【導讀】主知識產(chǎn)權的相關傳感器和分析測試儀器打下堅實基礎。為此，我們需要解決的。雜的電荷和能量轉(zhuǎn)移機理。SERS基底材料的拓展。雖然已經(jīng)從金、銀和銅拓展到其它過渡金屬體。發(fā)展超高靈敏度的SERS傳感器和分子器件的關鍵基礎之一是。迄今對光、分子和納米結構三者相互作用的理論模型和計算方法尚未建立，制淬滅的效應；熒光的表面增強效應只作用于離金屬納米結構很近的分子，結構體系來高效地、穩(wěn)定地、可控地探測目標分子。物種的高效分離。表面等離子體光子學特性。探索利用可調(diào)光柵的動力學特征和其表面等離子體光。利用消光光譜和暗場散射光譜研究納米結構的表面等離子體共振頻率。瞬態(tài)吸收光譜研究金屬納米結構的表面等離子體激元的形成、演化和衰減過程，構體系提供幫助。間的關系，以探尋用表面等離子體共振控制電子輸運的可能性。拉曼活性探針分子及表面活性中心的結構關聯(lián)。度及分布不均勻的問題。助下的單分子熒光共振能量轉(zhuǎn)移，從而揭示以質(zhì)心為中心的分子運動。

　　

【正文】 納流技術，并結合表面增強拉曼光譜和表面增強熒光探測技術，發(fā) 展實用、高效和高特異性的表面增強光譜傳感器。 研究內(nèi)容： 金屬納米結構對熒光的作用既有增強又有淬滅，如何在增強的同時減少淬滅是表面增強熒光研究的關鍵科學問題。我們將通過制備新型金屬納米結構體系，研究不同大小和形狀的金屬納米顆粒、殼層金屬納米結構、自組裝的金屬納米結構和人工微結構基底對增強熒光和減少淬滅的作用，研究隔離層和周圍環(huán)境對表面增強熒光的影響，發(fā)展相應的理論模型，從而實現(xiàn)優(yōu)化的表面增強熒光的新納米結構體系，結合表面增強拉曼光譜和表面增強熒光光譜探測技術發(fā)展相 19 應的表面增強光譜傳感器。 課題間的相互關系及 與項目的總體目標和五年預期目標的關系： 本項目將研究基于表面等離子體共振的新納米結構體系中的基本科學問題，發(fā)展相應的制備和表征方法，建立新的理論模型，并發(fā)展動態(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光譜傳感器。這些研究是密切聯(lián)系的，并相互補充，是一個有機的整體。其中，第一個課題側(cè)重于表面等離子體光子學的研究，以構筑可控新金屬納米結構體系為基礎，以各種光學表征、飛秒時間分辨瞬態(tài)光譜和相應的量子理論模型為手段，全面構建完整的關于表面等離子體光子學的理論體系。以課題一為基礎，后三個課題主要解決 表面等離子體共振傳感器、表面增強拉曼光譜和表面增強熒光光譜傳感器在新納米結構體系中表現(xiàn)出的重大基本科學問題，以及在傳感器應用方面的關鍵技術問題，以完善的理論體系為指導，強調(diào)新的納米尺度的表征方法和新的探測原理，發(fā)展基于表面等離子體共振的動態(tài)可控、高通量和高特異性的傳感器技術。這三個課題各有側(cè)重，分別是：課題二，動態(tài)可控的超高靈敏度表面等離子體共振傳感器；課題三，納間隙結構的表面增強拉曼效應及表征新技術；課題四，高特異性的表面增強光譜傳感器。對新納米結構體系中表面增強熒光光譜的機理研究主要包括在課題四中。盡管 這三個課題的側(cè)重點不同，但它們所依賴的基本原理、制備技術和應用對象都具有非常密切的相關性，是在第一個課題基礎上發(fā)展出來的具有廣闊應用前景的超靈敏傳感技術，而本身包含的科學問題涉及到光、分子和金屬納米結構的相互作用，是具有非常重要的科學意義的。 課題的設置既重視基礎的研究，也重視應用的研究。同時，通過各個課題之間的密切合作，互通有無，也鍛煉了我國在超靈敏傳感器研究方面的高水平研究團隊，培養(yǎng)大量的優(yōu)秀人才，提高我國在超靈敏傳感器方面的研究水平和能力。這與項目的總體目標是密切相關的，是總體目標實現(xiàn)的基礎和有效保障 。在項目執(zhí)行的前五年期間，該課題的設置也是實現(xiàn)五年預期目標的非常有效的組織方式，可以保證五年預期目標的實現(xiàn)。 20 四、年度計劃 研究內(nèi)容 預期目標 第 一 年 探索各類基本和相對獨立納米結構條件下的 SPR 響應特性；研究在特定基底或材料上制備高密度、多維復雜的納米結構體系的微納尺度圖形的設計、加工和調(diào)控的工藝；研究制備基于波導耦合 SPR 或長程 SPR模式的可調(diào)諧 SPR 結構； 研究硅材料與金屬納結構界面的 SERS 光譜；結合掃描探針顯微技術和表面增強拉曼光譜技術研究表面各種端基、保護基和化學修飾官能團的表面微結 構以及硅表面與納米結構的相互作用；表征不同形狀、大小、材料的納米粒子 /結構的光學性質(zhì)；嘗試將量子小體系嵌入大的經(jīng)典等離子外場中的半經(jīng)典理論方法，從頻率空間和實時空間同時進行嘗試。 發(fā)展出穩(wěn)定的在超導體以及各類相關材料上加工各類微納尺度圖形的工藝； 設計出具有極大增強效應的新型納米結構和新型的采譜方式；獲取表面各種端基、保護基和化學修飾官能團的表面微結構信息以及硅表面與納米結構作用的信息； 掌握電子束刻蝕技術與納米壓印技術相結合的制備納米結構的方法，從而制作出高質(zhì)量的周期性納米結構以及納米光柵為基礎的納流溝道。 