纳米间隙耦合增强表面等离子体共振扫描显微镜的研制及应用

Localized surface plasmon resonance (LSPR) occurs when the frequency of light photons matches the natural frequency of surface electrons oscillating against the restoring force of positive nuclei in metal nanoparticles or nanostructures. When the gap between nanoparticles or nanoparticle and nanostructure is several nanometers, in the case of exciting light with appropriate frequency and polarization state, the local electromagnetic field at the hot-spot can be enhanced to million times due to the effect of near-field coupling. LSPR intensity will be enhanced and extinction wavelength maximum shifts with the nano-gap, and presents a specific functional relationship. Conversely, this functional relationship can be used to determine the gap distance between nanoparticles or nanoparticle and nanostructure. Based on this innovative principle, we will develop a technique defined as Nano-gap Coupling Enhanced Surface Plasmon Resonance Scanning Microscopy with a Z-axis resolution of 10~1 nm, and investigate the surface and interfacial properties such as the electric double-layer structure, adsorption and desorption.

当入射光光子频率与金属纳米粒子或者金属纳米结构表面的表面电子震荡的自然频率匹配时即发生局域表面等离子体共振（LSPR）。在合适的激发光频率和偏振状态下，当金属纳米粒子之间或与金属纳米结构的间距达到数纳米时，由于近场耦合效应，"热点"处的局域电磁场的增强系数可高达数百万倍。当金属纳米粒子材料、尺寸和环境确定时，LSPR峰强度和波长位移与间距呈特定的函数关系。因此，本课题拟运用这种函数关系以测定纳米粒子或者纳米粒子与纳米结构之间的间距，研制基于这一原创思想的纳米间隙耦合增强表面等离子体共振扫描显微镜- - Z方向的空间分辨率达10~1 nm- - 并尝试用于研究双电层结构、吸脱附等表界面性质。

如何克服表面等离激元共振(LSPR)谱峰较宽、信号强度较弱的先天不足，发挥LSPR的高距离敏感性的优势，发展一种具有较高空间分辨率的LSPR显微传感技术，是本项目研究的重点和难点。我们从理论设计仿真和合成实验两方面同时着手，力图找到一批适合于不同环境下LSPR显微传感的纳米结构体系。通过大量实验和理论分析，在得到一些可用于LSPR显微传感的纳米核壳结构的同时，也提出了设计符合针尖增强近场光学显微的7个原则，为以后开发研制此类体系提供指导。我们设计并实践了2条实现LSPR暗场显微的技术路线，从粒子合成、针尖修饰制备到检测平台各个环节都进行了探索，为接下来进一步制备实用化仪器打下坚实的基础。同时，我们发展的LSPR暗场显微光纤探针技术，不仅可用于构建LSPR暗场显微仪，也可为基于光纤的扫描近场显光学微系统提供新的逼近反馈方式，不单可提高控制精度，而且还可以避免剪切力模式下探针与基底的摩擦带来的种种问题。