纳米等离子体及其在生物传感器中的应用

近年来,基于表面等离子体的材料和器件在基础科学和应用科学研究领域受到了极大关注。首先介绍了纳米等离子体与激发光的作用机理及其展现的独特效应;然后分别介绍了纳米等离子体作为传感手段在DNA分子尺、单纳米粒子检测、表面增强型喇曼光谱等研究方向的最新进展,以及作为纳米操控手段在基因表达和抑制方面的研究进展;最后对表面等离子体在纳米技术领域的应用进行了讨论,并对其广阔的发展前景进行了展望。

纳米等离子体光催化剂的合成及其在染料降解中的应用

本文合成了新型的AgBr@Au&Ag等离子体纳米光催化剂,其用于催化太阳光降解考马斯亮蓝污染源,结果满意.同时,用SEM、XRD及EDS等方法对AgBr@Au&Ag进行表征,探讨AgBr@Au&Ag合成及其催化可见光降解考马斯亮蓝的机理.

多元等离子体共振纳米结构的飞秒激光加工与拉曼检测应用

以多元金属纳米薄膜(金、银)为基底,利用飞秒激光加工技术制备得到多元等离子体纳米结构,并研究了其局域表面等离子体共振效应(Local Surface Plasmon Resonance,LSPR)和表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)性能。利用时域有限差分(Finite Difference Time Domain,FDTD)软件模拟了不同情况下(单层金膜、金银双层金属薄膜的平面以及阵列结构)的电场分布情况。根据仿真结果,相较于平面金属膜来说,飞秒激光制备的微纳结构阵列附近区域产生电磁场增强,集中在结构边缘处,且其强度变化与预期结果基本保持一致。此外,使用浓度为10-4 M和10-6 M的罗丹明(R6G)溶液进行SERS性能测试。测试的结果表明,单层平面金膜基本没有SERS峰值信号出现,而单层金膜上制备的等离子体纳米结构附近出现峰值信号,双层金属薄膜上制备的等离子体纳米结构展现出更高的SERS峰值信号。多元金属等离子体纳米结构展示出更强的局域表面等离子体共振效应,从而在表面增强拉曼散射、光催化、生物传感等领域具有广泛的应用。

利用FDTD计算超薄金壳中的等离子银纳米空腔

通过时域有限差分方法,对超薄金壳中的等离子银纳米空腔进行模拟分析。发现带有金壳的银纳米颗粒场增强效果要高于纯银纳米颗粒,并且理论上超薄的金壳还可以保护银纳米颗粒,防止其被氧化。通过与金膜相结合,形成腔型结构,发现场增强更加明显。这种结构是一种实验上可以实现的简单结构。这项工作为开发具有宽光谱增强电磁场的等离子金属纳米腔体结构铺平了道路。此外,这项研究还为生命科学领域的成像和检测提供了一种有效的SERS基底。

纳米等离子体国际发展态势分析

纳米等离子体技术在太阳能光伏、量子信息以及生物传感器等领域将带来全新的技术变革,具有重要的战略性研发地位。该文从SCI学术论文以及技术专利分析的角度,剖析纳米等离子体研究领域的国际发展态势,揭示该领域的研究前沿及其演变,分析各国研究机构/企业在该领域的专利保护策略及其重点技术布局。结合欧盟等国在纳米等离子体研究领域的技术发展路线图,提出了发展我国纳米科技的若干战略规划建议与对策。