21 研究內(nèi)容 預期目標 第 二 年 研究復雜和高密度納米結構條件下的 SPR 響應特性；研究納米結構的尺度、維數(shù)、密度、材質(zhì)等參數(shù)對SPR 響應的影響；研究具有表面納米結構的基于波導耦合 SPR或長程 SPR等的多層芯片結構及其 SPR 效應的調(diào)控方法；探索以 衰減全反射為基礎的 表面增強拉曼、增強熒光、和增強SPR 為一體的集成系統(tǒng)及其機理； 利用具有高空間分辨率的針尖增強效應、或利用硅薄膜表面底層具有一定納米粗糙度銀 /金膜的增強效應，研究硅和氧化物材料的單晶表面和納米結構表面的物理化學性質(zhì)； 利用機械可控斷裂隧道結技術和有序納米粒子載體可控伸縮 技術，構建和組裝不同類型探針分子結的結構，進行新型的 SERS 光譜技術研究；結合 SERS實驗，開展相關 SERS 理論研究；利用飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜研究結構較簡單的金屬納米顆粒的表面等離子體激元；計算小量子體系在納米薄膜和其他模型結構的經(jīng)典電磁場背景下的輻射衰變，電子衰變壽命和通道比，及其對表面拉曼增強效應的影響。 完善基本或獨立納米結構條件下的 SPR 理論模型；建立描述復雜納米結構的 SPR 特性的初步理論模型；制作具有 SPR 調(diào)節(jié)功能的多層納米結構的芯片，搭建 SPR 系統(tǒng)檢測研究平臺；對全反射表面增強拉曼、熒光的機 理有一個初步了解；實現(xiàn)高空間分辨的硅和氧化物單晶表面和納米結構的物化性質(zhì)的針尖增強測量；制作出具有可控納米間隙的納米結構，實現(xiàn)對探測分子的 SERS 測量；建立能夠解釋 SERS 實驗現(xiàn)象的具有一般性的物理模型，加深對 SERS 機理的理解。 22 研究內(nèi)容 預期目標 第 三 年 研究高靈敏度、高信噪比 SPR檢測模式；搭建新原理條件下的 SPR傳感器系統(tǒng)；對波導耦合 SPR、長程SPR等可調(diào)控 SPR檢測模式進行復雜生化體系的研究；研究利用電子束刻蝕技術所調(diào)控的周期性納米結構間的間隙對吸附在其間的熒光分子的增強效應；從實驗和理論上研究表面增強的 熒光共振能量轉(zhuǎn)移的機理； 在具有磁性的材料上進行亞波長表面等離子體的研究；利用發(fā)展的半經(jīng)典理論方法研究納米體系離子激發(fā)誘導的電子激發(fā)和量子輸運特性。 完善和豐富復雜和高密度納米結構的 SPR 理論；建立能統(tǒng)一物理增強和化學增強機理的拉曼和熒光增強的新理論模型；發(fā)展能描述激光、納米結構表面和吸附分子相互作用的拉曼散射過程及熒光發(fā)射過程的理論方法；得到電磁波中磁場分量對亞波長表面等離子體的影響及其色散關系。 第 四 年 研究基于新原理建立的 SPR 傳感器的性能； 深入研究 SERS 新體系的識別分子指紋特性，從拉曼譜峰 、拉曼譜強度以及熒光強度的角度探討表面增強拉曼及熒光光譜與表面活性中心和表面結構的關系；探討研制基于 表面增強拉曼和熒光光譜技術的納米 傳感器條件參數(shù) ；利用飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜研究較復雜的金屬納米結構的表面等離子體激元；研究典型的表面和納米體系聲子耗散，及其對等離子激發(fā)壽命的影響。 優(yōu)化微加工工藝，通過功能材料摻雜、表面修飾等方法全面提升新型SPR 傳感器的檢測性能；利用在納米結構表面不同的光學“熱點”性質(zhì)優(yōu)化增強 SERS 及熒光效應；實現(xiàn)快速和高空間分辨率、高靈敏度的檢測，發(fā)展 SERS 和 表面增強 熒光 機理的新理 論。 23 研究內(nèi)容 預期目標 第 五 年 發(fā)展基于新型納米結構體系的SPR傳感的新理論和基于 SPR傳感新理論的可調(diào)控性、高靈敏度 SPR 傳感器；研究 SPR 各種檢測模式所對應實際 SPR 傳感器的性能，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權和良好應用前景的新型SPR 傳感器； 研制基于 表面增強拉曼光譜和表面增強熒光光譜技術的納米 傳感器 ；研究亞波長表面等離子體應用于材料物性研究和開發(fā)探測器的可能性；利用自主發(fā)展的半經(jīng)典理論方法研究等離子體衰變對表面原子和電子動力學的影響、界面光伏特性、水分子解離等應用問題。 實現(xiàn)以納米光柵為基礎的納流溝道的生物分子的實時檢 測；發(fā)展出基于 SERS 表面增強機理的新理論和基于 SERS 新體系的具有識別分子指紋特性的無損無標記 新型表面增強拉曼光譜技術；利用在納米結構表面不同的光學“熱點”性質(zhì)優(yōu)化增強SERS 效應實現(xiàn)快速和高空間分辨率、高靈敏度的檢測， 發(fā)展出快速實時有效的分子診斷技術。