测量Au纳米颗粒粒度和浓度的光谱消光法研究

Special optical properties of gold nanoparticles make them have tremendous applications in many fields, including biology, medicine, chemistry, information, energy, and environment. Size and concentration are two important parameters of gold nanoparticles, which not only directly affects the optical properties of the particle, but also determines the properties and behavior of gold nanoparticles in the practical applications. Thus, the accurate measurement of size and concentration of gold nanoparticles is very important. In this project, firstly, the extinction properties of several common gold nanoparticles will be systematically investigated by using Mie scattering theory, T-matrix method, and discrete dipole approximation method with size-dependent dielectric function. Secondly, a reliable, stable and easy to implement inversion algorithm will be designed and used to obtain the particle size distribution and concentration accurately. Thirdly, particle size distribution and concentration inversion of gold nanoparticles will be simulated by small particle light scattering theory and inversion algorithm. Finally, the particle size distribution and concentration of gold nanoparticles will be reconstructed based on the measurement results of the extinction spectrum. This investigation will reveal the change rule of the extinction properties of gold nanoparticles, and provide a simple, fast, and low-cost method to measure size and concentration of gold nanoparticles.

基于独特的共振光学特性，Au纳米颗粒在生物、医学、化学、信息、能源、环境等众多领域得到广泛应用。粒度和浓度是Au纳米颗粒的两个重要参数，它们不仅直接影响到颗粒的光学性质，而且决定着颗粒在实际应用中的作用和行为。因此，Au纳米颗粒粒度和浓度的准确测量是至关重要的。本项目首先采用Mie散射理论、T矩阵及离散偶极子近似等小粒子光散射理论和尺寸关联的介电函数模型定量研究典型形状、不同尺寸及不同介质中的Au纳米颗粒的消光谱特性。其次，合理设计与选用准确获得颗粒粒度和浓度的可靠、稳定及容易实现的反演算法。再次，利用小粒子光散射理论和反演算法仿真分析粒度和浓度反演问题。最后，基于测量得到的Au纳米颗粒消光谱，重建粒度分布和浓度。本研究将揭示Au纳米颗粒消光特性的变化规律，为Au纳米颗粒粒度和浓度的准确测量提供一种简单、快速及低成本的新手段。

基于独特的光学特性，Au纳米颗粒在生物、医学、化学、信息、能源、环境等众多领域得到广泛应用。尺寸和浓度是Au纳米颗粒的两个重要参数，它们不仅直接影响到颗粒的光学性能，而且决定着纳米颗粒在实际应用中的性质和行为，因此，Au纳米颗粒尺寸和浓度的准确测量是至关重要的。本项目采用Mie散射理论、T矩阵方法、以及离散偶极子近似方法从理论上定量研究Au纳米颗粒的共振光学特性和折射率传感特性，优化Au纳米颗粒的尺寸参数。基于消光法原理，对Au纳米颗粒尺寸与浓度的反演问题进行系统的理论和实验研究。此研究为Au纳米颗粒在生物传感、光热治疗、以及生物成像中的高效应用提供理论指导，并为Au纳米颗粒尺寸和浓度的准确测量提供一种简单、快速及低成本的新思路。本项目主要研究内容和结果如下：.（1）针对Au纳米颗粒在光热治疗中的应用，对悬浮在生物组织中的三种典型非球形纳米颗粒的共振光吸收特性进行了定量的数值模拟研究，获得了具有最佳吸收特性的最优颗粒尺寸参数，并定量分析了入射光波长和生物组织折射率对优化结果的影响。.（2）针对Au纳米颗粒在生物成像中的应用，对悬浮在生物组织中的三种典型非球形纳米颗粒的共振后向散射特性进行了定量的数值模拟研究，获得了具有最佳后向散射特性的最优颗粒尺寸参数，并定量分析了入射光波长和生物组织折射率对优化结果的影响。.（3）针对Au纳米颗粒在生物传感中的应用，对悬浮在生物组织中的三种典型非球形纳米颗粒的折射率传感特性进行了定量的数值模拟研究，获得了具有最佳品质因子的最优颗粒尺寸参数。.（4）把消光谱法用于Au纳米颗粒尺寸和浓度的反演，为Au纳米颗粒尺寸和浓度的准确测量提供一种简单、快速及低成本的新方法和思路。