复旦大学聂志鸿教授《AM》：构筑可逆等离子体纳米粒子阵列的新策略

等离子体纳米粒子（例如金，银和铝粒子）展现了独特的光学性质，例如局部表面等离子体共振（LSPR）。对等离子体纳米粒子进行特定的组织可以使调控等离子体相互作用成为可能，因而可以调控其光学性质。目前，已经有一些报道将等离子体纳米粒子组装为各种类型的结构，例如纳米粒子簇，链，微球以及阵列等。在各种等离子体纳米粒子类型及组合方式中，纳米粒子的二聚体簇显示出较强的光学近场耦合，并形成热点，同时电磁场集中在该热点，这些性质都依赖于纳米粒子的相互作用距离，方向以及纳米粒子的尺寸，形状和成分。这些性质也展现了等离子体纳米粒子二聚体簇在表面增强拉曼谱（SERS）检测，无掩模超高分辨率光刻，增强化学合成以及纳米像素显示等方面的巨大应用潜力。现有的使等离子体纳米粒子二聚的策略包括电磁相互作用诱导的组装，位点功能化的组装方法，DNA折叠模板指导的组装以及定量反应控制的纳米粒子键合策略等。但是这些方法组装得到的等离子体纳米粒子二聚体会被分散在溶液相中并使溶剂挥发后随机无规律的分布在基底表面。然而，很多等离子体纳米结构都需要有序的排列才能满足特定的需求。 然而，目前构建具有亚波长分辨率和任意模式的等离激元二聚体阵列仍然非常具有挑战性。 这是由于这种等离子体纳米粒子的阵列的构建高度依赖于自上而下技术，例如使用电子束蚀刻，光刻等方法，尽管这些方法具有较高的精密度，但是仍具有较大的限制。另一方面，自下而上的组装方法使用纳米级化学图案或拓扑凹槽作为模板，可以在基板上组织合成等离激元纳米粒子。但是这种方法需要额外的蚀刻步骤，并且限制了二聚体的三维定向。

为此， 复旦大学的 聂志鸿教授 团队发展了 一种通用的基于扫描的策略来有效构筑具有可控方向的等离激源纳米粒子准3D图案排列，这种纳米粒子阵列可以用于信息加密。 该结果以题为“Laser-Scanning-Guided Assembly of Quasi-3D Patterned Arrays of Plasmonic Dimers for Information Encryption”发表在《 Advanced Materials 》上。

文章亮点：

1 该策略结合了自下而上的方法和自上而下的方法。该方法高度灵活，可从不同大小和形状的纳米粒子形成高分辨率的等离子二聚体模式；

2 可以精确调整Z轴方向，粒子间间距以及等离子二聚体的纳米颗粒尺寸和形状，从而能够调节二聚体阵列的耦合共振；

3 该种策略构建的图案化的二聚体阵列可以用于信息加密中，其等离子体颜色可以通过激光照射移除和重新覆盖纳米粒子周围的高分子涂层被重复显示和擦除。

投稿模板：

单篇报道： 上海交通大学周涵、范同祥《PNAS》：薄膜一贴，从此降温不用电！

系统报道： 加拿大最年轻的两院院士陈忠伟团队能源领域成果集锦

金纳米棒是一种尺度从几纳米到上百纳米的棒状金纳米颗粒。金是一种贵金属材料，化学性质非常稳定，金纳米颗粒沿袭了其体相材料的这个性质，因此具有相对稳定，却非常丰富的化学物理性质。金纳米棒拥有随长宽比变化，从可见(550 nm)到近红外(1550 nm)连续可调的表面等离子体共振波长，极高的表面电场强度增强效应(高至10e7倍)，极大的光学吸收、散射截面，以及从50%到100%连续可调的光热转换效率。由于它独特的光学、光电、光热、光化学、以及分子生物学性质，金纳米棒在材料科学界正受到强烈的关注，并引发众多材料学家、生物化学家、医学家、物理学家、微电子工程师等科研工作者对之进行广泛和深入的研究。

编辑本段金纳米棒的合成

　　种子诱导生长法已成为当今化学方法合成高纯度溶剂相金纳米棒胶体溶液的最有效途径。十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)是金纳米棒合成中最常用的表面活性剂之一。

