等离激元纳米杯的可控化学合成及其OCT增强效应研究

Plasmonic nanocups show promising applications in the fields of optical coherence tomography imaging and surface-enhanced Raman scattering due to their excellent scattering enhancement properties and unique field distribution properties. Existing micro-nano processing techniques are difficult to achieve controllable preparation of plasmonic nanocups, which greatly limits realization of their photophysical performances and applications. This project proposes a new chemical synthesis method, combining templated method and seeded growth, which is intended to realize controllable preparation of single-metal, bimetal, and metal-semiconductor plasmon nanocups, achieving outstanding plasmonic properties of them. Through optimizing the preparation procedures, mass production of the plasmonic nanocups is to be realized. Combining experimental and theoretical studies, this project will investigate systematically the spectroscopic response and scattering-enhancement properties of the plasmonic nanocups, where different materials and different sizes will be employed for the structures, studies will be carried out using different optical excitation modes. On revealing the photophysical mechanisms for the plasmonic response of nanocup structures, gold nanocups will be applied in the targeted OCT enhanced imaging detection of early cardiovascular and cerebrovascular disease in vivo. The results of the project will provide an effective new method for large-quantity and controllable preparation of plasmonic nanocups, new technical supports for OCT, thus, supplying new possibilities for early diagnosis of cardiovascular and cerebrovascular diseases. The related physics, techniques, and system designs have broad application prospects in the field of biomedicine.

等离激元纳米杯在光学相干断层扫描成像检测和表面增强拉曼散射等领域因其优异的光散射增强特性和独特的场分布调制特性而具有良好的应用前景。现有微纳加工技术难以实现等离激元纳米杯的可控制备，极大限制了其光物理学性能的实现和应用。本项目提出一种结合模板法和种子生长的化学合成新方法，实现基于单一金属、双金属和金属-半导体材料的纳米杯的可控制备，获得优异等离激元响应特性，并在优化制备工艺基础上实现其批量制备。采用实验与理论相结合技术路线，系统研究不同材料、不同尺寸纳米杯在不同模式激发光作用下的光谱学响应特性和场散射增强特性。在揭示纳米杯等离激元光物理学响应机制的基础上，开展金纳米杯对体外和活体内心脑血管早期病变的靶向OCT增强成像检测研究。研究结果将为等离激元纳米杯的批量、可控制备提供一种新方法，为OCT提供新的技术支持，进而为心脑血管疾病的早期诊断提供更有效的新途径，在生物医学领域具有广阔的应用前景。

等离激元纳米杯具有强光散射、强电场增强、独特的磁偶极子共振、可调的光热转换效率等特性在光学相干断层扫描成像检测、表面增强拉曼散射、光学纳米天线、二次谐波发生器等领域展现了良好的应用前景。等离激元纳米杯制备方法包括两种：物理制备方法和湿化学合成方法。纳米杯制备必须借助模板，现有制备方法难以实现纳米杯的大批量、低成本、高质量可控制备，极大的限制了其光物理学特性的实现和多领域应用。本项目提出了一种结合模板法和种子生长技术的等离激元纳米杯的湿化学合成新方法，实现了多种金属、金属-半导体纳米杯的形貌和光谱可控制备，通过调整模板尺寸、种子溶液和生长溶液比例、生长溶液种类可以实现不同尺寸、不同高度、不同厚度、不同组成材料的等离激元纳米杯制备，进而获得不同光谱响应及不同散射特性的纳米杯。采用实验和FDTD理论仿真相结合路线，通过研究不同尺寸、不同厚度金纳米杯的吸收散射光谱和电荷电场分布特性，揭示了等离激元纳米杯的光物理学特性，纳米杯的光物理学特性由入射光的方向和偏振决定，共有3种共振模式，分别为轴向、横向P和横向S共振模式，3种共振模式的消光峰随纳米杯尺寸增大发生明显红移并逐渐增多，轴向共振模式产生沿对称轴方向的强电场增强，横向P共振模式产生磁偶极子共振，产生强光散射，横向S模式产生多共振峰，对应偶极、四极、六极、八极共振。基于金纳米杯的强散射特性和良好的化学稳定性，开展了金纳米杯在病变血管壁中的OCT增强成像研究，结果显示有金纳米杯的血管壁的OCT信号明显增强，这为金纳米杯进一步在心脑血管疾病中的早期诊断提供了良好基础。基于纳米杯的强散射和强电场增强特性，开发了基于金纳米杯和CdSe量子点的等离激元随机激光器，激光器具有良好的发光性能，阈值为35 μJ/cm²。相较于其他形状金属颗粒的量子点随机激光器，金纳米杯量子点随机激光器的阈值最低，这为随机激光器在激光雷达、激光成像、生物医学等领域的应用提供了坚实基础。