金属纳米粒子LSPR效应的机理及其光谱特征研究【文献综述】

纳米结构的表面增强拉曼光谱研究纳米结构表面增强拉曼光谱研究一直是功能材料领域的热点之一，因为它具有许多独特的优势和应用潜力。

通过利用纳米结构表面的局域化电场增强效应，可以实现对微量分子的高灵敏检测，因此具有广泛的生物医学、环境监测、食品安全等重要应用价值。

在纳米结构表面增强拉曼光谱研究中，金属纳米颗粒是最常用的增强剂。

金属纳米颗粒具有优异的表面等离子共振特性，可以使电磁场在纳米颗粒表面聚集，并形成局域化电场增强效应。

这种效应可以显著提高拉曼信号的强度，从而实现对微量分子的高灵敏检测。

除了金属纳米颗粒，还有许多其他纳米结构材料也被用于增强拉曼光谱，如纳米线、纳米孔阵列等。

这些纳米结构材料具有不同的增强机制和特性，适用于不同的拉曼应用场景。

近年来，随着纳米技术和拉曼光谱技术的快速发展，人们对纳米结构表面增强拉曼光谱的研究也取得了很多进展。

通过在纳米结构表面制备表面增强拉曼基底，可以实现对微量分子的高灵敏检测。

同时，人们还可以通过调控纳米结构的形貌、尺寸和结构，来调控拉曼信号的增强效果。

这为实现更高灵敏度和选择性的拉曼光谱分析提供了新的思路和方法。

除了在实验方面取得的一系列突破，纳米结构表面增强拉曼光谱在理论研究方面也备受关注。

通过建立理论模型和计算模拟方法，人们可以深入研究纳米结构表面的增强机制，为实验结果的解释和应用提供理论依据。

同时，理论研究还可以指导人们设计和合成更高效的纳米结构表面增强拉曼基底，提高拉曼信号的增强效果和稳定性。

在将来，纳米结构表面增强拉曼光谱将继续发挥重要作用，在实现高灵敏检测、高分辨成像、生物分子诊断等领域发挥重要作用。

人们将不断深入研究纳米结构表面的增强机制，开发新的纳米结构材料和方法，探索更广泛的应用场景。

纳米结构表面增强拉曼光谱研究的进展将推动纳米技术和光谱技术的发展，为实现更高效、更精确的分析和检测提供新的途径和可能性。

金属纳米颗粒的表面等离激元共振近年来，金属纳米颗粒在纳米科技领域中扮演着重要的角色。

其独特的形貌和结构使得金属纳米颗粒在光学、电子学等领域有广泛的应用。

而金属纳米颗粒的表面等离激元共振效应正是其中一个引人关注的现象。

表面等离激元共振是一种与金属纳米颗粒特有结构相联系的现象。

当光线照射在金属纳米颗粒上时，电子能级受到激发并与光子产生相互作用。

这种相互作用会导致新的电子-光子耦合态的形成，同时也导致了金属纳米颗粒上电荷密度分布的变化。

这一过程中，金属纳米颗粒表面的自由电子与光子能量相互耦合，形成所谓的表面等离激元。

那么，具体来说，表面等离激元共振又意味着什么呢？首先，金属纳米颗粒在表面等离激元共振发生时，其吸收和散射光谱将发生显著变化。

这些变化可以通过光谱分析等实验手段进行研究。

通过对吸收和散射光谱曲线的分析，我们可以获得金属纳米颗粒的表面等离激元共振频率以及它与外界环境的相互作用。

这对于理解纳米颗粒在光学传感、表面增强拉曼光谱等应用中的行为机制至关重要。

其次，表面等离激元共振还导致了局部电场的增强效应。

当光子与金属纳米颗粒相互作用时，局部电场在颗粒附近被局部增强。

这种局部电场增强效应使得金属纳米颗粒成为一种优越的局域增强电场平台。

基于这一效应，我们可以利用金属纳米颗粒来实现更高灵敏度的荧光探针、表面拉曼散射信号放大、二次谐波产生等应用。

此外，表面等离激元共振也可用于光热治疗、太阳能电池和激光光谱等领域，发挥着重要作用。

最近的研究还发现，金属纳米颗粒的尺寸、形状和组成对其表面等离激元共振行为有重要影响。

通过调节金属纳米颗粒的这些参数，可以控制其表面等离激元共振频率的位置和强度。

因此，精确控制金属纳米颗粒的表面等离激元共振行为对于实现特定应用具有重要意义。

许多研究正在探索新的合成方法和加工技术，以实现对金属纳米颗粒的形貌、尺寸和组成的精确控制。

总结起来，金属纳米颗粒的表面等离激元共振是一种引人关注的现象，具有广泛的应用潜力。

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结论
