【正文】 探測(cè) ， 如抗原 抗體間的親和力。采用 基于 金屬納米光柵的納流溝道探測(cè)被拉伸的蛋白質(zhì)分子、 DNA 分子的內(nèi)源熒光。此外，把納米光柵為基礎(chǔ)的納流溝道與衰減全反射的 SPR 傳感器相結(jié)合，研制集表面增強(qiáng)拉曼、表面增強(qiáng)熒光光譜探測(cè)和動(dòng)態(tài)可控 SPR 傳感為一體的多功能超靈敏傳感器系統(tǒng)。 利用在納米結(jié)構(gòu)表面不同的光學(xué)“熱點(diǎn)”性質(zhì)優(yōu)化表面增強(qiáng)拉 曼散射和表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)快速和高空間分辨率、高靈敏度的檢測(cè)，發(fā)展基于 表面增強(qiáng)拉曼散射和表面增強(qiáng)熒光統(tǒng)一理論和 基于 新納米結(jié)構(gòu)體系的具有識(shí)別分子“指紋”和分子能級(jí)特性的無(wú)損無(wú)標(biāo)記 新型表面增強(qiáng)拉曼光譜和表面增強(qiáng)熒光光譜技術(shù)， 發(fā)展快速實(shí)時(shí)有效的分子診斷技術(shù)，發(fā)展基于新型金屬納米結(jié)構(gòu)基底的 表面增強(qiáng)光譜傳感器。 6 二、預(yù)期目標(biāo) 總體目標(biāo)： 本項(xiàng)目的總體目標(biāo)是面向國(guó)家在超靈敏傳感器方面的重大需求，自主研發(fā)基于表面等離子體共振的新型超靈敏傳感器技術(shù)和器件原型，以及在新型金屬納米結(jié)構(gòu)體系中與表面等離子體共振相關(guān)的基本 科學(xué)問(wèn)題上做出原創(chuàng)性的成果。同時(shí)，希望通過(guò)組織這一項(xiàng)目，凝聚我國(guó)中科院和高校的相關(guān)單位在表面等離子體光子學(xué)、表面等離子體傳感器和表面增強(qiáng)光譜研究領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)研究力量，達(dá)成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，共同提高，鍛煉出一支高水平的具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的研究隊(duì)伍，培養(yǎng)優(yōu)秀的具有國(guó)際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)帶頭人，培養(yǎng)優(yōu)秀的博士生和博士后，提高我國(guó)在超靈敏傳感器方面的研究水平和能力。 五年預(yù)期目標(biāo)： 、演化、傳導(dǎo)和衰減的過(guò)程和機(jī)制，找到新型金屬納米結(jié)構(gòu)的可控制備和生長(zhǎng)方法，并設(shè)計(jì)其表面等離子體光子學(xué) 特性；理解亞波長(zhǎng)表面等離子體激元在人造周期結(jié)構(gòu)材料中的傳播過(guò)程，探索把亞波長(zhǎng)表面等離子體共振應(yīng)用到材料物性研究中的新方法； 揭示在金屬納米結(jié)構(gòu)中表面等離子體激元和電子輸運(yùn)之間相互作用的機(jī)制。 ，實(shí)現(xiàn)可調(diào)控的、高密度、高周期性金屬納米結(jié)構(gòu)與金屬薄膜的復(fù)合表面等離子體共振（ SPR）傳感結(jié)構(gòu)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面探索納米結(jié)構(gòu)修飾的金屬薄膜多層復(fù)合結(jié)構(gòu)的新的 SPR 傳感原理，解決目前技術(shù)中靈敏度與檢測(cè)范圍、靈敏度與可檢測(cè)性之間的矛盾，為實(shí)現(xiàn)超高靈敏度 SPR 器件綜合性能的提升提供理論基礎(chǔ)和 技術(shù)支持。 SERS 新體系，重點(diǎn)以硅單晶、硅基納米材料表面和金屬 /分子 /金屬結(jié)為研究體系，探討采用 SERS 光譜技術(shù)獲取表面或界面拉曼光譜信息；建立分子、金屬納米結(jié)構(gòu)和激光相互作用的理論模型，發(fā)展能夠統(tǒng)一 SERS 電磁增強(qiáng)和化學(xué)增強(qiáng)的理論；研制具有高靈敏度、高穩(wěn)定性的 SERS 傳感器。 7 ，并找出提高增強(qiáng)效應(yīng)或者抑制淬滅效應(yīng)的方法及相應(yīng)的新型金屬納米結(jié)構(gòu)體系；提高表面增強(qiáng)的熒光共振能量轉(zhuǎn)移的效率和距離，并揭示其精確的物理機(jī)制；結(jié)合微納流技術(shù)，研制高特異性的表面增強(qiáng) 熒光光譜傳感器；研制集表面等離子體共振傳感器和表面增強(qiáng)光譜傳感器于一體的多功能傳感器。 