研究SERS基底的结构变化对SERS信号的调控性能，即在不同双孔阵列尺寸、复合膜层厚度条件下，探索新型SERS基底对目标分子吸附性和SPR效应的调节规律。实验上将采用磁控溅射和聚焦离子束法制备高增强SERS基底，并搭建针对微囊藻毒素的高灵敏度传感系统检测平台，完成验证性测量并实现检测限达到1 ng/mL。该项目的开展对实现微囊藻毒素快速准确且低廉有效的检测具有重要意义。

近年来，随着纳米技术、光电子学以及生物分析方法的不断发展，结合表面等离子体共振和表面增强拉曼光谱开展生物传感的研究引起了国内外学者的广泛关注，但在捕获生物分子、扩大表面等离子体波作用深度等方面仍存在问题。本项目提出一种刻蚀纳米双孔有序阵列的金/二氧化硅/金复合膜新型SERS基底，结合局域场增强效应，探寻基于SERS效应的高灵敏度生物分子检测方法。理论上采用时域有限差分法，分别深入研究了单纳米狭缝结构，单纳米双孔结构及周期性纳米双孔结构对光信号的调控性能，即在不同结构尺寸、膜层厚度条件下，各种基底结构对光场调控和SPR效应的调节规律。并计算了不同入射光波长对表面等离子体波的产生、传播和衰减的影响。并最终确认了基于周期性纳米双圆孔结构的SERS基底尺寸。实验上采用磁控溅射和聚焦离子束法制备了高增强SERS基底，并验证了其增强性能。主要研究内容包括：（1）从拟设计的周期性高增强SERS基底的单元结构出发，对单狭缝结构及单纳米双孔结构单元的光传输特性进行研究；（2）对纳米双孔阵列的周期常数、孔径大小及双孔中心缝宽等方面分析，获得能产生最强场增强因子的最优结构参数；（3）采用磁控溅射和聚焦离子束法制备出设计好的高性能SERS基底；（4）搭建基于SPR效应与SERS响应相结合的传感系统检测平台；（5）通过对常州西太湖水域进行湖水取样，测试了不同地点湖水中微囊藻毒素的拉曼特征峰，并分析了普通硅片基底与我们设计的SERS增强基底在拉曼信号上的强度差别。该研究的开展对实现生物分子快速准确且低廉有效的检测具有重要意义。