973项目申报书——20xxcb930700-基于表面等离子体共振的新纳米结构体系和传感器

973项目申报书——20xxcb930700-基于表面等离子体共振的新纳米结构体系和传感器内容摘要：

间的耦合效应可使粒子间光电场得到巨大增强的特点， 以各种纳间隙结构为主要研究体系， 利用拉曼光谱仪、荧光显微镜及针尖增强拉曼光谱仪系统对单个颗粒或单个纳米结构的表面增强拉曼效应进行研究， 发展SERS 表征新技术。 （ 1)发展以 下三种不同的以 硅材料表面为对象的表面增强拉曼光谱技术 ：（ a） 合成以金或银为核、不同厚度的硅等 介质为壳的核壳纳米粒子，利用纳米粒子产生的强电磁场（ SPR 效应）的长程作用，获得硅材料的表面拉曼光谱；（ b）直接将纳米粒子作用于硅基单晶和纳米结构表面，以诱导增强硅基底的表面拉曼信号；（ c）利用 STM 针尖与硅基底形成的纳米间隙和发挥具有高灵敏和空间分辨率的针尖增强拉曼光谱优势，以增强硅基表面的拉曼光谱信号。 11 （ 2） 对 处于两个纳米电极（或纳米粒子）间隔内的目标分子（分子结）的结构和行为的研究，拟采用和发展以下三种新研究方法：（ 1）利用机械可控断裂结技术构建具有分子尺度的金属间隔 (如 Ag, Au, Pd、 Pt 等 )；（ 2）针尖增强技术中 SPM 的 Ag 或 Au 针尖与样品之间形成纳米间隔；（ 3）将纳米粒子有序组装在具有热伸缩性或机械弹性的高分子材料基底上，通过改变温度和拉伸力量，以调制粒子间距，获得大量的纳米间隔体系。 （ 3) 利用 纳 米间隔体系 和金属 /分子 /金属结并借助 SERS 理论， 优化构成纳间隙的纳米电极、 (核壳 )纳米粒子或纳米针尖的形状以及核壳的相对厚度， 利用激光的波长改变和纳间隙中的表面等离子体性质，研究 纳间隙中激光、分子、纳米结构的复杂相互作用机制。 利用 SERS 分子指纹识别的特点，研究 SERS 谱峰的频率和强度变化与 金属表面的物理和化学性质的关系，从而探索 SERS 光谱与表面吸附分子及表面微结构密切相关的物理化学规律，为设计发展表面增强拉曼 光谱 传感器提供实验和理论基础。 （ 4)利用和发展适合 SERS 的时域有限差分理论方法， 发展贵金属和过渡金属与光相互作用的模拟方法，可靠地确定 SERS 中的物理增强效应。 基于 第一性原理 探讨 表面活性中心与分子成键作用、金属活性中心激发态或金属分子复合激发态与表面化学结构性能的关系对 SERS 光谱的影响。 针对 SERS 增强效应探讨分子、金属和激光三者的相互作用机制， 建立表面等离子体与吸附分子之间能量 和电荷转移机制的理论模型， 探索发展综合物理增强和化学增强机理的统一 SERS理论。 新纳米结构体系的表面增强荧光研究 （ 1)以玻璃或石英玻璃为基底，合成金、银或金银合金粒子。 通过使用扫描近场光学显微镜，可以找出最大电磁场增强的区域，再通过化学修饰让荧光团标记的大分子吸附在这些区域的附近从而得到最大荧光增强。 单个粒子或两个粒子间的荧光增强可通过采用荧光显微镜或扫描近场光学显微镜来探测。 通过改变入射光的偏振方向、波长及荧光分子与粒子间的距离来研究荧光增强效应。 （ 2)利用电子束刻蚀技术加工出具有周期性、重 复性、有序性的金 /银纳米 12 结构。 将其 做到不导电的 玻璃基底上。 另外， 利用纳米压印技术我们可以大量复制出我们所需要的新型纳米结构。 通过改变入 射光的偏振方向和波长、纳米结构的形状、大小、高度及荧光分子与纳米结构 间的 距离 ，采用显微共焦拉曼光谱仪和扫描近场光学显微镜来研究荧光增强效应。 （ 3)将标记着供体和受体的生物分子通过化学修饰吸附在金属纳米颗粒或金属纳米结构上。 利用时间分辨荧光谱仪来记录供体和受体的荧光变化， 通过调控金属纳米颗粒 /结构的大小、形状、间隙和材料来增加 荧光共振能量转移的距离和提高其效率，从而在生物检测 技术中得到更广泛的应用。 3. 表面等离子体共振传感器 和表面增强光谱传感器 的研究 动态可控的超高灵敏度表面等离子体共振传感器 通过对三维、具有复杂形貌的、高密度、高周期性的金属纳米结构与金属薄膜表面的相互作用机理的深入研究，利用多种调控手段，解决目前表面等离子体共振（ SPR）传感技术中灵敏度与检测范围、灵敏度与可检测性之间的矛盾，实现新型 SPR 器件综合性能的显著提升。 （ 1) 对 新的 SPR 机理的理论研究拟从 金属 纳米结构本身的 SPR 效应、 金属纳米结构修饰的 SPR 效应和器件应用特性三个层次出发。 利用数值计算方法，对特定纳米结构进行数值模拟计算和参数优化，实现对于 SPR 器件修饰所需的复杂纳米结构的目的性设计。 采用半经典电动力学理论 ，对纳米颗粒 的局域表面等离子体共振 （ LSPR） 特性 进行研究；采用 波导理论对表面等离子体波 在金属薄膜上的传导特性进行分析。 采用三维全矢量有限元法及有限时域差分法等数值方法对复杂系统进行研究。 在器件性能分析与设计方面，根据传感器系统理论，针对不同纳米结构的 SPR 响应变化，获得灵敏度与可检测性的优化特性。 实验 上 ，通过实验与应用研究平台， 将吸收谱、散射谱的测量等传统的 LSPR检测 方法与角度、强度、光谱扫描等传统的 SPR 检测方式相结合，同时引入 AFM、STM 等近场检测技术，分别对单个颗粒、周期性排列的颗粒等与界面耦合的 SPR效应进行检测， 研究新型表面金属纳米结构的 SPR 工作机理与调控效果。 （ 2) 探索 新型可调控的多层纳米结构 SPR 芯片技术。 拟采用波导耦合 SPR、 13 长程 SPR 等模式，利用波导技术和具有特殊性质的新型材料如非线性材料等相结合，实现以电光方式对表面纳米结构中的连续表面等离子体波的调控。 采用新型复合材料对纳米结构的表面环境、损耗特性进行调控，以达到对整体 SPR 传感器响应的调控。 与纳米表面处理技术相结合，采用基片弯曲、压电材料和加温等手段，利用应力、压电效应、热膨胀等效应探索通过对纳米结构间距、纳米颗粒特性的改变，实现对 LSPR 的改变，进而调控纳米结构体系的 SPR 响应。 在多层芯片基底的制备方面，根据不同材质，对金属层可采用各种薄膜制备方法如真空蒸镀、真空溅射、 CVD 等，对介质层拟采用甩膜等工艺进行加工。 在关键的表面纳米修饰技术方面，拟探索两条路线：第一、采取“从 上到下”的研究方法，利用先进的微加工技术制备所需的金属纳米结构 ；第二、采取“从下到上”的研究方法，通过自组装、外场驱动 等方法制备所需的纳米结构。 （ 3) 在 基于新机理的 SPR 传感系统与应用 的 研究 方面， 通过控制电压来调控新型 SPR 传感器的响应，实现被检测物的等效介电常数与电压之间的转换。 采用固定角度、波长等激发条件，引入电压等控制条件，实现对被检测物的 SPR信号的电压扫描检测。 利用多层纳米结构在同一探测点可以同时激发多个模式的特性，通过对多模式的同时检测，将能更好地分辨探测物与背景，得到更为准确的检测结果。 通过对器件表面纳米结构的调控，改变 SPR 相应的场分布，实现对超低浓度、超小分子或超大生物体等不同类型被检测物的生化检测。 在检测系统集成方面，拟采用波导和光纤等光学器件探索小型化传感系统的实现方式。 结合微流体技术进行多通道、高阵列的生化检测研究。 构建新型的表面增强光谱传感器。 （ 1) 利用在硅基纳米间隔体系得到的分子信息并借助表面增强拉曼散射和表面增强荧光的理论，有目的地制造“增强热点”，最大程度地优化和提高表面增强光谱技术的灵敏度。 利用远场、近场和暗场等光学技术，对新型基底的光学性质实现多参数多指标实时检测和表征，探索和揭示分子和表面微观作用和反应机制，从而建立表面增强光谱与表面吸附样品及表面微结构密切相关的物理化 学规律，为设计发展表面增强光谱传感器提供理论基础。 14 （ 2)以金属纳米光栅为基础的纳流沟道的模板可通过电子束刻蚀 和纳米压印技术 获得。 样品溶液可通过以下几种驱动力流过纳流沟道，即电泳力、毛细作用力、重力或使用 微量注射泵。 纳流沟道的使用显著地增强了单分子检测 的灵敏度。 而以金属纳米光栅为基础的纳流沟道与衰减全反射的 SPR 模式的结合不仅可以同时完成拉曼 /荧光增强和 SPR 传感的检测，还使得发射光的方向具有导向性和小张角的集中性，从而可以同时检测探针分子不同波长的信号光。 结合以上研究发展起来的技术（金属纳米光栅的结构也可以用可控自组装纳间隙金属 纳米 结构代替），可发展出各种基于表面等离子体共振的高灵敏和高特异性的多功能传感器。 可行性分析 我们在表面等离子体光子学和表面增强光谱领域已经具有一定的基础并在国际上有一定的地位，具有优秀的研究力量和实验条件。 只要加强合作，优 势互补，联合攻关，这一项目的研究拥有取得创新性突破的机遇和基础。 可行性分析。