、化學(xué)、生物、材料科學(xué)與納米科學(xué)的交叉融合，培養(yǎng)一支高水平的研究團(tuán)隊(duì)，尤其是培養(yǎng)一批具有上述交叉學(xué)科領(lǐng)域綜合知識(shí)和研究能力的高水平人才，包括研究生和博士后，培養(yǎng)優(yōu)秀的具有國(guó)際水準(zhǔn)的學(xué)術(shù)帶頭人；通過(guò)項(xiàng)目協(xié)作，組成一支在國(guó)際上有重要影響的學(xué)術(shù)梯隊(duì)，在交叉學(xué)科前沿領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究方面做出原創(chuàng)性的成果，每年在國(guó)際一流雜志上發(fā)表高水平的學(xué)術(shù)論文 60 篇以上，影響因子 3 以上的論文 40 篇以上，每年申報(bào)專利 810 項(xiàng)，每年培 養(yǎng)博士生 10 名以上。 8 三、研究方案 總體思路 ： 在本項(xiàng)目中，我們將不局限于單一的現(xiàn)象和單一的科學(xué)問(wèn)題，而是著眼于整體和科學(xué)問(wèn)題之間的聯(lián)系，基于具有表面等離子體共振特性的新的納米結(jié)構(gòu)體系，利用新的研究方法和表征手段，來(lái)構(gòu)建新的理論體系，把表面等離子體共振傳感器、表面增強(qiáng)拉曼散射和表面增強(qiáng)熒光中的基本科學(xué)問(wèn)題和表面等離子體光子學(xué)有機(jī)地聯(lián)系在一起。然后，將新理論體系中取得的突破應(yīng)用于多功能、高通量、超靈敏傳感器的研發(fā)。 ： 在新的納米結(jié) 構(gòu)體系中，存在一些重大科學(xué)問(wèn)題，例如局域增強(qiáng)的電磁場(chǎng)下分子和金屬納米結(jié)構(gòu)的量子相互作用問(wèn)題，可控自組裝納間隙結(jié)構(gòu)對(duì)分子表面增強(qiáng)光譜的影響問(wèn)題，對(duì)這些問(wèn)題的解決是構(gòu)建新的理論模型和理解新現(xiàn)象的關(guān)鍵。而基于新的探測(cè)原理的關(guān)鍵技術(shù)的突破卻是發(fā)展動(dòng)態(tài)可控超靈敏表面等離子體共振傳感器以及高特異性的表面增強(qiáng)光譜傳感器技術(shù)的關(guān)鍵。 ： 集中我國(guó)高校和中科院在表面等離子體光子學(xué)及其相關(guān)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)力量，互相促進(jìn)，互相合作，通過(guò)多學(xué)科的交叉，多個(gè)研究平臺(tái)的合作，以及各種實(shí)驗(yàn)手段的互相配合，在基于表 面等離子體共振的新納米結(jié)構(gòu)體系的研究中取得原始創(chuàng)新性的重大成果，發(fā)展相應(yīng)的具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的超靈敏傳感器技術(shù)。 技術(shù)路線 本項(xiàng)目將圍繞基于新納米結(jié)構(gòu)體系的表面等離子體光子學(xué)的新特性以及相應(yīng)的傳感器研究，利用納米制備、加工和表征手段，以及 相應(yīng)的 理論模型來(lái)研究新納米結(jié)構(gòu)體系的表面等離子體光子學(xué)特性 ,研究相應(yīng)的表面增強(qiáng)拉曼光譜和表面增強(qiáng)熒光光譜，發(fā)展新一代動(dòng)態(tài)可控的超高靈敏度表面等離子體共振傳感器和高特異性的表面增強(qiáng)光譜傳感器。 具體研究方案和技術(shù)路線如下： 9 1．新納米結(jié)構(gòu)體系的制備及其表面等離子體光子學(xué)特性的 研究 利用化學(xué)合成、自組裝方法和最近發(fā)展起來(lái)的微納加工手段來(lái)制備各種新型納米結(jié)構(gòu) 。 在化學(xué)合成方法中，我們將 引入合適的 表面活性劑和 采用合適的無(wú)機(jī)鹽離子來(lái)降低或加快納米晶生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué) 過(guò)程來(lái)控制不同尺寸、形貌的貴金屬和過(guò)渡金屬納米顆粒的生長(zhǎng)制備。 進(jìn)而優(yōu)化合成與生長(zhǎng)的工藝條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)貴金屬和過(guò)渡金屬的低維納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀和成分的有效調(diào)控。 