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基于贵金属纳米颗粒LSPR传感器折射率敏感特性的研究

黄明丽  
【摘要】:基于贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体(Localized surface Plasmon resonance,LSPR)传感技术是一种先进的且无需标记的传感技术,这主要归功于贵金属纳米颗粒LSPR对其周围和局域介质环境折射率(Refractive index,RI)的超灵敏特性。LSPR的这种敏感特性与贵金属纳米颗粒的形状、尺寸、组成成分等密切相关。将LSPR的这种折射率敏感特性有效的应用于生物、医药和化学分子的探测一直是人们关注的焦点之一,而研究贵金属纳米颗粒LSPR的折射率敏感响应是线性还是非线性关系,则是实际生活中人们解决技术问题的关键所在。为此,本文利用以Mie理论为基础的MiePlot仿真软件和离散偶极子近似(Discrete dipole approximation,DDA)模拟仿真软件计算了在不同周围RI情况下的纳米颗粒球、盘、圆柱、立方柱、椭圆柱子、三角柱子、菱形柱子的消光、吸收、和散射光谱,读出其对应的偶极LSPR的峰值,研究并分析其共振峰波长与折射率的关系特性。本文的主要研究内容和研究结果如下:1)用MiePlot软件模拟计算出不同半径的Au/Ag/Cu纳米球在不同RI条件下的光谱图,发现其对应的偶极LSPR峰值波长随着RI出现明显的非线性红移现象,而相应的传感系数和RI则呈现线性关系,并基于瑞利近似下的偶极共振条件对这样的非线性和线性关系进行了理论解释,并讨论了其偶极LSPR峰值波长对其局域环境介质折射率的响应;2)用DDA仿真模拟软件计算了高度保持12nm不变,半径分别为8nm、10nm、15nm、20nm、25nm与30nm的Au/Ag纳米盘的散射、吸收与消光光谱,发现纳米盘的纵横比对Au/Ag纳米盘的折射率二次非线性敏感特性并没有影响,并且探究了纵横比对Au/Ag纳米盘的共振峰值波长和传感系数的二次非线性关系。相应的物理机理用基于瑞利近似下的偶极共振条件进行了解释。3)用DDA仿真模拟软件计算了等高、等底面积的圆柱、椭圆柱、菱形柱、三角柱、与立方柱的Au/Ag纳米颗粒的散射、吸收与消光光谱,研究了他们的共振峰波长对折射率的二次响应关系,讨论了其形状因子相应响应的影响。上述研究内容和所得研究结果表明,基于单个贵金属纳米颗粒的传感器的RI传感特性是二次的,与纳米颗粒的形状无关。相应的研究有着重要的基础物理意义,并能为未来基于相应贵金属纳米结构的LSPR传感器件的设计起到数据指导作用。


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