表面等离子体共振生物传感器在微生物检测中具有广泛的应用前景。本实验 通过 SPR传感器成功检测了细菌细胞壁的厚度和成分，以及抗生素药物对细菌细 胞壁的作用。此外， SPR传感器还能够用于病毒的抗原和抗体，以及支原体的代 谢产物等的检测。因此， SPR传感器有望为微生物检测提供一种高灵敏度、无损 且快速的方法，从而为临床诊断和治疗提供有力支持。
结论
本次演示成功地制备了具有良好光学性质的金属纳米粒子，并通过调控其尺 寸、形状和组成以及表面修饰剂的类型和厚度，实现了对等离子体共振效应的有 效调控。这些成果对于优化光学器件的性能、提高生物医学检测的灵敏度以及设 计高效催化剂都具有重要的指导意义。然而，本研究仍存在一定的不足之处，例 如未能系统地研究各种因素（如溶液浓度、反应温度等）
对金属纳米粒子制备和等离子体共振效应的影响，未来研究可进一步拓展和 深化。
参考内容
在过去的几十年中，金属纳米结构表面等离子体共振在光电、催化、生物医 学等领域展现出了巨大的应用潜力。它是一种光与金属纳米结构相互作用的现象， 可以有效地增强和调控光吸收、散射和传播等。因此，实现对金属纳米结构表面 等离子体共振的调控和利用具有重要的实际意义。
在文献综述中，我们发现前人对金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利 用主要集中在形状、尺寸、材料和环境因素等方面。这些研究为理解等离子体共 振现象提供了基础，但仍存在一些不足之处，如缺乏系统性和全面性，以及对某 些影响因素的机制研究不够深入等。
为了深入研究金属纳米结构表面等离子体共振的调控和利用，我们采用了理 论分析和实验测量相结合的方法。首先，利用光学模型对金属纳米结构的等离子 体共振特性进行理论计算；然后，通过纳米制备技术合成具有不同形状、尺寸和 材料的金属纳米结构样本；最后，利用光谱学和显微学技术对样品的等离子体共 振特性进行实验测量和数据分析。

中图分类号：学校代码：10055 UDC：密级：公开硕士学位论文LSPR生物传感器的制备与测试The Preparation and Testing of Localized Surface Plasmon Resonance Phenomena Biosensor论文作者张晓锋指导教师刘国华教授申请学位工学硕士培养单位信息技术科学学院学科专业电路与系统研究方向传感技术与智能系统答辩委员会主席李国峰评阅人牛文成，李国峰南开大学研究生院二○一一年五月南开大学学位论文使用授权书根据《南开大学关于研究生学位论文收藏和利用管理办法》，我校的博士、硕士学位获得者均须向南开大学提交本人的学位论文纸质本及相应电子版。

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不同周期对金纳米粒子LSPR影响分析作者：陈星王君王加鑫宋丽圆金向阳来源：《成长·读写月刊》2017年第05期【摘要】采用时域有限差分方法（FDTD）对金纳米粒子不同周期的情况下的消光光谱及表面电场分布进行仿真实验，结果表明，随着纳米球间距L的减小，消光因子Qext增大，同时峰值强度明显增大，LSPR吸收峰位置变化不明显。

【关键词】时域有限差分（FDTD）；金纳米粒子；周期阵列；消光特性引言贵金属纳米粒子具有独特的局域表面等离子体共振（Localized surface plasmon resonance，LSPR）特性，贵金属纳米粒子的 LSPR 吸收峰与纳米粒子的组成、形貌、大小以及周围介质的介电常数等因素密切相关。

[1]这种光学性质有两个显著的特点。

首先，它所发出的散射光亮度高，而且光学稳定性好，没有闪烁、漂白的现象；其次，局域表面等离子体激元共振频率与纳米材料的尺寸、形貌、组成、电荷以及其所处的介电环境密切相关，这使得纳米粒子表面附近的变化可以很敏感的反映在LSPR吸收峰的变化中，为以后基于LSPR生物传感器的研制提供了理论参考依据。

将 LSPR 的这种折射率敏感特性有效的应用于生物、医药和化学分子的探测一直是人们关注的焦点之一，而研究贵金属纳米颗粒 LSPR 的折射率敏感响应是线性还是非线性关系，则是实际生活中人们解决技术问题的关键所在。