编辑本段金纳米棒的表征

表面等离子体共振

　　金纳米棒的表面等离子体共振会引起其对可见与近红外波段特定波长光的散射和吸收，因此，可见、红外消光光谱法可用于表征即时合成的金纳米棒胶体溶液的光学性质，即其中金纳米棒的表面等离子体共振性质。暗场散射法亦常被用于表征单个金纳米棒表面等离子体共振引发的光散射性质。

形貌结构

　　金纳米棒是一种棒状金纳米颗粒，长度在20 nm到200 nm范围连续可调，宽度在5 nm到100 nm范围连续可调。扫描电子显微镜和透射电子显微镜常被用于对金纳米棒的形貌结构进行表征。其中高分辨透射电子显微镜可用于表征金纳米棒的晶格结构和表面晶面分布。

表面晶面结构

　　在水中由十六烷基三甲基溴化铵稳定的金纳米棒表面可显示出高指数晶面。其化学活性远高于由其他低指数晶面包围的金纳米颗粒。高指数晶面包围的金纳米棒还可以作为模板诱导生成钯的高指数晶面，这种钯的衍生高指数晶面具有极高的催化活性，可用于高通量催化Suzuki偶联反应(Suzuki Coupling)。[2]

编辑本段金纳米棒的应用

在生命科学上的应用

　　1 体外诊断：基于金纳米棒的表面等离子体共振性质而开发的生物传感器可被用于生物医学上的体外诊断。详情参见下文“在传感器方面的应用”。[3]　2 体内成像：金纳米棒在近红外波段对光有强烈的散射，而生物体在这个波段的散射背景较弱，这使得金纳米棒可以作为基于光散射的生物成像对比剂。由于金纳米棒的高稳定性、低毒性，并且其光散射效应没有荧光淬灭类似的失效途径，这些优良的性质使得金纳米棒成为优于传统的基于染料或半导体量子点的染色剂。[4]　3 体内治疗：金纳米棒总的消光包括散射和吸收两部分，对于直径小于10 nm的金纳米棒，光的吸收远大于散射，而吸收的这部分能量最终将通过晶格的弛豫转化为热能。[5]另一方面，对于生物体来说，近红外波段的辐射具有窗口效应，该频段的辐射能够以微弱的损失穿透生物体组织。因此可以利用金纳米棒在近红外波段较高的光吸收截面和优良的光热转换效率来制造光热疗法的试剂。通过在金纳米棒表面包覆一层与体液相容性良好的聚合物分子，金纳米棒可以在生物活体内进行长达15小时的流通与传输。科学家已经证明，金纳米棒以及相关的纳米结构可以通过光热疗法，在较小的光照剂量下杀死癌细胞。[6]

在催化领域的应用

　　在相同温度和化学物理环境下，钯或铂包覆的金纳米棒具有比相同剂量纯钯或纯铂催化剂具有更高的催化活性，同时兼具较好的稳定性。特别是在有光线(例如日光)照射的情况下，这种复合催化剂中的金纳米棒可以吸收光能并转化成热能，这种光热转换使得金纳米棒表面十几个纳米范围内的局域温度提升几十到几百摄氏度。这种局域温度的提升一方面为催化反应在纳米颗粒表面的进行提供温度活化，另一方面又节省了将整个溶液体系加热所需的能量。是一种更绿色、更节能的催化剂。科学家们相信钯或铂包覆的金纳米棒可能具有更高的催化选择性，但这个命题是否成立仍有待实验验证。

在传感器方面的应用

　　1 表面增强拉曼散射：单分散、或是耦合的金纳米棒有极强的表面电场增强效应，在表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering)的应用中能作为拉曼增强剂使用。金纳米棒拉曼增强剂比传统的银纳米颗粒拉曼增强剂具有更高的物理和化学稳定性，更长的储存时间和使用寿命。这使金纳米棒在基于拉曼散射信号的传感器中拥有极佳的应用机会。　2 基于折射率敏感度的微量分子探测：金纳米棒周围几个纳米范围内的戒指可以显著影响它的表面等离子体共振性质：随着戒指折射率的增大，金纳米棒表面等离子体共振峰会随之红移。红移的相对大小可用折射率敏感度来衡量。这一性质是的金纳米棒可被用于微量分子的检测。[7]　3 基于纳米颗粒组装的微量分子、离子探测：在某些特定分子或离子的作用下，裸露的或者具有表面修饰的金纳米棒会以有序的方式进行组装，或者以无序的方式发生团聚。金纳米棒的组装或团聚会引起其特征光谱的变化（某些情况下可凭肉眼直接观察其颜色变化），基于这种原理可以探测这些特定分子或离子在溶液中的存在，进而确定其含量。　4 基于能级共振耦合效应的微量分子、离子探测：通过静电相互作用，带电荷的染料分子可被吸附在金纳米棒的表面。当金纳米棒的表面等离子体共振能级与吸附在其表面的染料分子的吸收能级简并时，这个系统会发生能级共振耦合效应，这种共振耦合会造成金纳米棒等离子体共振峰的大幅移动。在溶液中一些其他特定分子或离子的作用下，表面静电吸附的染料分子会脱吸附而离开金纳米棒的表面，从而消除共振耦合效应，并引起等离子体共振峰的回移。基于这种原理，可以探测这些特定分子或离子在溶液中的存在。

