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表面等离子体光子学是研究光和金属表面自由电子耦合所引起金属表面电荷密度振荡的性质及其应用的一门学科。随着现代纳米加工技术的发展以及各种在可见光波长尺度下的金属纳米结构的出现,为表面等离子体光子学注入了新的活力。基于金属纳米结构表面等离子体性质的应用非常广泛,如表面增强拉曼散射,突破衍射极限的光传导,生物环境传感器,高灵敏生化信号探测以及基于金属纳米颗粒选择性增强热效应的癌症治疗等等。
金属纳米结构的制备是表面等离子体光子学发展的必要技术。不同尺寸和形貌的金属纳米结构所对应的表面等离子体光子学特性各不相同,其应用范围也有很大的区别。由此可见,对金属纳米结构的尺寸和形貌的控制是表面等离子体光子学的重要研究对象。而在一维纳米结构上突破衍射极限的光传导也是该领域的研究热点。此外,在其基础上的远程表面增强拉曼散射探测技术在解决单个活体细胞等特殊样品的信号探测方面亦有着巨大的优势。
本论文首先在前三章介绍了表面等离子体光子学的背景知识,引入表面等离子体这一概念并解释了表面增强拉曼散射等现象。第四章着重阐述了金银纳米结构的制备即通过反应条件实现对尺寸和形貌的控制,从而得到不同的表面等离子体共振材料,为进一步的研究打下基础。第五章主要介绍了在金银一维纳米结构上的远程表面增强拉曼散射探测这一技术,并将该技术结合显微注射的方法在单个活体细胞信号探测领域进行探索。最后,第六章总结和展望了本论文中的工作。
本论文的主要研究成果有:(1)以十六烷基三甲基溴化胺(CTAB)作为阳离子吸附剂,成功实现了金离子在高温水溶液里的还原。我们通过改变CTAB在溶液中浓度,得到不同尺寸和形貌的金纳米结构,实现了对其等离子体共振频率的调控,同时对其还原机制进行了讨论。(2)利用超声振荡还原的方法,进一步完善了金纳米结构的制备工艺,极大的提高了金一维纳米结构的产率,得到了具有良好晶向结构的金纳米线。(3)将远程表面增强拉曼散射探测这一技术从银的纳米线和纳米颗粒体系拓展到单根金纳米线上,简化了探测结构。并且,我们通过结合显微注射的方法将该技术应用在单个活体细胞信息探测领域,取得了初步的结果。
总之,本论文阐明了表面等离子体光子学中的基本概念和物理机制,深入研究了金银纳米结构制备和调控,并将远程表面增强拉曼散射探测技术应用在生物信号探测领域。