[2]本文采用时域有限差分方法（FDTD，Finite Difference Time Domain）和基于FDTD方法的仿真软件FDTD solutions研究了Au、Au纳米粒子阵列在不同间距LSPR消光特性及表面电场分布变化，同时利用Origin软件将仿真实验导出的数据进行汇总并合成图像。

旨在能主动调控纳米棒组装体的 LSPR传感行为，构建基于纳米球组装体的 LSPR 生物传感器，获得灵敏度高、稳定性好、简便快速的无标记生物分析方法。

一、FDTD方法及仿真设置FDTD方法（Yee网格空间离散方式）能够直接模拟场的分布，精度比较高，是目前使用比较多的数值模拟的方法之一。

纳米金属材料的表面增强拉曼光谱研究近年来，表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）作为一种强大的分析工具，得到了越来越广泛的应用。

而纳米金属材料作为表面增强效果最好的基底，成为了研究人员关注的焦点之一。

首先，我们来了解一下纳米金属材料的特性。

纳米金属材料是指粒径在纳米级别（常见为1-100纳米）的金属颗粒。

与传统的金属材料相比，纳米金属材料具有较大的比表面积、更高的催化活性和更好的光学性能等优势。

这些优势使得纳米金属材料在光催化、传感器、表面增强等领域有着广泛的应用前景。

在表面增强拉曼光谱研究中，纳米金属颗粒的存在可以通过局域表面等离子共振效应（Localized Surface Plasmon Resonance，LSPR）来放大被测物质的拉曼信号。

当光子与金属颗粒表面上的自由电子产生共振时，电子在金属颗粒内部形成了高密度的振荡，进而产生了一个局域电磁场。

这个局域电磁场可以增强附近分子的极化率，使其拉曼散射强度得到显著增强。

研究人员可以利用纳米金属材料的表面增强效应，实现对微量化学分析的高灵敏度检测。

例如，一些药物分子或有机分子的拉曼信号十分微弱，很难被探测到。

但是，通过将这些分子吸附到纳米金属颗粒上，就能利用纳米金属材料表面增强效应将其拉曼信号放大，从而提高检测的灵敏度。

此外，纳米金属材料的表面增强效应还可以用于研究复杂化学反应过程中的中间体。

由于纳米金属颗粒的局域电磁场可以使分子极化率增强，因此可以通过分析其拉曼信号来了解化学反应的机理和动力学过程。

这对于研究催化剂、催化反应以及生物分子等领域具有重要意义。

在纳米金属材料的表面增强拉曼光谱研究中，选择合适的金属材料和纳米粒径对于实验结果至关重要。

常用的金属材料有银（Ag）、金（Au）等，它们具有较强的表面增强效应。

此外，纳米金属颗粒的大小也会影响表面增强效应的强度。

通常情况下，纳米金属颗粒的直径应控制在10-100纳米之间，以保证最佳的增强效果。

表面等离子共振传感器的原理与进展吴世康【摘要】表面等离子共振光谱(Surface Plasmon Resonance,SPR)是近年来得到快速发展的一门技术.它是一种无标记的、可用于实时定量检测某些固定于传感芯片上的组分与被结合物种间的绑定亲合度(binding affinity)、且可用于对相对小量物质进行检测的重要手段.由于它可方便地研究不同生物或化学物种的有关反应与动力学问题,因此具有重要的实用意义,受到广泛关注和重视.本文对有关等离子共振现象的形成及其作为敏感检测手段的机制、原理和改进等问题作了简要的介绍.【期刊名称】《影像科学与光化学》【年(卷),期】2017(035)001【总页数】11页(P15-25)【关键词】表面等离子共振;传感器;纳米球刻蚀法;贵金属纳米颗粒;超常光学传输【作者】吴世康【作者单位】中国科学院理化技术研究所,北京100190【正文语种】中文表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器作为一种灵敏有力的检测工具，可“实时”监测和分析不同的生物与化学物种[1-3]。

它独特的对于低分子量化合物的表征与定量检测的能力，使它具有广泛的应用前景[4,5]，在诊断学、制药学、食品安全、环境监测以及国土安全等不同领域中发挥出强大的作用。

SPR传感器也是一种光学折射计，可用于测定SPR传感面上介质材料折射率的变化。

这种传感器的工作原理是基于一种独特和简单的光学现象，即在其作为敏感部分的贵金属导带内,自由电子发生了集合的相干振荡。

首先，这一振荡出现于金属/介电体的界面上，这是由于入射光(即电磁波)激发所引起的相互作用而发生的。

这些由共振而建立起来的电荷密度的振荡，可称之为表面等离子激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)。