在光学元件上的应用

　　1 近红外滤光片：由于其在近红外波段强烈的吸收，金纳米棒可用于制作滤光片。　2 非线性光学元件：表面等离子体共振导致金纳米棒表面电场强度被极大的增强(高至10e7倍)，这种电场增强效应降低了达到非线性效应所需的照射光强阈值，从而可被用于制造各种非线性光学元件。　3 偏振片：金纳米棒拥有一个平行于长轴方向和两个简并的垂直于长轴方向的等离子体共振模式，分别被称为轴向表面等离子体共振模和径向表面等离子体共振模。其中径向表面等离子体共振模处于500 nm至 530 nm，调谐范围小，强度弱。而长轴表面等离子体共振模随长径比变化可在可见(550 nm)至近红外波段(1550 nm)连续可调，强度远高于径向模式，并且为平行于长轴方向的线偏振模式。如果将金纳米棒按照一个方向排列起来，则偏振方向平行于这个方向的光场分量将被金纳米棒的轴向等离子体共振模吸收，而偏振方向垂直于这个方向的光场分量则不受影响的透过。基于这个原理可以制成波长范围在550 nm到1550 nm的金纳米棒偏振片。

吸收增强型薄膜太阳能电池

　　为了节省半导体原材料的用量，薄膜型太阳能电池的吸收层膜厚可薄至几百个纳米。当半导体吸收层厚度低于微米量级时，其本身已不足以吸收全部入射光线，此时便需要辅以适当的结构和材料来增加半导体吸收层的吸光效率。强散射型金纳米棒，由于其较低的光热能量损失和在可见及近红外波段极强的场增强效应，可以增加薄膜太阳能电池中吸收层在这个波段的吸光效率，从而增加太阳能电池的整体光伏转换效率。

纳米标准物

　　通过精确控制的合成手段和后处理手段，可生产出形貌极其均一的金纳米棒胶体溶液。其中金纳米棒的长度可从20 nm 到200 nm连续可调，宽度可从5 nm到100 nm连续可调。这种个体差异极小的金纳米棒可用作纳米尺度下的标准参照物。

防伪

　　金纳米棒在从可见(550 nm)到近红外(1550 nm)可以有连续的波长响应。尤其是在近红外波段的光学响应，可使金纳米棒成为绝佳的防伪材料。利用在红外不同波段响应的金纳米棒，可以组成纳米红外条形码，这种肉眼不可分辨的条形码，能在红外显示器件上显示出不同的数字组合，甚至图案组合，以适用于高端防伪需求。

光信息存储

　　金纳米棒的波长可调性以及偏振依赖特性可以用来制备大容量信息存储设备。2009年5月澳大利亚斯温伯恩科技大学的顾敏教授等人在《自然》杂志上发表论文，阐述了如何利用金纳米棒来制造下一代大容量五维信息存储媒介。制造原理是金纳米棒可因其形状不同而对不同波长的光起反应，研究人员因此能在同一张光盘上录制不同波长的颜色信息，加上原有的空间三维，存储容量便大大扩增，这与现有只能录制单一波长颜色的DVD相比是一大进步。而光盘的第五维是利用光的偏振特点制造，这使光盘可录制多层不同角度的信息，而且各层信息之间不会产生干扰。利用该报道的新存储技术，一个现有DVD大小的光盘理论上可存储1600G的数据。与此相比，现有DVD光盘的容量一般在4GB左右，而取代DVD的蓝光光盘也只能存储50G的信息。[8][9]