等离子体制备的具有优异甲醇氧化电催化活性的Pt-Ni/N掺杂还原氧化石墨烯

贵金属铂是目前应用最广泛、最有效的催化剂之一,但其储量有限、价格昂贵、易中毒失去催化活性等缺点限制了它的应用。为了解决这些问题,研究人员提出了许多材料改进策略,如改变铂颗粒的大小和分布、控制铂的晶面、制造催化剂表面缺陷等以提高铂的利用率和催化活性。此外,铂基双金属催化剂也被证明是一种降低铂负载量非常有效的方法。基于双功能机理和电子效应,两种金属间存在协同作用,首先第二组分金属的存在可以使水在较低的电位下形成?OH中间体,从而更容易氧化和去除CO中间体。同时,电子从第二种金属转移到铂覆盖层,有效地降低了铂d带中心位置,减弱了铂与CO的相互作用,从而有效地增强了铂基双金属催化剂的抗中毒性。在常用的双金属催化剂中,PtNi催化剂因其成本低、催化活性高、稳定性好而受到广泛关注。此外,石墨烯作为一种独特的二维材料,由于其独特的电学性质、大的比表面积、良好的物理化学稳定性,是作为催化剂载体的理想材料。氮掺杂石墨烯是获得更好催化剂性能的有效途径。氮掺杂石墨烯可以有效改善材料的电子特性,并为催化剂颗粒的均匀分散提供更多锚定位点。更重要的是,氮掺杂石墨烯由于氮的引入增加了电子密度,从而加强了金属和载体之间的相互作用,进而提高了金属催化剂的结构稳定性、电化学活性和耐久性。本工作利用氮气和氢气混合气体的低温等离子体放电处理金属盐氧化石墨烯前驱体,制备N掺杂石墨烯负载Pt-Ni复合材料(Pt-Ni/NrGO),并将其与单一H_(2)等离子体处理得到的未掺氮石墨烯负载铂镍复合材料(Pt Ni/rGO)进行对比,讨论氮气和氢气的协同效应、等离子体对金属盐的还原作用以及催化剂的性能。结果表明,通过H_(2)和N_(2)等离子体处理可以同时实现氧化石墨烯和金属盐的还原、催化剂颗粒的均匀分散及载体的N掺杂。催化剂在0.5 mol/L H_(2)SO4和1 mol/L CH_(3)OH混合电解质中的CV曲线可以表征催化剂材料的催化活性。在扫描速率为50 mV·s^(-1)、电位范围为0~1 V的条件下,Pt-Ni/NrGO、Pt-Ni/rGO和Pt/C的正向峰电流密度(If)分别为519.3 mA·mg^(-1)、373.1 mA·mg^(-1)和354.4 mA·mg^(-1),这表明Pt-Ni/NrGO在三者中具有最优异的电催化活性。If与反向峰电流密度(Ib)的比值可以用来表示Pt-Ni/NrGO对催化剂表面CO中间体的去除能力(抗中毒能力)。Pt-Ni/NrGO的If/Ib为1.87,大于Pt-Ni/rGO(1.48)和Pt/C(0.56)。因此,Pt-Ni/NrGO比Pt Ni/rGO和Pt/C具有更好的抗中毒能力。最后,Pt-Ni/NrGO在0.65 V的电压下进行了3600 s的CA测试,其保持了最高的电流密度,这证实了Pt-Ni/NrGO具有最高的稳定性。因此,通过上述比较可以发现Pt-Ni/NrGO的电催化性能(活性、抗中毒性和稳定性)在三者中最佳。低温等离子体技术在放电过程中产生大量的活性物质,如电子、离子、原子和自由基等,该方法在制造材料空位、接枝或去除表面官能团等方面有效地避免了有毒化学还原剂和封端剂的使用,实现了简单性和环境友好性的结合。因此,这一创新的合成路线在制备高性能催化剂方面具有巨大的潜力。

软膜紫外光固化纳米压印制备等离子体纳米孔结构的工艺优化

利用软膜紫外光固化纳米压印技术和反应离子刻蚀技术在玻璃衬底上制备了等离子体纳米孔阵列。为了实现高分辨低成本软膜紫外光固化纳米压印技术在生物传感领域的应用和产业化,必须对压印的一些具体工艺参数如压印压力进行优化。在这项工作中,压印压力最小化到10 psi,结果表明这一数值足以保证图案的精确复制以及图案转移的保真度。最后,利用反应离子刻蚀的方法去除残余光胶,并用剥离的方法进行图案转移,成功地制备出了均匀性良好的金纳米孔阵列。为了证明金属纳米周期结构在生物传感上的应用,使该阵列表面吸附蛋白质分子,结果观察到明显的透射峰偏移。