然后，SPP就会形成一个按指数而衰减的电场，穿透进入到周围深度约几百纳米的介质中去。

这一瞬时逝去的电场(evanescent field，倏逝场)高度敏感于周围介质折射率的变化，当敏感介质的折射率有所改变时，则用于激发SPR的入射光的特征(如：角度、波长、相位等)也会随之而变，于是它就可感知引起介质折射率变化的外来物种的存在，达到检测的目的。

纳米金属粒子的制备及其表面增强拉曼效应的研究纳米科技一直是众多研究领域中备受关注的方向，而纳米金属粒子制备和表面增强拉曼效应的研究更是一直备受瞩目。

那么，什么是纳米金属粒子制备和表面增强拉曼效应，又有哪些研究和应用呢？一、纳米金属粒子制备纳米金属粒子是指直径小于100纳米的金属粒子，通常由金属离子通过还原实现，如Ag+、Au+等离子通过还原可得到Ag、Au等金属粒子。

传统的化学还原法是制备纳米金属粒子的常用方法，该方法基于海绵金属的热降解过程，它们用NaBH4还原为金属。

然而，这种方法有危险，因为它需要使用高温和高压利用还原剂还原金属离子。

另外，还原后形成的纳米颗粒筛选困难，通常需要使用离心机进行沉淀和分离。

与传统方法相比，两相法是更为简单，安全且更具可控性的方法之一。

该方法建立在离子液滴和水滴接触交互作用，从而形成了厚膜的基础上。

该方法的优点是不需要高压和高温，生成的颗粒形状和尺寸也更为均匀。

此外，溶剂选择和控制还原剂的添加量还可影响颗粒形态和大小。

此外，脉冲激光沉积技术是目前最常用，最为成熟的制备纳米金属粒子的方法之一。

该方法特别适用于制备空气敏感或具有低熔点的金属领域，例如铝、锌、铜等。

利用脉冲激光加热金属靶并将金属离子反应，可以通过一系列参数优化调节来控制粒子形态和尺寸。

二、表面增强拉曼效应拉曼光谱是通过样品中被激光激发而发生的分子振动和转动所引起的散射光的光谱。

表面增强拉曼效应（SERS）是拉曼散射的一种增强方式，其散射强度远远高于传统的拉曼效应，可以进一步增强标记分子的相对浓度。

SERS是通过在金属纳米结构表面引起表面等离子共振而实现的，这种共振受到表面结构及大小，形状和组成之间的影响。

其基本原理是：当分子可与金属纳米材料所产生的强电磁场进行相互作用时，表面吸附的分子将导致表面电场密度分布的变化，从而引起分子的非弹性散射，从而促进了SERS。

SERS已广泛应用于许多领域，包括材料科学、化学、生物科学、医学、环境科学、图像分析等。

不同纵横比的银纳米粒子
Murphy CJ, Adv. Mater. 2002, 14, 80-82
SEM of half-shell gold film (a, b), and their reflectance spectrum(c, b)
洪昕，物理学报，2007，56，7219-7223
The maximum absorption wavelength of half-shell gold film effected by the surrounding media
光
纳米 粒子
与等离子振 荡频率相等
等离子体共振吸收 (PRA)
LSPR
的光被吸收 或散射
等离子体共振散射 (PRS)
LSPR的特点
LSPR 中的消逝波是由纳米颗粒的光散射产生的
传统SPR 特点： 高灵敏度 高选择性 实时检测 免标记
LSPR特点
LSPR新 特点： 免除SPR 复杂的光 学系统。 设备简单， 成本低
洪昕，物理学报，2007，56，7219-7223
常用的LSPR基底
常用基底
金属胶体
金属 纳米棒
核壳结构 复合 纳米粒子
帽状结构 复合 纳米粒子
有序金属 纳米 结构阵列
常用的LSPR基底
常用基底
金属胶体
金属 纳米棒
核壳结构 复合 纳米粒子
帽状结构 复合 纳米粒子
有序金属 纳米 结构阵列
Vestergaard, M., Talanta, 2008, 74, 1038-42
LSPR基底：金属纳米粒子
尺寸为1-100nm的超细粒子
纳米粒子
宏观量子 隧道效应 量子尺寸 效应 表面 效应

