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有序金纳米棒阵列的超分辨成像

光学仪器 2023年第1期45卷 52-59页

作者：张喜豪张启明上海理工大学光子芯片研究院上海200093 上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

显微成像技术受限于光学成像系统的衍射极限,无法分辨亚波长尺度的结构。通过饱和散射抑制成像技术已经实现了单个纳米颗粒的超分辨成像,但是涉及到纳米颗粒集合,需要考虑纳米颗粒间的耦合作用。利用超越衍射极限的双光束方法,可以在有... 详细信息

显微成像技术受限于光学成像系统的衍射极限,无法分辨亚波长尺度的结构。通过饱和散射抑制成像技术已经实现了单个纳米颗粒的超分辨成像,但是涉及到纳米颗粒集合,需要考虑纳米颗粒间的耦合作用。利用超越衍射极限的双光束方法,可以在有序金纳米棒阵列上实现远场超分辨光学成像。本文设计了纳米棒长径比为2的5×5金纳米棒阵列,通过矢量光场理论和热扩散理论计算了金纳米棒阵列在连续波激光下的热分布,并模拟了双光束激光即脉冲激发光和连续波抑制光下的散射成像。仿真结果显示,连续波激光能够有效抑制金纳米棒阵列对脉冲激光的散射,双光束方法实现了80 nm横向特征尺寸的超分辨成像。

关键词：金纳米棒阵列温度非线性超分辨成像

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环境中汞离子的光谱检测和去除

环境中汞离子的光谱检测和去除

作者：赵蕾临沂大学

学位级别：硕士

汞作为最具有毒性的重金属离子之一。随着人类生活生产不断的排放到环境中去,对人类的生活环境和身体健康产生极大危害。目前已研发出许多对汞离子进行检测和去除的平台。但由于环境中成分的复杂性和多样性,这些方法的检测结果和效率并... 详细信息

汞作为最具有毒性的重金属离子之一。随着人类生活生产不断的排放到环境中去,对人类的生活环境和身体健康产生极大危害。目前已研发出许多对汞离子进行检测和去除的平台。但由于环境中成分的复杂性和多样性,这些方法的检测结果和效率并不乐观。因此,开发同时检测和去除汞的多功能平台仍是环境污染治理领域的一大挑战。针对以上问题,本文通过设计了SERS传感器和多功能化的聚苯乙烯颗粒分别实现了对汞离子和甲基汞的检测,汞离子的检测和高效去除,主要内容如下:(1)本章设计了一种表面修饰4-巯基苯硼酸(4-MPBA)金纳米棒阵列SERS传感器。该传感器对于汞离子和甲基汞的检测方面表现良好。金纳米棒(Au NRs)由于其表面等离子体共振(SPR)的独特特性,具有显著的吸收和散射光的能力,排列紧密且均匀的阵列,可极大的增强拉曼信号。4-MPBA作为拉曼分子不仅可以提供特异性信号,而且由于其结构特性还能够捕获汞离子和甲基汞发生拉曼信号的变化,实现由离子浓度到SERS信号的转换。在优化的实验条件下,传感器对汞离子的检测在100 n M～100μM范围内获得了良好的线性关系,检测限可达75.83 n M。对甲基汞的检测在1μM～40μM范围内具有良好的线性关系,并获得了74.75 n M的检出限。该传感器不受环境的干扰,在真实水样的检测中表现极好。同时该传感器的重现性极高,这可为其他的SERS传感器的设计提供新思路。(2)本章节通过简单的一步反应,构建了由L-半胱氨酸功能化的具有特殊荧光散射效应的新型聚苯乙烯微球。该多功能平台在汞离子去除和检测方面表现优越。聚苯乙烯-L-半胱氨酸(PS-LCYS)具有大量的活性位点(-SH/-NH/-OH),这些位点可以与Hg配合形成新的配合物(PS-LCYS-Hg),以达到去除的目的。加入Hg后,二阶散射的增强,表明PS-LCYS可用于检测Hg。与预期的那样,该策略在50-1700μM的大范围内实现了85 n M的低检出限。同时,靶诱导聚集使PS-LCYS能有效包埋Hg,十分钟的时间里对92.69%-94.32%的汞离子有良好的吸收。PS-LCYS的最大Hg吸收能力估计为1314mg/g。此外,该平台可以通过EDTA处理后再生重复使用,7次循环后去除率达到88.54%。该方法开发了一个在环境监测和改善中同时检测和去除重金属污染的多功能平台。

