聚焦光場(chǎng)作用下銀納米顆粒表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)的研究.pdf

1、金屬納米結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)區(qū)波段具有很強(qiáng)的表面等離子體共振效應(yīng),可以極大地增強(qiáng)顆粒附近局域電場(chǎng),這一性質(zhì)使得金屬納米結(jié)構(gòu)在納米光子學(xué)、凝聚態(tài)物理、光電子器件、生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。
　　 金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振性質(zhì)是表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)中的關(guān)鍵因素,表面等離子體共振性質(zhì)不僅可以通過(guò)金屬納米顆粒的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié),也可以通過(guò)聚焦光束性質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。因此,通過(guò)調(diào)整聚焦光束性質(zhì)調(diào)節(jié)和操控表面等離子體共振在

2、納米光子學(xué)領(lǐng)域具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái),緊聚焦光束與金屬納米顆粒相互作用特性研究表明其可以在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、超分辨成像、光操縱、光熱療法等領(lǐng)域得到應(yīng)用。聚焦光束空間場(chǎng)分布、偏振狀態(tài)、相位變化等參數(shù)均不同于平面入射波,因此聚焦光束與金屬納米顆粒相互作用能夠產(chǎn)生不同于平面波激發(fā)的表面等離子體共振模式,包括強(qiáng)度、分布、偏振等?？墒悄壳袄碚撚?jì)算大多數(shù)情況下依然采用平面波入射的情形,無(wú)法準(zhǔn)確描述和預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。本論文在實(shí)驗(yàn)上用聚焦光束激勵(lì)銀納米

3、顆粒,通過(guò)改變光束條件、顆粒在焦區(qū)內(nèi)的位置、顆粒形貌等因素研究了吸附在銀顆粒表面的熒光團(tuán)分子的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)。基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,理論計(jì)算了不同狀態(tài)的聚焦光場(chǎng)與金屬納米顆粒的相互作用特性,其中主要分析了銀納米顆粒的電磁場(chǎng)增強(qiáng)對(duì)表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)的影響。
　　 本論文研究的主要內(nèi)容如下:
　　 1.用化學(xué)法合成并制備了球形和花形兩種不同形貌的銀納米顆粒溶膠及基底,并從實(shí)驗(yàn)和理論上研究了它們的基本光學(xué)性質(zhì)。
　　 2.通過(guò)

4、實(shí)驗(yàn)研究了沉積于銀納米顆粒表面的二氫卟吩f甲醚(2-devinyl-2-(1-me-thoxylethyl)chlorin f(CPD4))分子在不同聚焦光束激發(fā)下不同銀納米顆粒產(chǎn)生的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng);高數(shù)值孔徑激發(fā)下顆粒在焦區(qū)內(nèi)不同縱軸位置時(shí)的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng);高數(shù)值孔徑激發(fā)下,顆粒間距不斷減小引起“熱點(diǎn)”效應(yīng)對(duì)表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)的貢獻(xiàn)。
　　 3.獲得了在800 nm飛秒脈沖激發(fā)下,花形銀納米顆粒表面增強(qiáng)雙光子熒光光譜,探討了

5、熒光強(qiáng)度與入射光功率的關(guān)系。并利用花形銀納米顆粒將單、雙光子激發(fā)的表面增強(qiáng)熒光應(yīng)用于CPD4分子標(biāo)記小牛血清白蛋白(Bovine SerumAlbumin,BSA)分子,獲得了標(biāo)記蛋白分子的表面增強(qiáng)熒光光譜。
　　 4.將聚焦光場(chǎng)理論引入散射場(chǎng)有限時(shí)域差分法,構(gòu)建了聚焦光場(chǎng)和金屬納米顆粒相互作用的理論計(jì)算方法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果,從理論上研究了不同數(shù)值孔徑聚焦下球形和花形銀納米顆粒表面電磁場(chǎng)特性:高數(shù)值孔徑聚焦下納米顆粒位于焦點(diǎn)區(qū)域內(nèi)

6、不同位置時(shí)表面電磁場(chǎng)特性:高數(shù)值孔徑聚焦下不同顆粒間距引起的電磁場(chǎng)變化規(guī)律等。在此基礎(chǔ)上,將徑向偏振聚焦光場(chǎng)引入散射場(chǎng)有限時(shí)域差分法,并理論計(jì)算了徑向偏振聚焦光束照射不同形狀銀納米顆粒的局域電磁場(chǎng)特性。
　　 本論文取得的主要結(jié)論與成果如下:
　　 1.合成的球形銀納米顆粒粒徑不超過(guò)100nm,尺寸在80-100 nm范圍分布最廣;合成的花形銀納米顆粒粒徑在700-750 nm范圍內(nèi),表面不規(guī)則突起和溝壑在幾十到兩百納米