金属纳米颗粒在光催化中的应用金属纳米颗粒是一种微小到纳米尺度的金属颗粒，具有独特的物理、化学性质。

这些纳米颗粒在吸光、催化、表面增强拉曼散射、传感等领域展现了广泛的应用潜力。

其中，金属纳米颗粒在光催化领域的应用备受关注，其高效的光催化性能为环境治理和能源转化提供了新思路和方法。

首先，金属纳米颗粒在催化反应中展现出优异的催化活性。

以银纳米颗粒为例，由于其表面等离子共振引起的局域表面等离子共振（LSPR）效应，银纳米颗粒可在可见光范围内产生强烈的光学吸收，从而促进催化反应的进行。

与传统催化剂相比，金属纳米颗粒能够提供更多的催化位点，增加反应活性，并且其尺度效应带来的高比表面积也有利于提高催化效率。

因此，在光催化反应中，金属纳米颗粒作为催化剂呈现出更高的活性和选择性。

其次，金属纳米颗粒在光催化降解有机污染物方面显示出了较大的潜力。

有机污染物是当前环境问题中的严重挑战，传统的水处理和空气净化方法难以有效去除这些有机污染物。

而金属纳米颗粒作为光催化剂，能够利用可见光促进有机污染物的降解，将其分解为无害的物质。

通过调控金属纳米颗粒的大小、形貌和结构，可以实现对不同有机污染物的高效降解，为环境治理提供了新的解决方案。

此外，金属纳米颗粒在光催化水分解和二氧化碳还原等领域也具有重要应用价值。

光催化水分解是一种可持续的制氢方法，通过金属纳米颗粒作为催化剂，利用光能将水分解为氢气和氧气，实现清洁能源的生产和利用。

而在二氧化碳还原反应中，金属纳米颗粒可以作为催化剂将二氧化碳还原为有机物，实现CO2的转化和利用，减缓全球变暖和缓解碳排放带来的问题。

总的来说，金属纳米颗粒在光催化领域的应用具有巨大的潜力，其高效的催化性能为环境治理和能源转化提供了新的可能性。

未来，随着对金属纳米颗粒的深入研究和技术创新，相信这种纳米材料将在更多领域展现出广阔的应用前景，推动科学技术的进步，为人类社会的可持续发展贡献力量。

理论计算金纳米球壳的光谱性质2016-07-12 13:06来源：内江洛伯尔材料科技有限公司作者：研发部具有不同外半径的金纳米球壳消光光谱金属纳米结构具有的局域表面等离激元共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)特性使其在生化传感、医学诊断、微纳光子器件等方面有着广阔的应用前景. 常见的纳米结构有球形、三角形、圆盘形、环形、核壳形等. 其中, 球壳结构因其制备相对简单、LSPR波长调谐范围宽等优点, 受到了人们更多的关注. Halas小组的研究表明, 壳层厚度微小变化, 金纳米球壳的LSPR波长即可从可见移至近红外波段, 从而更有利于生物组织检测; 而且优化其结构参数, 可最大限度的实现对太阳光能量的利用. Wu和Liu分析了金银双金属球壳的光学性质, 给出了该结构应用于生物医疗时的最佳几何参数. Liu和Li研究了有限个球壳体系的LSPR特性, 发现随球壳间距减小或数量增多共振波长向长波长方向移动, 而Zhang等证实一维链式球壳体系的LSPR波长随壳层厚度的减小也发生红移.同时, 球壳光学性质的理论解释也有重要进展, 可概括为: 当球壳尺寸较小时, 壳层内外表面电子间的杂化效应使得壳层厚度越小共振波长越红移, 当球壳尺寸较大时, 还受到入射光相位延迟作用, 尺寸越大共振波长越红移, 如果体系存在两个或更多个球壳时, 球壳间的电场耦合作用也对其共振波长产生影响, 间隔越小共振波长越红移. 尽管目前金属纳米球壳的光学性质已有较多研究, 但多集中于壳层厚度较薄的情形, 而且其共振波长移动规律与球壳物理参量及结构参数间的关系还未见系统报道.枣庄学院光电工程学院张兴坊等人理论研究了金纳米球壳的几何结构参数, 及物理参量对局域表面等离激元共振波长调谐特性的影响. 结果表明,随着壳层厚度的增大, 球壳消光共振峰先蓝移后红移, 高阶峰转向时对应的壳层厚度比低阶峰大, 且该厚度与球壳内径的比值随内径尺寸的增大而减小, 随内核材料或外界环境介电常数的增大而增大, 散射共振峰也有类似的移动规律. 利用电子杂化效应和相位延迟效应对该现象进行了理论解释.。