论文部分内容阅读
由于贵金属粒子局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)特性在传感领域的潜在应用价值,它已经成为近年来光电子传感领域的研究热点。基于LSPR效应的传感器具有制备成本低廉、高灵敏度、快速响应等优点,在生物医学、药物检测、食品安全、环境检测等领域可以发挥重要的作用。本论文在总结前人研究的基础上,将光电子技术、生物医学技术、纳米科学技术交叉融合,同时发挥聚合物良好的力学性能、光学性能,提出制备基于金纳米球颗粒的LSPR效应的聚合物光波导传感器,它具有低成本、高集成度和便携化的特点,并能够与不同结构、种类的波导器件构成集成光子传感芯片。本论文从理论模拟、材料制备、器件制作和性能测试等方面对基于金纳米球颗粒LSPR效应的聚合物光波导传感器件进行研究,主要工作如下:1.分别使用Mie理论模型、Gans理论模型分析了金纳米球颗粒、金纳米棒颗粒的LSPR效应的影响因素。结果表明:随着金纳米球颗粒的体积密度、粒径以及周围环境介质折射率的增大,金纳米球颗粒的LSPR吸收峰的强度也随之增强,并且金纳米球颗粒的粒径以及周围环境介质折射率的增大还会导致金纳米球颗粒的LSPR吸收峰的位置发生红移,当粒径改变10 nm,金纳米球颗粒的LSPR吸收峰的位置平均位移了 7.7 nm。当周围环境介质折射率改变0.03,LSPR吸收峰的位置平均位移3.5 nm。另外,随着金纳米棒颗粒周围环境介质折射率、长宽比的增大,金纳米棒颗粒较高的LSPR吸收峰发生了红移且强度也随之增强,周围环境介质折射率每改变0.5,金纳米棒颗粒较高的LSPR吸收峰的位置平均位移了 31 nm。长宽比每改变0.5,较高的LSPR吸收峰的位置平均位移了44 nm。2.使用柠檬酸钠还原法制备了粒径为20 nm、形貌均一且分散性较好的金纳米球颗粒,采用硅烷自组装单层技术(Silane Selfassembled Monolayer,SMA)将金纳米球颗粒绑定在聚合物SU-8薄膜表面,使用紫外-可见分光光度计对绑定了金纳米球颗粒的聚合物SU-8薄膜进行LSPR可见吸收测试,发现随着聚合物SU-8薄膜表面化学修饰的时间以及金纳米球颗粒在聚合物SU-8薄膜上的绑定的时间增加,金纳米球颗粒LSPR吸收峰的强度也逐渐增加。3.对绑定了金纳米球颗粒的聚合物SU-8薄膜在不同浓度的NaCl溶液、蔗糖溶液中进行可见吸收测试,发现对于浓度为5%、10%、20%的NaCl溶液,折射率平均每改变0.0135,LSPR吸收峰的位置平均位移5.5 nm,灵敏度为314 nm/RIU,LSPR吸收峰位置的红移变化量随NaCl溶液折射率的增大呈线性增加趋势,线性度为0.9977。对于浓度为20%、40%、60%的蔗糖溶液,折射率平均每改变0.039,LSPR吸收峰的位置平均位移6.5 nm,灵敏度为168 nm/RIU,且LSPR吸收峰位置的红移变化量随蔗糖溶液浓度的增大呈线性增加趋势,线性度为0.8708。4.设计并制备了基于金纳米球颗粒的聚合物光波导传感器,搭建了光波导传感器的通光测试系统以及传感检测系统。同时制备了未绑定金纳米球颗粒的器件作对比,以验证金纳米球颗粒对传感器性能的影响。相比未绑定金纳米球颗粒的器件,绑定了金纳米球颗粒的波导传感器件在检测不同浓度的NaCl溶液和蔗糖溶液时,都发现了明显的LSPR吸收峰,并且当NaCl溶液的浓度由5%增大到25%时,吸收强度增加了 0.069,灵敏度为1.863 ΔA/RIU,而蔗糖溶液的浓度由20%增大到60%时,吸收强度增加了 0.030,灵敏度为1.065 ΔA/RIU。