7、尺度不等。銀納米顆粒形狀、顆粒分布密度、表面粗糙度等因素是影響其遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)性質(zhì)的主要原因。
　　 2.球形銀納米顆粒在不同數(shù)值孔徑聚焦的光束中引起的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)幾乎一致,增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)35倍,這歸因于顆粒尺寸遠(yuǎn)小于激發(fā)波長(zhǎng),顆粒在焦點(diǎn)中心可以認(rèn)為是靜電近似的,不依賴(lài)于光束的匯聚程度?；诨ㄐ毋y納米顆粒表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)隨著數(shù)值孔徑的增大而減弱,增強(qiáng)倍數(shù)為35-42倍,緊聚焦光束抑制了花形銀納米顆粒多極表面等離子體共振效應(yīng),因此表面增

8、強(qiáng)熒光效應(yīng)減弱。另外,在緊聚焦情況下,銀納米顆粒在焦區(qū)內(nèi)位置對(duì)表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)影響顯著。在光軸上,銀納米顆粒不同位置引起的表面增強(qiáng)熒光變化趨勢(shì)依賴(lài)于聚焦光束在光軸上的強(qiáng)度分布。
　　 3.在高數(shù)值孔徑聚焦光束激發(fā)下,球形銀納米顆粒間距大于60 nm時(shí),顆粒間電磁耦合效應(yīng)可忽略不計(jì),表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)來(lái)自于單顆粒的電磁增強(qiáng);在顆粒覆蓋率達(dá)到40％4寸(對(duì)應(yīng)大部分顆粒間距小于50 nm),顆粒間電磁耦合效應(yīng)不可忽略,單位面積上平均熒光增

9、強(qiáng)效應(yīng)顯著提高。從熒光壽命的變化規(guī)律來(lái)看,低顆粒覆蓋率時(shí),熒光壽命體現(xiàn)了單個(gè)顆粒和熒光分子的相互作用,總的激發(fā)態(tài)衰減速率不變。當(dāng)顆粒覆蓋率達(dá)到40%,絕大部分顆粒間距減小,總的激發(fā)態(tài)衰減速率提高。
　　 4.我們考察了銀納米顆粒表面增強(qiáng)非線(xiàn)性熒光與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系,結(jié)果顯示表面增強(qiáng)非線(xiàn)性熒光強(qiáng)度與激發(fā)光強(qiáng)的平方成正比,表明產(chǎn)生雙光子熒光效應(yīng),增強(qiáng)倍數(shù)達(dá)45倍。表面增強(qiáng)雙光子熒光的增強(qiáng)倍數(shù)大于單光子,這主要?dú)w結(jié)為雙光子熒光強(qiáng)度依

10、賴(lài)于電場(chǎng)振幅的4次方,對(duì)金屬顆粒表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)更加敏感。基于此,我們將其應(yīng)用于生物蛋白分子熒光標(biāo)記,觀測(cè)到了基于花形銀納米顆粒的標(biāo)記BSA的CPD4分子的單、雙光子表面熒光增強(qiáng)效應(yīng)。與純CPD4分子在花形銀納米顆粒表面得到的熒光增強(qiáng)效應(yīng)相比,單、雙光子熒光增強(qiáng)倍數(shù)分別為11.2倍和13.5倍左右,均下降了3-4倍左右。推斷BSA分子可能在CPD4分子與銀顆粒表面間形成隔離層,減弱了CPD4分子電磁場(chǎng)激發(fā)增強(qiáng)效應(yīng)。另外,雙光子熒光增強(qiáng)倍數(shù)

11、下降幅度大于單光子模式,這應(yīng)歸結(jié)為雙光子熒光強(qiáng)度正比于激發(fā)電場(chǎng)振幅的4次方。這一結(jié)果表明表面增強(qiáng)雙光子熒光對(duì)于局域場(chǎng)變化更為敏感。
　　 5.理論計(jì)算表明線(xiàn)偏振聚焦光束在焦點(diǎn)區(qū)域范圍內(nèi)存在橫向偏振分量和縱向偏振分量,這兩個(gè)偏振分量均能與金屬納米顆粒產(chǎn)生表面等離子體共振。沿著光軸移動(dòng)焦點(diǎn)位置則可以調(diào)節(jié)金屬納米顆粒表面電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)。與線(xiàn)偏振聚焦光束相比,徑向偏振聚焦光束主要在銀納米顆粒的光軸方向上產(chǎn)生強(qiáng)的表面等離子體共振,在歸一化