一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺

本发明属于微纳测量，涉及到等离子体纳米颗粒间的相互作用，尤其涉及到一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺。

背景技术：

1、纳米级别的距离测量在生命科学、微纳测控、微机械等相关领域具有重要意义。受限于光学分辨力，纳米级的微小距离难以通过传统的光学成像技术进行直接测量，而通过物质间的近场作用，将作用距离表征为光谱的变化已成为微小尺寸测量的有力手段。例如荧光共振能量转移fret技术作为一种高效的光学“分子尺”，已广泛应用于生物大分子相互作用、免疫分析、核酸检测等方面。fret是指两个荧光发色基团在足够靠近时，当供体分子吸收一定频率的光子后被激发到更高的电子能态，在该电子回到基态前，通过偶极子相互作用，实现了能量向邻近的受体分子转移，即能量共振转移。fret效率强烈依赖于供受体间的距离，因此可以通过荧光强度的变化表征距离信息。这种转移只有在供-受体间的距离小于10nm才有效，因而限制了fret的感知距离。

2、相对于fret这种近程光尺，贵金属纳米粒子物间的相互作用可以在较远的范围内感知彼此的存在。光作用于贵金属纳米结构时，会激发金属表面的电子在电磁场的作用下产生共振震荡，导致光与金属间的能量交换，这种局域表面等离子体共振(lspr)在光谱上表现出强烈的消光现象。当两个贵金属纳米颗粒彼此靠近时，两者间会发生等离子体杂化耦合作用，导致两者的共振峰在光谱上产生移动，该移动量对于两者间的距离具有强烈的依赖关系。借助lspr光谱的移动表征距离信息使得等离子体光谱尺成为新型远程光尺。例如通过纳米金球二聚体的lspr共振峰的移动可以在1～100nm范围内表征金球间的距离。

3、相对于fret中供体-受体间的共振能量转移，贵金属纳米结构间的lspr作用可以表征更加复杂的相对方位变化，因为lspr耦合作用不仅依赖于颗粒间的距离，还强烈依赖于尺寸、形状等几何参数。但是目前的研究主要集中在对于距离的响应，而更加复杂的纳米方位姿态变化却鲜有报道。

技术实现思路

1、本发明提出一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，要解决的技术问题是纳米颗粒旋转角的定量测量。本发明利用纳米芯帽颗粒与球形颗粒间的lspr作用，通过球形颗粒感知纳米芯帽颗粒的姿态旋转。纳米芯帽颗粒在平行和垂直于其对称轴上分别展现出不同的等离子体共振模式，利用芯帽结构将纳米颗粒间的相互作用分裂为其相互正交的两个轴上的等离子体模式分别与球形颗粒的电偶极子模式的作用。当该正交轴系随着纳米芯帽颗粒绕着其球心旋转时，两个轴上对应的模式与纳米球形颗粒的作用强度发生相反的趋势，即一个减弱，另一个增强，从而引起两个对应峰位的反向移动，基于该双波长及其变化量确定旋转角。

2、本发明的技术方案：

3、一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，利用纳米芯帽颗粒的电偶极子和磁耦极子的表面等离子体模式分别与球形纳米颗粒电偶极子模式发生lspr共振耦合作用形成的两个特征lspr消光峰，确定纳米芯帽颗粒绕着球型纳米颗粒的球心的旋转角。其中：

4、所述的异构纳米颗粒对是由两个结构不同的等离子体纳米颗粒a和等离子体纳米颗粒b组成的一对颗粒，其中等离子体纳米颗粒a为各向同性的球形贵金属纳米结构，为实心球或芯壳形状，实心球或芯壳结构的外壳材料为具有局部表面等离子体共振效应的贵金属、芯壳结构的芯核材料可为介质或其他金属材料；等离子体纳米颗粒b为纳米芯帽颗粒，是由球形芯核和覆盖其外表面的帽型金属壳构成的纳米芯帽结构，帽型金属壳的材料为具有局部表面等离子体共振效应的贵金属、球形芯核材料可为介质或其他金属材料，等离子体纳米颗粒b为各向异性等离子体颗粒，激发电场在平行和垂直于其对称轴方向上(设为l1和l2)分别激发两种不同的局部表面等离子体共振模式，即电偶极子模式和磁偶极子模式。

5、所述的异构纳米颗粒对间相互作用是发生在等离子体纳米颗粒a和等离子体纳米颗粒b间的局部表面等离子体共振耦合作用，包括两个作用模式，分别为等离子体纳米颗粒a的电偶极子模式与等离子体纳米颗粒b的电偶极子模式间的lspr耦合作用、等离子体纳米颗粒a的电偶极子模式与等离子体纳米颗粒b的磁偶极子模式间的lspr耦合作用。

