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金属纳米粒子LSPR效应的机理及其光谱特征研究【毕业作品】

毕-论

业-文

（20 届）

金属纳米粒子LSPR效应的机理及其光谱特征研究

所在学院

冷冻水产品专业班级理论物理

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

【摘要】目前，基于局域表面等离子体共振(LSPR)现象的传感研究是一个热点方向，LSPR传感方法在器件开发和相关应用上均有很大的潜力。LSPR传感器具有优于传统SPR

传感器的一些特性，特别是在物理、化学和生物特性测量分析方面，灵敏度高，使用方便，效果显著，有很高的开发价值。本文通过理论模拟不同大小的纳米金粒子模型，并

且实验制备不同浓度下的纳米金粒子薄膜，观察金属纳米粒子LSPR效应的机理及纳米

金浓度对其光谱吸收峰和吸收率的影响。通过研究，获得局域表面等离子体共振光谱特

征的深入理解，为以后的实际应用奠定基础。

【关键词】局域表面等离子体共振(LSPR)；金纳米粒子；米氏理论；吸收峰；红移。变径管

Abstract

【ABSTRACT】Recently,the research of the localized surface plasmon resonance (LSPR) is a hot spot.A LSPR-based method has a high potential in developments of devices and related applications.A LSPR-based sensor has some characters which are better than a traditional SPR-based sensor.Especially in measurement and analysis of the physical,chemical and biological properties,a LSPR-based sensor have a high value for development because of its high sensitivity,ease to use and significant effect.By theoretical modeling of gold nanoparticles with different sizes and preparation of gold nanoparticles films with different concentrations,we have obse

rved the LSPR effect of metal nano-particles and the influence on their absorption peaks and absorption rate by the concentration of gold nanoparticles.Through the research,we get in-depth understanding on the spectral characteristics of local surface plasmon resonance which will lay the foundation for the following application.

【KEYWORDS】Localsurface plasmon resonance (LSPR),Goldnanoparticles,Mie scattering theory,Absorption peaks,Redshift.

数控分度头

摘要 (2)

Abstract (3)

目录 (4)

第一章引言 (5)

1.1LSPR的定义 (5)

1.2LSPR的研究历程 (5)

1.3LSPR的国内外研究进展 (6)

第二章散射理论 (8)

2.1拉曼散射 (8)

2.2布里渊散射 (8)

2.3瑞利散射 (9)

2.4米氏散射 (9)

2.2.1概述 (9)

2.2.2公式推导 (10)

第三章纳米金粒子膜的LSPR光谱特征 (15)

电容手套3.1金纳米溶液的制备 (15)

3.2纳米金薄膜的制备 (15)

3.3实验结果与分析 (16)

树脂制品3.3.1 pmma浓度对均匀度的影响 (16)

3.3.2 纳米金浓度对吸收峰的影响 (17)

3.3.3 comsol模拟 (17)

3.3.4总结 (18)www.pkk123

第四章展望 (19)

4.1LSPR传感器技术的商化 (19)

4.2LSPR传感器的未来发展趋势 (19)

参考文献 (21)

致谢 (22)

第一章引言

近年来，纳米材料由于其独特的光学、电磁学和力学特性而得到了研究人员的广泛关注。贵金属纳米粒子显示了很强的紫外-可见光吸收带特性，绝大多数金属中都没有这种性质]1[。科学研究表明，贵金属纳米粒子悬浮液的这种特有性质取决于它们同光的强烈作用，而对纳米粒子光学领域的研究又使得对于材料的成分，尺寸，形状，以及局部绝缘环境和金属悬浮液的测等等之间的关系有了更深层次的理解。对贵金属纳米粒子的光学性质的研究在理论和实践上都具有重要的意义。从理论上说，它对于系统研究纳米量级结构和引起光学性质变化的局部环境因素，以及预测结构的变化等起到了十分重要的作用。从实践上说，如果纳米结构的光学性质可调试，则它可以应用于表面增强光谱]2[，光学滤波器]3[，等离子体设备]4[和传感器等领域。

1.1 LSPR的定义

LSPR现象是仅限于金属纳米粒子（有时被当作金属簇）和金属纳米结构中的传导电子共振现象。它发生在金属纳米结构中，如纳米粒子，纳米三角形，纳米岛等。当光子跟金属纳米粒子中的传导电子振动相匹配时，就会产生LSPR现象。用入射波长能够激发共振的电场激励LSPR，会产生强光散射，出现强表面等离子体吸收带，同时局部电磁场增强。

1.2LSPR的研究历史

多项研究表明，基于LSPR的纳米传感器的传导机理与平面传感器的传导机理一致，是SPR传感器的

拓展和延续。在近20年来，SPR传感器，利用折射率的原理来探测接合在金属表面上或其附近的分析物，并且被广泛的用于检测一系列的分析物的表面接合相互作用。

SPR技术有三个明显的缺点：(1)SPR的共振角和共振波长的移动检测模式需要大量的光学阵列来实现；(2)局限于一些平方微米量级的信号传感元的尺寸；(3)实时性不强。

为了提高SPR生物传感器的灵敏度，近年来，研究者广泛关注基于纳米材料制成的生物传感芯片。局域表面等离子体存在于金属纳米粒子或不连续的金属纳米结构中，当其受到入射光激发时，会引起局域表面等离子体共振(LSPR)，这将增强金属纳米结构表面的局域电场，对某一波段的光谱展现出强烈的吸收。金、银、铂等贵金属纳米粒子具有很强的LSPR效应，它们在紫外一可见光波段展现出很强的光谱吸收。LSPR效应是纳米贵金属颗粒表面电磁场增强的结果，这是平面金膜所不具备的]9[。

由于LSPR在这些方面优于SPR，所以LSPR取代了SPR。

1.3 LSPR国内外进展

目前局域表面等离子体共振(LSPR)的形成以及它载体上的金和银纳米粒子的光学特性都具有很

大的吸引力。金和银纳米粒子在生物芯片，以及纳米尺度等各种纳米光学的应用都得到了广泛的重视和研究。被测溶液和固定在衬底表面的粒子之间的反应能够引起的生物分子层厚度的变化，而基于LS

PR的检测方法就能够对这种即时变化进行检测。

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