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南通大学本科生毕业论文开题报告
学生姓名 章加启 12020620学 号 专业 12 光信息科学与技术 课题名称 阅读文献 二维金纳米颗粒阵列的LSPR传感特性研究 国内文献 5篇 开题日期 2016.1.12 篇 国外文献 1篇 开题地点 情 况 篇 一 文献综述与调研报告：（阐述课题研究的现状及发展趋势，本课题研究的意义和价值、参考文献） 局域表面等离子体共振(Localized surface plasmon resonance，LSPR)是贵金属纳米粒子的传感性质最重要的光谱表现形式之一，是一种由入射光(电磁场)与金属纳米粒子表面自由电子间相互作用产生的物理光学现象：入射光激发金属粒子表面自由电子发生集体振荡，当入射光频率与自由电子集体振荡频率相等时达到共振，并在紫外可见消光光谱中表现出吸收峰[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对纳米材料的尺寸、形貌、组成、电荷以及其所处的介电环境非常敏感[2]。 对于金纳米材料的LSPR研究主要集中在球形金纳米颗粒和金纳米棒两个方面。纳米颗粒作为贵金属纳米材料的代表，具有强吸收和强散射的光学特性。一般情况下，粒径越小的颗粒，将照射到其表面的光转化成热或其他形式能量的概率越大，而在对光的散射方面较弱，也即散射光较弱。粒径越大的颗粒，光散射越强，在将光转化成热或其他能量的概率越小[3]。所以，大粒径的球形金纳米颗粒的吸收峰波长比小粒径的球形金纳米颗粒的吸收峰波长更长。 而对于金纳米棒，与球形金纳米颗粒相似的是有很强的SPR效应；不同的是，棒状颗粒具有横向和纵向两个LSPR峰。其中，纵向LSPR(SPR)峰的位置取决于金纳米棒颗粒的长短轴比。因此，通过控制不同比率，可以实现纵向SPR峰位置的调控。 在最近十年，与表面等离激元有关的研究取得了众多令人鼓舞的新进展，而且迅速向其他领域交叉渗透，新的研究分支不断出现。贵金属纳米材料，尤其是金纳米材料，已广泛应用于光电子器件、传感技术、生命科学等领域，尤其是在光化学与生物分析方面的研究和应用，有很多成果出现。 金属纳米颗粒的性质使其在可见到近红外区具有较强的吸收和散射，因此可以利用纳米颗粒集体性质的变化来实现对特定物质的分析传感[4]。2009 年，Moreno等用寡核苷酸修饰的金纳米颗粒建立了一种芯片。这种芯片可以进行多个模块的检测，而且还避免了一些非特异性的相互作用发生。2010 年，Chai等用 L-半胱氨酸功能化的金纳米颗粒在紫外光的照射下对汞离子进行了比色检测分析，实现了实时、现场检测离子的需要[5]。 本课题主要研究二维金纳米颗粒阵列的LSPR传感特性。当有两个或更多的金属纳米结构靠近时，由于粒子之间的相互作用，光（电磁波）的各种模式在这些粒子间的作用相互影响，可能会出现多种新的混合模式[7]。目前对于这一课题的研究取得了一定的进展。当前在这一课题上，主要通过实验和计算机模拟两种方法进行研究，并且常常需要将二者结合起来，先用计算机模拟计算得到理论解，然后进行实验验证模拟的结果是否正确。但是用来确认在金属纳米颗粒阵列的光学响应中存在剧烈的衍射现象的实验只取得了有限的成功。原因主要有以下几点：缺乏同质的实验环境；照明光角度散开；选择不恰当的颗粒体积和纵横比 [8]。 由于金属纳米材料独特的LSPR特性，在应用时可以通过控制不同变量的参数从而得到不同的LSPR结果，并且由于金纳米材料能和不同物质结合形成功能性纳米结构，用来检查特定的分子和结构。