6、所述的双波长角规光谱尺是通过等离子体纳米颗粒a感知等离子体纳米颗粒b的旋转，即通过等离子体纳米颗粒a与等离子体纳米颗粒b间lspr耦合作用产生的两个消光峰的中心波长及其变换量测量等离子体纳米颗粒b的特征轴系与等离子体纳米颗粒a和等离子体纳米颗粒b中心连线方向的夹角θ：等离子体纳米颗粒b的对称轴与等离子体纳米颗粒a和等离子体纳米颗粒b的球心连线重合且帽顶朝向等离子体纳米颗粒a时为平衡位置，即θ＝0°，等离子体纳米颗粒b绕着其球心在|θ|∈(10°,75°]范围内进行旋转，随着|θ|的增加等离子体纳米颗粒b的两个正交lspr振动轴分别以相反的趋势靠近两纳米颗粒的作用中心，造成所述的两个作用模式的作用强度一个减弱另一个增强，两个消光峰对应的共振波长的相对移动量(δλ/λ)分别正比于各自的方向因子和振动中心距函数，依据此双波长及其变换量确定等离子体纳米颗粒b的旋转角。

7、所述的双波长角规光谱尺是通过等离子体纳米颗粒a与等离子体纳米颗粒b之间的lspr耦合作用将单个等离子体纳米颗粒b在不同旋转方向时电偶极子和磁偶极子模式中对应的消光强度变化转换为光谱的移动。

8、所述的双波长及其变换量为异构纳米颗粒对中等离子体纳米颗粒a的电偶极子模式分别与等离子体纳米颗粒b的电偶极子和磁偶极子模式发生耦合作用产生的lspr谱峰的中心波长，变换量为基于上述两个波长进行的变换操作，包括相减、相除及其他量值变换。

9、所述的异构纳米颗粒对间的等离子体作用，是在线偏振光激发下发生的等离子体共振模式，旋转线偏振光的方向影响特征峰系的消光强度。

10、所述的双波长及其变换量取决于等离子体纳米颗粒a与等离子体纳米颗粒b各自结构的几何参数及两者球心连线之间的距离。

11、本发明的有益效果：本发明提出的一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，可以针对类球形旋转结构进行旋转角的定量测量。在生命科学、微纳测控、微机械等相关领域可应用于纳米级别的距离测量，尤其可监测复杂的纳米方位姿态变化。

技术特征：

1.一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，其特征在于，所述的基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺是利用纳米芯帽颗粒的电偶极子和磁耦极子的表面等离子体模式分别与球形纳米颗粒电偶极子模式发生lspr共振耦合作用形成的两个特征lspr消光峰，确定纳米芯帽颗粒绕着球型纳米颗粒的球心的旋转角；其中：

2.根据权利要求1所述的一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，其特征在于，所述的双波长及其变换量为异构纳米颗粒对中等离子体纳米颗粒a的电偶极子模式分别与等离子体纳米颗粒b的电偶极子和磁偶极子模式发生耦合作用产生的lspr谱峰的中心波长，变换量为基于上述两个波长进行的变换操作，包括相减、相除及其他量值变换。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，其特征在于，所述的双波长及其变换量取决于等离子体纳米颗粒a与等离子体纳米颗粒b各自结构的几何参数及两者球心连线之间的距离。

4.根据权利要求1或2所述的一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，其特征在于，所述的异构纳米颗粒对间的等离子体作用，是在线偏振光激发下发生的等离子体共振模式，旋转线偏振光的方向影响特征峰系的消光强度。

5.根据权利要求3所述的一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，其特征在于，所述的异构纳米颗粒对间的等离子体作用，是在线偏振光激发下发生的等离子体共振模式，旋转线偏振光的方向影响特征峰系的消光强度。

技术总结
本发明提出一种基于异构纳米颗粒对间相互作用的双波长角规光谱尺，利用纳米芯帽颗粒与球形颗粒间的LSPR作用，通过球形纳米颗粒感知纳米芯帽颗粒的姿态旋转，即基于球形纳米颗粒与芯帽纳米颗粒间LSPR耦合作用产生的两个消光峰的中心波长及其变换量测量纳米芯帽颗粒绕其几何中心的旋转角。本发明提出的光谱双波长法可对芯帽结构的旋转角进行定量测量，在生命科学、微纳测控、微机械等相关领域可应用于纳米级别的距离测量，尤其可监测复杂的纳米方位姿态变化。

技术研发人员：洪昕,张婉欣
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11