多极子耦合纳米等离子体场增强新方法及单分子拉曼检测研究

Capability for detecting single molecule is of great interest to understand how the molecule communicate in cell because the molecules communicate through the binding strength of the protein; the binding site and its strength of the proteins are determined by the residue of the protein amino acids, which consists of the groups among atoms of C, O, H, N, S and P, and can be identified with their specific Raman spectral. This project is aimed at detection of single molecule level of Raman signature, enabled by the design breakthrough of the high order nanoplasmonic resonant modes. The great suppression of radiation, absorption and scattering loss of the mode make the localized plasmonic field enhancement factor up to 1000，Raman enhancement factor up to 10e12. The micro, nanoengineering for mode matching between the free space illumination to nanoplasmoinc localized field enhances the energy efficiency, making the nanoplasmonic resonator practical for single molecule Raman spectroscope. The proposed nanoplasmonic resonator can be realized via the proposed advanced nanofabrication, including down to 1nm accuracy of nanogap manufacturing and precise alignment of nanophotonic device and nanoplasmonic resonator. The detection ability of the low concentration down to single molecule Raman signatures will be performed with examples of 20 amino acids. The success demonstration of the project will pave the road for molecule detection of cell metabolite for cancer biomarker discovery and detection. The ability of highly confinement of the local field combined with the super field strength also shows the promising of the protein sequencing with the nanoplasmonics, which will bring the revolutionary solution to the future biological research and clinical practices.

单分子探测对了解细胞中分子间的信息传递具有极为重要的意义。细胞中分子之间的联系是通过蛋白质的相互作用来完成的，而蛋白质相互作用的位置、强度均依赖于组成蛋白质的氨基酸种类的侧链，其可通过拉曼谱线分辨。本项目旨在通过理论计算、设计高阶多极子等离子体共振态以抑制等离子体本身的吸收、辐射及散射，实现局域光场的电场极大提高，场增强因子达1000以上，拉曼 增强因子达10e12以上。采用光子晶体等耦合结构实现自由空间照明模式到纳米等离子体局域模式的有效转化，提高光能利用率，使得纳米等离子体单分子探测在实际应用中成为可能。本项目将以20种氨基酸的探测为例开展单分子探测验证实验。单分子拉曼光谱的成果可直接应用于细胞代谢物的探测，可为癌症早期诊断提供更有效的探测手段。本项目的研究也可望用于蛋白质的氨基酸测序，这将为生物医学及临床检查提供前所未有的强有力工具。

本项目本着研究等离子局域场增强的新方法及新技术开发为宗旨。在初期，首先从理论上证明本项目提出的‘多极子耦合纳米结构’产生极高局域电场的可能性。接着采用严格电磁场模拟证明多谐振耦合能够产生极高局域场。为了利用多偶极子耦合产生高级次共振以诱发高强度局域场，通过纳米月牙形金属谐振结构所产生光场中电、磁分量的强烈耦合，形成只有磁偶极共振的磁分子，产生多重共振。已经设计达到局域光斑尺寸小至1纳米，局域电场增强因子大于500结构，证明本项目的主体思想的正确性。虽然，电子束、离子束制作所设计月牙谐振结构是验证本项目的直接验证，但巨大的制作成本也将会使本研究归为大多数研究的最终结果，即发表文章后，束之高阁！无法用于实际研究或商用化转化。.以转化为目标，从低成本、高产出的角度入手，以CMOS（Complementary metal–oxide–semiconductor） 大规模集成电路的制作方法为依据，从本项目提出的多级谐振耦合的原理出发，研发大面积、高增益拉曼芯片。经过一系列的设计、尝试，依据传播型表面等离子体、局域等离子体共振的耦合机制，研发出成低成本、高增益拉曼芯片。初步估计，芯片的局域场增强高达80-90，拉曼检测可探测到10e-15 M 的浓度。正在同电子科技大学合作，应用液体打印，进行单分子的测试；以检验我们的拉曼芯片是否能达到我们在项目所承诺的单分子检测灵敏度。所研制的拉曼芯片的技术已经申请了发明专利。由于涉及到专利技术，有关研究还没有发表。我们只发表的此芯片衍生的等离子体检测与拉曼检测同时应用的事例。目前市场上能买到的拉曼芯片为三家（厂家均为国外），其增强倍数差我们的芯片一个数量级，价格是我们的几倍。因此，我们的芯片完全可以占领增益拉曼芯片这一领域。.本项目中发表文章 14 篇，申请专利4项（已经授权一项）。完成项目书所预定的研究目标：明确了多谐振耦合产生局域场增强的物理原理；研发实现大面积、高增益拉曼芯片。 实验拉曼增强系数10e8，实现浓度检测达10e-15；基本达到单分子检测水平。培养一个博士，两个硕士。