非平衡纳米复合等离子体镀膜法沉积二硫化钼复合膜的摩擦学性能的研究

本文结合国内外固体润滑膜的发展趋势 ,以及当前材料发展中有关“多相材料”的新理念 ,提出了一种新的固体润滑膜沉积方法———非平衡纳米复合等离子体镀膜法 (NCUPP)。采用该法成功地对几种材料 (Ti、N、Mo、S等 )进行精细的纳米复合 ,制备的固体润滑膜TiN MoS2 /Ti是多相纳米复合膜 ,其中的MoS2 基本上呈准非晶态 ,掺杂物Ti与MoS2 多相复合 ,形成了多相的纳米复合薄膜 ,具有良好的摩擦学性能 ,即摩擦系数低 ;耐磨损寿命长 ;

纳米金属肋混合表面等离子体波导模式特性分析

基于传统混合表面等离子体波导,提出了一种半导体纳米线和纳米金属肋混合的表面等离子体波导.采用有限元法对其模式特性进行了数值模拟,研究了该波导的有效折射率、传播损耗、归一化模场面积等特性随波导几何尺寸的变化规律,分析了该混合波导的增益阈值.结果表明:该波导具有较低的传播损耗和较强的光场限制能力,并且混合模式的最小模面积仅为0.001 52μm2.

等离子体纳米结构中的Fano共振效应及其应用

Fano共振效应是一种具有非对称线型的共振散射现象,起源于共振过程和非共振过程的量子干涉效应。近年来,在等离子体纳米结构中Fano共振现象也被发现,并成为纳米光子学的一个研究热点。等离子体Fano共振通常具有较窄的光谱线宽,且不能直接与入射光耦合,只能局域在近场,强的近场局域特性可以获得巨大的表面电磁场增强。由于等离子体Fano共振独特的光学特性,已经被应用到单分子探测、高灵敏度传感、增强光谱、完美吸收、电磁诱导透明和慢光光子学器件等众多领域当中。

蝶翅构型TiO2/等离子体纳米金复合体系全光谱二氧化碳光还原特性研究

以红珠灰蝶为生物模板,使用原子层沉积法构筑三维构型TiO_2光催化材料以增强其光捕获能力;使用种子生长法制备具有宽幅可见光波段吸收能力的等离子体共振金纳米棱结构,并将其负载于蝶翅构型TiO_2上以得到全光谱响应的复合光催化体系;采用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、紫外-可见分光光度计、X射线衍射仪(XRD)等表征了所制备的样品;对样品进行了二氧化碳还原性能测试,结果表明在全光谱照射下,负载有金纳米棱的蝶翅构型TiO_2的二氧化碳光还原性能比无结构的提升了54%。

等离子体改性碳纳米管混凝土在桥墩节点处的智能监测

设计了3组连接方式的装配式桥墩,在连接节点处采用等离子体改性碳纳米管(P-CNT)混凝土,研究了低周往复荷载作用下,桥墩连接节点处P-CNT混凝土受力时电阻的变化情况,以验证P-CNT混凝土应用于桥墩节点进行智能监测的可能性.结果表明:3组连接方式下,P-CNT混凝土均表现出良好的力学性能和压敏性能;当连接节点处混凝土出现裂缝或分离脱落时,其电阻值出现突增现象,且电阻突增变化率随着节点处混凝土破坏程度的升高而增加.说明P-CNT混凝土智能材料可以有效监测节点处的受力状态.

单个等离子体纳米颗粒在生化分析和生物成像中的应用

等离子体纳米颗粒(PNPs)因其独特的物理、化学、光学和生物学特性而被广泛地应用于材料科学、生物学和医药学等研究领域。PNPs的光学性质是可以通过改变其组成、形状和大小来进行调控的,所以利用可控合成的方式能够筛选出适合的光散射探针。在单分子水平上实时研究PNPs的动态行为对于理解细胞及活体组织的生命活动机制、制备功能型纳米材料和开发新型化学生物传感器等有着重要的意义。基于传统的暗场显微镜(DFM),通过对光源、检测器及其它光学元件的择优组装和调试,我们开发出了一系列具有高灵敏度、高时空分辨率和高通量的等离子体光散射成像技术,并将其应用于单分子检测、多颗粒传感、单细胞成像以及生物过程示踪等领域。基于具有光学各向异性的PNPs,我们还研制出了活细胞三维扫描成像系统和超连续激光光片成像与高速毛细管电泳联用系统,推进了单分子光谱方面的研究。本文将总结近十年来本课题组在PNP单颗粒分析及成像中的工作,并为该领域未来的发展提出一些新的思路。

