可控分形银纳米结构衬底制备及其表面增强荧光效应研究

The fractal-like metallic nanostructures with self-similar and scale-invariance exhibit very unique optical properties, which plays an important role in the surface-enhanced fluorescence(SEF). To the best of our knowledge, the study on the relationship of the fractal characteristic and the SEF effect are barely carried out. We have observed that the metallic fractal nanostructures with profound fluorescence enhancement, relies on the characteristic of the fractal substrate. Therefore, it is important to explore the relationship between the characteristic of fractal-like metallic nanostructure substrate and surface enhanced fluorescence. In the current proposal, the controllable silver fractal nanostructure substrate will be fabricated with electrochemical method. With laser spectroscopic technique and the surface enhanced electromagnetic(EM) theory, the coupling mechanism among the excitation light, probe molecule and fractal metallic nanostructure in SEF effect will be studied. The influence of fractal characteristic, such as fractal dimension, on the modification of locally enhanced EM filed will be investigated too. We expect that the quantitative relationship between the fractal character and SEF will be revealed. The aim of current project will help to understand the important role of the enhancement substrate in SEF study, and provide the experimental and theoretical support for the fabrication of high sensitive surface enhanced spectscopic sensor chip.

分形金属纳米结构具有自相似性和标度不变性等特点，表现出非常奇特的光学特性，在表面增强荧光衬底的研究中具有十分重要的意义。研究发现分形衬底具有显著的表面增强荧光特性，且与衬底的分形特征参量密切相关，因此对衬底分形特征与表面增强荧光效应之间关系进行系统深入研究显得尤为重要。本项目拟采用电化学沉积方法，制备可控分形参量的纳米结构金属衬底；利用激光光谱技术，根据表面增强电磁理论，通过系统研究光、探针分子和分形金属衬底之间的相互作用机制，探索衬底分形特征在调制局域电磁场分布中的作用，从而揭示衬底分形特征参量与表面增强荧光效应之间的内在关联。本项目的研究工作对于发展增强衬底，全面理解金属衬底结构和性质变化对表面增强荧光效应的影响有重要推动作用，并为制备高灵敏表面增强光谱传感器提供实验支持和理论依据。

荧光光谱技术作为一种无损检测手段，在生物传感、医学诊断、照明显示等领域有着广泛的应用。因此，如何提高荧光辐射强度是当前光谱技术研究的热点课题之一。本项目运用激光光谱学方法，通过制备具有分形等构型特征的金属纳米结构衬底，研究表面增强荧光效应的增强机理，探索增强荧光强度和提高探测灵敏度的新途径，为发展表面增强荧光光谱学研究，实现高灵敏、原位无损荧光探测提供理论依据和实验支持。.本项目基于电化学及还原法等手段，设计合成具有分形等构型的金属纳米结构衬底；系统研究衬底、发光中心及激发条件三者之间的协同作用对增强效应的影响规律。在国内外学术期刊上发表学术论文15篇，受邀撰写英文专著1个章节，申请发明专利1项。具体如下：.（1）在分形纳米结构衬底制备工艺条件探索方面，利用电化学沉积等方法制备具有分形特征的金属纳米结构衬底，探索研究衬底分形参量与实验制备条件之间关系，为表面增强荧光效应研究提供样品支持；.（2）在关于光、探针分子和纳米结构衬底之间的相互作用机制探索方面，选择具有不同光谱性质的探针分子，利用激光光谱学技术，对所制备的银、金银合金分形衬底的表面增强光谱行为展开研究；利用还原法，制备得到不同构型的金/银纳米结构衬底，研究介电属性、构型变化等对有机发光中心荧光光谱辐射行为的调控规律。此外，对金属纳米结构衬底的局域电磁场强分布等特性展开研究。上述探索为拓展荧光光谱技术在多通道目标检测和分析中的应用提供了新途径；.（3）通过引入离子共掺杂、变换基质结构等途径，以单颗粒稀土掺杂微纳米发光材料为研究对象，对无机发光中心的荧光辐射行为的调控机理展开研究，实现了高效增强荧光发射和光谱性质的调控。.项目在研期间，帮助和支持2名青年教师实现了科研水平和能力的大幅提升，1人获“陕西省青年科技新星”称号，1人得到了国家基金委在本领域科研项目的支持。项目执行期间，合作培养硕士研究生5名，项目组先后参加多次本领域的国内外学术会议。