利用金纳米材料LSPR特性制成的传感器具有较高的灵敏度和稳定性，以及较好的复现性、结构简单等优点。将球形金纳米颗粒拍成二位阵列，能对较大的一个面内的物质进行检测和分析，并且能对面内某一点处的具体情况进行研究。这就给二维金纳米颗粒阵列的LSPR传感特性研究提供了方向和动力。 对于未来的金纳米材料的LSPR研究，主要要从两个方面进行完善。一是改进纳米颗粒的制备方法。目前有两种制备方法：物理法和化学法，在材料尺寸和性质上的可控性已经有了很大的进步，但依然存在稳定性不高和有毒性等缺点[9]。二是要完善试验环境和方法。理论计算虽然能得出理想的结果，但在实际应用中任然有环境不稳定、固定金纳米材料方法冗长等问题。二维金纳米颗粒阵列的LSPR传感特性尤其要解决好这两方面的问题，保证单个颗粒之间的各向同性以及与基板很好的结合。 参考文献： [1]宋燕. 基于金纳米颗粒局域表面等离子共振吸收LSPR生物传感的研究[D].苏州:苏州大学,2010. [2] 二 本课题的基本内容，预计解决的难题 研究内容： ⑴学习光与金纳米颗粒相互作用的准静态电磁理论和计算模拟方法以及COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件。 ⑵利用COMSOL Multiphysics软件，计算二维金纳米颗粒阵列的局域表面等离激元共振（LSPR）吸收、散射和消光特性。 ⑶分析颗粒形状大小、间距以及颗粒排列对其LSPR传感特性的影响。 研究目标： 利用多物理场仿真软件理论计算和模拟二维金纳米颗粒阵列的远场光学性质，分析颗粒形状大小、颗粒间距和排列对其LSPR峰值位置和强度对周围介电环境变化的响应灵敏度的影响，阐述其物理原理。 三 课题的研究方法、技术路线 ⑴查阅近年来利用准静态电磁理论和计算模拟方法研究金属纳米颗粒光学性质的文献和资料，利用COMSOL Multiphysics软件重复文献计算结果。 ⑵计算模拟二维金纳米颗粒有序阵列在不同介电环境下的远场光学性质。 ⑶利用Origin软件将得到的光谱数据绘制成图，从计算得到的光谱中分析颗粒形状大小、颗粒间距和排列对二维金纳米颗粒阵列的LSPR传感灵敏度的影响。 四 研究工作条件和基础 本课题的指导者近年来主要从事金属纳米颗粒光学性质的理论计算模拟研究，主持和参与了多项自然科学基金课题研究，包括国家级、省部级以及省高校自然科学基金课题，在国外SCI源期刊上发表相关论文10多篇。该生掌握了一定的光学和传感器基础知识以及理论计算模拟方法，并具有一定计算机应用能力和文献检索能力；学校图书馆和校园网有比较丰富的图书资料。综上所述，完成本课题研究的基础条件已基本具备。 五、进度计划 起讫日期 10月18日－11月25日 11月25日－1月12日 1月12日－4月25日 4月25日－5月25日 5月25日－5月31日 6月1日－6月6日 6月7日－6月12日 6月12日－6月15日 论文阶段完成日期 文献调研完成日期 撰写论文完成日期 工作内容 选题、发任务书、查阅文献资料 研读文献、设计研究思路，开题报告 根据开题报告，继续课题研究，中期检查 课题研究，完成论文初稿，完成外文翻译 指导老师批阅论文第一稿 修改论文，并定稿 指导教师评定成绩，评阅老师评阅论文，写出评阅意见。 答辩 论文实验完成日期 评议答辩完成日期 指 导 教 师 评 语 导师签名： 2016年 1 月 12 日 系 意 教研室主任签名： 2016年 1 月 12 日 见 学院 意见 通过开题（ ） 开题不通过（ ） 教学院长签名： 2016年 1 月 12 日 注：1、学院可根据专业特点，可对该表格进行适当的修改。