关键词：金纳米棒阵列 SERS传感器多功能聚苯乙烯自组装重复利用

环状及棒状贵金属纳米结构的表面等离激元共振及荧光增强效应研究

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环状及棒状贵金属纳米结构的表面等离激元共振及荧光增强效应研究

作者：张明娣陕西师范大学

学位级别：硕士

金属中的自由电子在入射光的激发下会形成以正电荷为背景的集体振荡,这种振荡被称为表面等离激元共振,而这种共振通常被限定在金属表面很小的一部分区域内,因此又被称为局域表面等离激元共振。对于孤立的纳米颗粒,其共振峰的位置依赖于... 详细信息

金属中的自由电子在入射光的激发下会形成以正电荷为背景的集体振荡,这种振荡被称为表面等离激元共振,而这种共振通常被限定在金属表面很小的一部分区域内,因此又被称为局域表面等离激元共振。对于孤立的纳米颗粒,其共振峰的位置依赖于纳米颗粒的形状、尺寸、对称性、激发光的入射和偏振方向等因素。当两个纳米颗粒彼此靠近时,各自的共振模式会相互杂化,并在排列方式、间距等因素的影响下出现不同的杂化谱线。其中法诺线型是超辐射模式与亚辐射模式相互干涉产生的一种特殊谱线。同时,两个纳米颗粒的表面等离激元相互耦合会在纳米颗粒的间隙处产生极强的局域场,当荧光物种处于该区域附近时会实现荧光物种激发效率的大幅度增强。这种基于金属纳米结构表面等离激元的表面增强荧光光谱技术已经被广泛应用于生物检测,成像等领域。考虑到电子束刻蚀等微纳加工技术日渐成熟,制备复杂可控的金属纳米结构多聚体成为可能。本文设计了两种金属纳米结构,利用comsol软件仿真模拟了这两种金属纳米结构的等离激元共振谱线以及电磁场增强特点,为实验制备和后期的应用做了初步探索。同时,考虑到金属纳米结构膜优异的荧光增强效应以及其在传感等方面的应用,本文还制备了两种金纳米棒膜作为衬底,并利用该衬底上纳米棒耦合产生的增强的局域场实现了对Rh6G探针分子的荧光增强。本文的主要工作如下:1、探究了多环纳米结构的表面等离激元共振特性。我们设计了一种由三个大小不一的纳米圆环组成的结构,研究了在改变其中两个较小纳米环的大小和位置时该结构的等离激元共振特性,分析了处于不同的共振波长处的电荷分布和电场分布情况。研究结果表明,该结构可以产生超高阶表面等离激元共振模式,改变内部两个小环的尺寸可以抑制或增强某些特定的模式,可用于避免光谱测量中的相互干扰。通过调节其中一个环的大小和位置,某些被抑制的模式会重新出现,且同一级次的共振模式出现多种共振方式。2、探究了双层不对称偏心盘环结构的表面等离激元共振特性。研究了下层盘环不动,只旋转上层盘环对结构的表面等离激元共振特性的影响。研究结果表明,该结构可产生可调的法诺共振,并且将暗偶极-偶极模式和暗四极-四极模式调到长波长处,拓宽了暗模所在的波长范围,同时该结构还具有较大的折射率敏感度和品质因子,因此在传感方面也有潜在的应用。3、利用种子生长法制备了金纳米棒胶体,通过一种创新的自组装方法组装得到了二维分布的不同分布密度的金纳米棒,并在该衬底上实现了对Rh6G分子的荧光增强。研究表明,金纳米棒密度越大对分子的荧光增强效果越好,在该实验中金纳米棒周围增强的局域电磁场对荧光增强效果起到了至关重要的作用。4、利用同样的方法制备金纳米棒胶体,通过控制蒸发条件组装得到了一种金纳米棒阵列,探究了该阵列对Rh6G分子的荧光增强效应对激发光偏振性质的依赖关系。研究表明,增强效应强烈依赖于激发光相对阵列取向的偏振方向。在500 nm激发光下,当激发光偏振方向与棒的短轴一致时增强效果最好,随激发光偏振方向偏离短轴方向增强效果逐渐减弱。其中纳米棒的各向异性,激发光的偏振方向,相邻纳米棒之间的耦合效应都起到了至关重要的作用。