在微納加工手段方面，我們將利用物理所微加工實(shí)驗(yàn)室的各種先進(jìn)設(shè)備包括紫外光刻、電子束直寫（ EBL）系統(tǒng)和可輔助沉積或刻蝕的雙束聚焦離子束（ FIB）系統(tǒng)來(lái)制作各 種尺寸和形貌的納米結(jié)構(gòu)。對(duì)于大面積的周期性納米結(jié)構(gòu)，我們將利用微電子所和電工所的先進(jìn)實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行掩模板的加工。并利用物理所的微加工條件進(jìn)行各種探索，發(fā)展一套穩(wěn)定的微米至亞微米尺度周期性和準(zhǔn)周期性幾何結(jié)構(gòu)點(diǎn)陣的微加工工藝，為開展下一步的研究工作打好基礎(chǔ)。 新型金屬納米結(jié)構(gòu)的表征和表面等離子體光子學(xué)特性的研究 通過(guò)掃描電鏡、透射電鏡、原子力顯微鏡、 X射線粉末衍射和 X射線光電子能譜來(lái)確定金屬納米顆粒的形貌、尺寸、結(jié)構(gòu)和成分；通過(guò)吸收光譜來(lái)研究溶液中的金屬納米顆粒的表面等離子體共振頻率；利用暗場(chǎng)顯微鏡和 光譜儀研究單個(gè)顆?；騿蝹€(gè)納米結(jié)構(gòu)的散射光譜，來(lái)確定其表面等離子體共振頻率；利用掃描近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡來(lái)確定單個(gè)顆?；騿蝹€(gè)納米結(jié)構(gòu)局域的表面增強(qiáng)電場(chǎng)的分布。在上述的光學(xué)表征中，我們都可以通過(guò)改變?nèi)肷涔獾钠窕蛘咄ㄟ^(guò)測(cè)量散射光的偏振，來(lái)研究表面等離子體光子學(xué)特性的偏振依賴性。 對(duì)于周期性人工金屬納米結(jié)構(gòu)的研究，我們將 利用富利葉變換紅外光譜儀測(cè)量在亞波長(zhǎng)波段入射光通過(guò)樣品后的透射率，利用亞波長(zhǎng)表面等離子體的理論進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)所得到的透射譜進(jìn)行分析，通過(guò)透射譜隨各參數(shù)的改變來(lái)研究表面等離子體激元的產(chǎn)生以及傳播。我們也 將利用拉曼光譜儀和熒光顯微鏡研究周期性人工金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼和表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)。 利用飛秒時(shí)間分辨瞬態(tài)光譜來(lái)探測(cè)表面等離子體激元的形成、演化和衰減過(guò)程。 10 理論方面，我們將利用 Mie 理論、時(shí)域有限差分（ FDTD）的方法來(lái)計(jì)算新納米結(jié)構(gòu)體系中表面等離子體光子學(xué)特性。利用我們初步發(fā)展起來(lái)的一套量子力學(xué)的線性響應(yīng)理論方法，并采用現(xiàn)有的含時(shí)理論計(jì)算程序包來(lái)模擬動(dòng)力學(xué)過(guò)程，對(duì)表面等離子體激元的產(chǎn)生、演變和衰減過(guò)程進(jìn)行研究。這兩套方法在研究體系的尺度上和激發(fā)態(tài)性質(zhì)上可以互相對(duì)比和補(bǔ)充。另外，我們還將進(jìn)一步發(fā)展結(jié)合經(jīng)典理論和量子理論的半經(jīng)典方法，為處理金屬納米系統(tǒng)的表面和界面動(dòng)力學(xué)作準(zhǔn)備。 在表面增強(qiáng)的電荷和能量轉(zhuǎn)移的理論研究上，我們將通過(guò) GAUSS, TURBOMORE等量子化學(xué)的方法研究金屬納米團(tuán)簇和所吸附分子的電子結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)能級(jí)、勢(shì)能面。然后用我們自己編寫的 FORTRAN 程序計(jì)算光誘導(dǎo)下它們的電荷和能量轉(zhuǎn)移的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，研究表面增強(qiáng)電荷和能量轉(zhuǎn)移的機(jī)理和有效途徑，為理解表面增強(qiáng)熒光的機(jī)制提供理論依據(jù)。對(duì)于電子輸運(yùn)與表面等離子體共振的相互關(guān)系研究，我們計(jì)劃將含時(shí)密度泛函理論（ TDDFT）和非平衡格林函數(shù)（ NEGF）相結(jié)合發(fā)展一套能夠處理納米結(jié)構(gòu)、等離子體振蕩和電子輸運(yùn)三者關(guān)系的算法程序。 2. 新納米結(jié)構(gòu)體系的表面增強(qiáng)拉曼散射和表面增強(qiáng)熒光 的研究 新納米結(jié)構(gòu)體系的表面增強(qiáng)拉曼散射研究 利用 金屬 納米 粒子