手性等离子体核壳纳米结构的设计及应用

手性描述了一个物体不能与其镜像重叠的几何性质,自19世纪以来一直是化学和生物学中的一个关键概念。随着纳米技术的发展,手性等离子体纳米材料凭借其特殊的手性光学性质和良好的生物相容性已经成为科学家们的研究重点和手性功能材料开发的热点。然而,较弱的手性响应信号限制了其应用和发展。将手性等离子体纳米材料和核壳结构结合得到的手性等离子体核壳纳米结构是一种放大手性响应信号的有效策略。核壳纳米结构整合了内外两种材料的性质,互相补充各自的不足,能够进一步改善材料的物理化学性质,提升材料在各个领域的性能。本文依据手性分子的空间分布对手性等离子体核壳纳米结构的设计策略进行了总结,并综述了其在超灵敏传感和手性催化领域的应用,分析了目前尚存在的问题和可能的解决方式,对其未来的发展作了进一步展望。

532nm纳秒激光电离产生Xe^(z+)(z≤11)高价离子

利用25ns脉冲Nd-YAG532nm激光,在1011W·cm-2的光场强度下,研究了Xe原子团簇的激光电离过程,观察到较强的高价离子信号,其中最高价态达+11.不同脉冲束位置和束源压力的实验表明,仅当激光作用于脉冲束中段时才能观察到高价离子,且高价离子信号强度随束源压力的增加而迅速增强,说明束中大尺寸团簇的存在与高价离子的形成密切相关.通过实验,认为高价离子可能来源于电离原子团簇而形成的纳米尺度等离子体小球对激光光场的共振吸收.

等离子体纳米探针在细胞成像中的应用

贵金属纳米材料具有局域表面等离子共振效应,由于其独特的物理、化学和光学性质,在纳米光子学、化学传感、靶向放射治疗、生物成像等领域得到日益广泛的应用。通过调控等离子体纳米颗粒的组成、形貌和尺寸,可以得到性质各异的散射光探针,并利用暗场显微镜对其进行观测。与荧光探针相比,等离子体纳米探针具有灵敏、稳定的优势,适合活细胞成像和对单个探针进行实时追踪。本文介绍了适用于暗场显微成像的等离子体纳米探针的最新进展;总结了其在观测细胞膜受体分布、原位检测细胞内各类生物分子、追踪胞内转运过程等方面的应用;并对暗场细胞成像的前景进行了展望。

球型和棒状金纳米粒子的光谱性质比较

柠檬酸钠还原和诱导晶种生长法合成了球型和棒状金纳米粒子。金纳米粒子的吸收光谱表明,表面等离子体共振(SPR)强烈依赖于金属粒子的形状,球型粒子表现为单-SPR谱峰,而棒状粒子则具有横向和纵向SPR谱峰,且纵向SPR峰位和强度取决于棒状粒子的径横比。棒状金纳米粒子对吸附的对巯基苯甲酸分子的拉曼散射比球型金纳米粒子具有更强的表面增强性能,归因于棒状粒子高能晶面上的吸附可能导致的更强的化学增强效应。

我国研究成功“万能”纳米技术

中国科研人员运用纳米材料、等离子体、真空、机电一体化等综合技术，研究成功了可以制造多种金属及其化合物的纳米材料，并且适合于工业化生产的“万能”纳米技术。以这种技术为中心，目前已经在甘肃省建立了第一条纳米材料生产线。目前，世界上制造纳米材料主要采用物理、化学、机械方法，真正实现产业化生产的很少。

成膜参数对TiN—MoS_2/Ti复合薄膜摩擦学性能的影响

本研究利用钻削、切削实验及XPS测试等手段考察了非平衡纳米复合等离子体镀膜技术中成膜参数对TiN—MoS2 /Ti复合涂层的摩擦学性能及其理化性能的影响。实验发现靶距、沉积气压及Ti添加剂含量等参数的变化对复合涂层的成分和性能产生了明显的作用。结果表明 ,通过调整选择合适的工艺参数 ,可以得到较高耐磨寿命的TiN—MoS2