基于表面等离激元杂化的高灵敏度Raman光谱增强技术与应用

As an efficient measurement of molecular fingerprint identification, Raman spectroscopy is very important in medical testing at the molecular level. In order to solve the problems of complicated structure and low repeatability of traditional Raman spectral enhancement methods, we employ hybrid mechanism of surface plasmon polariton (SPP) and local surface plasmon (LSP) to improve the Raman enhancement factor and system's sensitivity, and to realize Raman enhancement and imaging of biological molecules and cells at fixed point. This project includes: (1) studying coupling mechanism of SPP and LSP of metal particles, establishing the related theory model; (2) studying the Raman enhancement technique based on the metal particles and metal probe's Gap structure, researching the high sensitive measurement and imaging of Raman spectral by employing the accurate control and locating ability of SPP optical tweezers to metal nanoparticles as well as the electromagnetic field's high local characteristics of the coupling mechanism; (3) studying the detection and imaging of Raman spectroscopy in biological molecular and cellular research through the established experimental platform. The project aims to establish a Raman enhanced platform based on the hybrid mechanism of SPP and LSP, realize the accuracy identification of biological molecules or cells, and provide basic judgments for early detection and treatment of the disease.

拉曼光谱技术作为一种分子指纹识别的有效手段，在分子水平的医学检测上有非常重要的应用价值。针对传统拉曼光谱增强方法结构复杂、可重复性差等缺点，本项目利用表面等离激元（SPP）与局域表面等离激元（LSP）杂化机制提高拉曼增强因子及系统灵敏度，实现对生物分子及细胞内部定点拉曼增强和拉曼成像。研究内容包括：（1）研究聚焦SPP与金属纳米颗粒LSP相互作用的杂化理论，建立相关理论模型；（2）研究基于金属颗粒及金属探针gap结构的拉曼增强技术，利用SPP光镊对金属纳米颗粒的精确操控能力以及杂化机制下电磁场的高度局域特点开展高灵敏度的定点拉曼光谱测量及成像工作；（3）利用建立的实验平台，开展生物分子和细胞水平的拉曼光谱检测与成像等方向的研究。本项目的最终目标，是建立起一套基于SPP和LSP杂化机制的拉曼增强技术平台，实现对目标生物分子或细胞器的精确识别，从而为疾病的早期诊疗提供判断依据。

本项目开展对于表面等离激元的激发和调控研究，并发展了基于表面等离激元的新型光镊技术、高分辨Raman光谱检测技术、宽场超分辨成像技术等多种应用。经过四年的研究工作，项目已顺利完成并达到预定目标，具体完成情况及取得成果包括：（1）基于SPP与金属颗粒相互耦合对电磁场的增强作用，建立了SPP 和LSP 杂化机制的理论模型。（2）利用表面等离激元与金属纳米结构耦合产生的高度局域电磁场，实现了对于金属纳米结构的精确操纵，完成了高灵敏度的定点拉曼光谱测量、细胞检测及超分辨宽场成像研究。（3）开展新型超高探测灵敏度生物传感器研究，实现了高空间分辨率细胞无标记折射率成像与靶向药物筛选研究。本项目的研究工作在国内外重要刊物上发表论文17篇，其中SCI收录的论文15篇，EI收录的论文2篇。相关研究成果发表在一系列国际高影响力期刊上，包括《Nano Letters》，《Nanoscale》，《Sensors and Actuators B: Chemical》，《Scientific Reports》等，培养13名研究生，包括博士毕业生6名，硕士毕业生7名，在读硕士生3名。本项目的研究成果对于发展具有我国自主知识产权的高端光学仪器、推动生物医学、癌症预防与早期诊断等领域的研究发展具有重要意义。