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基于等离子体光学晶体的生物传感器及其应用

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摘要

第一章 绪论

1.1 等离子体光学晶体的研究进展

1.1.1 等离子体光学

1.1.2 金属表面等离子体共振

1.1.3 等离子体光学晶体的研究和发展

1.2 金属表面等离子体的应用

1.2.1 金属表面等离子体在光学领域的应用

1.2.2 金属表面等离子体在生化领域的应用

1.2.3 金属表面等离子体在材料领域的应用

1.2.4 金属表面等离子体在数据存储领域的应用

1.3 等离子体光学晶体生物传感器的制备方法

1.3.1 基于电子束刻蚀技术的等离子体光学晶体制备

1.3.2 基于纳米压印技术的等离子体光学晶体制备

1.3.3 基于光子晶体膜为模板的等离子体光学晶体制备

1.4 本论文研究的目的及设想

参考文献

第二章 单层胶体晶体膜的制备

2.1 序言

2.2 实验部分

2.2.1 实验试剂与仪器

2.2.2 纳米粒子单层光子晶体膜的制备

2.2.3 单层光子晶体膜的测试与表征

2.3 结果分析与讨论

2.3.1 混合液浓度比例对单层膜结构质量的影响

2.3.2 基于不同基底自组装单层光子晶体膜

2.3.3 基于空气和液体的界面沉积法制备多层的光子晶体膜

2.3.4 单层光子晶体膜的光谱表征

2.4 本章小结

参考文献

第三章 单层等离子体光学晶体膜的制备与应用

3.1 序言

3.2 实验部分

3.2.1 实验试剂与仪器

3.2.2 SiO2单层二维等离子体光学晶体膜的制备

3.2.3 测试与表征

3.2.4 单层等离子体光学晶体膜作为SERS基底用于4-ATP分子的拉曼检测

3.3 结果分析与讨论

3.3.1 单层光子晶体膜样品的形貌和光谱表征

3.3.2 不同反应时间下等离子体光学晶体膜的形貌表征

3.3.3 不同反应时间下等离子体光学晶体膜的光谱表征

3.3.4 基于FDTD对单层等离子体光学晶体膜的光学性能模拟分析

3.3.5 4-ATP分子的拉曼信号检测

3.4 本章总结

参考文献

第四章 蜂窝状等离子体光学晶体膜的制备和应用

4.1 序言

4.2 实验部分

4.2.1 实验试剂与仪器

4.2.2 蜂窝状等离子体光学晶体膜的制备

4.2.3 测试与表征

4.2.4 蜂窝状等离子体光学晶体膜用于环境折射率的灵敏度实验

4.2.5 蜂窝状等离子体光学晶体膜作为SERS基底用于4-TP分子的拉曼检测

4.3 结果分析与讨论

4.3.1 蜂窝状等离子体光学晶体膜的表征

4.3.2 蜂窝状等离子体光学晶体膜用于环境折射率的灵敏度实验

4.3.3 基于FDTD对蜂窝状等离子体光学晶体膜光学性能的模拟分析

4.3.4 4-ATP分子的拉曼信号检测

4.4 本章总结

第五章 金纳米帽阵列的制备和应用

5.1 序言

5.2 实验部分

5.2.1 实验试剂与仪器

5.2.2 金纳米帽阵列的制备

5.2.3 金纳米帽阵列的形貌和光谱表征

5.2.4 金纳米帽阵列作为SERS基底用于4-ATP分子的拉曼检测

5.3 结果分析与讨论

5.3.1 基于FDTD对金纳米帽阵列结构光学性能的模拟分析

5.3.2 金纳米帽阵列的表征

5.3.3 金纳米帽阵列的光谱表征

5.3.4 4-ATP的拉曼信号检测

5.4 本章总结

参考文献

第六章 总结与展望

硕士期间发表论文和申请专利

致谢

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摘要

等离子体光学晶体是基于有序等离子体光学结构的一类新型纳米光学器件,能够实现在纳米尺度上对光的操控,完成生物传感换能过程。由于等离子体光学晶体同时具有光子晶体和金属等离子体的物理特性,当光以一定条件作用于结构时,会产生局域表面等离子体共振现象,使其具有强大的电磁波调制能力。这一特性使等离子体光学晶体成为生物传感器系统中换能元件的最优选择,在拉曼增强、荧光增强、非标记检测、环境监测等生化领域均具有良好的应用前景。
  现阶段,等离子体光学晶体主要是通过电子束刻蚀、反应离子刻蚀、纳米压印、电镀、溅射等多种手段来制备的,制备过程不但耗时,而且费用昂贵,这些因素使得等离子体光学晶体无法实现大面积的制备,从而限制了其在应用上的发展。本论文以光子晶体为模板,结合无电解电镀、磁控溅射以及湿腐蚀法等技术手段实现了等离子体光学晶体结构的大面积制备,并将其用于拉曼增强实验。具体工作开展如下:
  (1)单层光子晶体膜的制备。本论文采用空气和液体的界面沉积法自组装纳米粒子单层膜结构,并利用马兰哥尼对流作用将其从水面上转移到不同的基底上,从而制备出大面积不同粒径、材质(SiO2和PS纳米粒子)的呈六方密堆积排列结构的二维光子晶体。
  (2)等离子体光学晶体结构的制备。以单层光子晶体膜为模板,结合无电解电镀、磁控溅射以及湿腐蚀法等手段制备出三种等离子体光学晶体结构:金属和二氧化硅介质混合的单层等离子体光学晶体膜、纯金属的蜂窝状等离子体光学晶体以及具有可调谐共振腔结构的金纳米帽阵列。
  (3)等离子体光学晶体结构的光学性能分析。以等离子体光学晶体样品的反射光谱为基础,结合通过有限差分时域法对结构电磁场分布的模拟结果,分析了三种结构的光学特性、局域电磁场分布和增强情况。
  (4)根据三种等离子体光学晶体结构的光学特性和电磁调制能力,将其作为SERS基底,初步用于4-ATP分子的拉曼检测实验,并分析了三种结构的拉曼增强性能。

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