关键词：表面等离激元法诺共振表面增强荧光金纳米棒阵列

贵金属纳米棒的表面等离激元增强非线性光谱研究

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贵金属纳米棒的表面等离激元增强非线性光谱研究

作者：王宇阳陕西师范大学

学位级别：硕士

贵金属纳米结构在外光场作用下会产生表面等离激元共振效应,其产生的局域电磁场增强可以有效地增强荧光辐射和拉曼散射等光学信号,被广泛应用于化学传感、生物成像、高灵敏检测等领域。近年来,研究者们成功制备出了各种增强衬底,新型纳... 详细信息

贵金属纳米结构在外光场作用下会产生表面等离激元共振效应,其产生的局域电磁场增强可以有效地增强荧光辐射和拉曼散射等光学信号,被广泛应用于化学传感、生物成像、高灵敏检测等领域。近年来,研究者们成功制备出了各种增强衬底,新型纳米结构的设计与合成已成为了现如今研究的热点。研究发现,由于纳米棒独特的形状,它所产生的表面等离激元具有各向异性,因此常被用作于荧光辐射和拉曼散射的增强衬底,并且衍生出了各种复合结构以进一步得到高灵敏的光学信号。本文设计了三种纳米棒结构,以增强非线性信号为主要研究目的,合理地选择了结构的几何参数和激发方式,同时采用实验和模拟相结合的方式对增强双光子相干反斯托克斯拉曼散射（TPCARS）和上转换荧光辐射效应进行了系统的研究。主要工作如下:（1）研究了金银核壳纳米棒的多个表面等离激元共振（MSPR）对非线性光学信号的增强特性。结果表明:金银核壳纳米棒在800 nm和400 nm处显示出很强的MSPR峰,可以分别增强基频和倍频的非线性光学信号。利用有限元法对其进行理论计算发现,金银核壳纳米棒的MSPR可以显著增强双光子激发荧光（TPEF）和TPCARS信号,分别达到了 104和1016的数量级。这为提高非线性光学成像的分辨率提供了新的理论支持。（2）设计了由两个银纳米棒组成的等离激元二聚体结构,并研究了其对TPCARS信号的增强效应。结果表明:合理地选择和设计结构参数,可以获得在1020 nm和505 nm处强的MSPR峰,这可以基于基频和倍频的频率匹配来增强TPCARS信号。通过改变入射光角度、双棒间夹角以及空间旋转角,计算得到了对于TPCARS高达3.66×1028的增强因子,并伴随有显著的电场增强。此外,通过改变银纳米双棒的长径比和距离,可以在不同的光学频率下调控双光子过程。（3）利用液滴蒸发的自组装方式制备了水平排列的金纳米棒阵列,研究了阵列对表面NaYF4:Yb3+/Er3+稀土纳米颗粒的增强效应。结果表明:Al2O3隔离层的引入没有提升增强效果反而使其减弱,其原因是金纳米棒表面的表面活性剂（CTAB）充当了一定厚度的隔离层阻止了一部分淬灭效应。因此,在没有隔离层的情况下,阵列对稀土纳米颗粒发光的增强效果最好,增强倍数达140倍。此外,水平排列的金纳米棒阵列还体现出了良好的偏振特性。随着入射光偏振角度逐渐增大,荧光辐射强度逐渐减弱,并且通过模拟电场分布对其进行了解释分析。该研究有望在生物和化学的高灵敏检测领域拥有潜在的应用。

关键词：表面等离激元 TPCARS 自组装金纳米棒阵列表面增强荧光

基于SERS和混合自建模算法的水果表面多种农残快速检测研究

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基于SERS和混合自建模算法的水果表面多种农残快速检测研究