纳米光电子学

　　由于在制造纳米光子集成电路上的无限潜力，基于表面等离子体激元的纳米光子学，即表面等离子体激元学，受到了全球庞大的微电子工业的广泛关注。传统光子学元件的尺寸往往限制在微米以上，但能工作在上百太赫兹(10^12 Hz)的频率，运行速度极快；而微电子元件的尺寸已能缩小到几十纳米，却最高只能工作在吉赫兹频率(10^9 Hz)，运行速度相对较慢。如果能将光子线路整合到微电子线路中，将有可能大大提高传统微电子芯片的处理速度。但是，光子学元件和微电子元件的尺寸差距极大地妨碍了它们的整合，从而阻碍了利用光子学元件提高微电子线路运行速度的可能。正因为此，基于表面等离子体激元的纳米光子集成线路成为解决这个尺寸匹配问题的关键因素。为了实现表面等离子体激元纳米光子集成线路，我们需要那些与基本的微电子元件相对应的表面等离子体激元元件。到目前为止，这方面的突破性工作都集中在被动型表面等离子体激元元件，例如等离子体激元波导，谐振器和耦合器。而关于主动型表面等离子体激元元件的研究却十分有限，例如表面等离子体激元调制器和开关。香港中文大学王建方教授研究[1]组报道了一种基于金纳米棒可控共振耦合的表面等离子体开关。[10]这样一个开关由单个金纳米棒和其周围的光至变色分子组成，大小不到一百纳米，金纳米棒和分子都被封装在一层二氧化硅薄膜中。而它的开关属性则是由紫外光来触发，由暗场散射技术来监测。操纵这样单个表面等离子体激元开关所需要的触发功率和能量只有大约13pW和39pJ，而它的调制深度则可以达到72dB。这种光控等离子体激元开关可以作为纳米光子线路中的一个开关元件，从而能够于微电子元件很好的耦合，解决它们之间的尺寸匹配问题

深蓝色或者深紫色。由于纳米铜颗粒的表面等离子体共振吸收的结果。当光线照射在纳米铜颗粒上时，纳米铜颗粒表面的电子会受到激发，产生共振吸收现象，吸收的波长与颜色呈反比关系，因此水溶液呈现出深蓝色或深紫色。

spp是一个多义词，有简并行过程、标准并行接口、最高人民检察院、表面等离子体激元、软件项目计划、精密单点定位、串行端口协议SPP等意思。

简并行过程

简并行过程（Simplified Parallel Process）是基于CMMI以及软件工程和项目管理知识而创作的一种“软件过程改进方法和规范”，它由众多的过程规范和文档模板组成。SPP主要用于指导国内IT企业持续地改进其软件过程能力。

表面等离子体激元

表面等离子体激元（surface plasmon polaritons），可参考光学表面等离子体共振（SPR），为光与金属表面电子相互作用而激发的一种电磁波模式。

软件项目计划

软件项目计划（Software Project Planning）是一个软件项目进入系统实施的启动阶段，主要进行的工作包括：确定详细的项目实施范围、定义递交的工作成果、评估实施过程中主要的风险、制定项目实施的时间计划、成本和预算计划、人力资源计划等 。

精密单点定位

精密单点定位(Single Precise Positioning)。一般写作PPP（Precise Point Positioning），国内部分学者的写法。精密单点定位是利用国际GPS服务机构IGS提供的或自己计算的GPS精密星历和精密钟差文件，以无电离层影响的载波相位和伪距组合观测值为观测资料，对测站的位置、接收机钟差、对流层天顶延迟以及组合后的相位模糊度等参数进行估计。

串行端口协议SPP

SPP是一个传输协议子集，它规定了在两个对等设备之间建立RFCOMM通信所需要的基本操作。串口应用基于通用访问应用GAP和服务发现应用SDAP应用模型之上，又是其他许多应用框架的基础。SPP可以直接映射到RFCOMM协议中，当两个设备间需要通过RFCOMM仿真的串口进行通信时，SPP对其中必备的服务和过程做出详细的规定。

等离子体共振效应导致的。金**是铜在纳米尺度下的表面等离子体共振效应导致的。在铜粒子的纳米尺度下，电子在表面形成表面等离子体，这种表面等离子体产生的共振效应使得铜粉对可见光的吸收强化，并反射出黄金色的光。

刘瑾

刘瑾，女，毕业于天津大学，为天津大学副教授。

中文名：刘瑾

职业：教师

毕业院校：天津大学

代表作品：《牛奶中抗生素的光学检测方法研究》

研究方向：生物光学检测

职称：副教授

人物经历

1996~2001天津大学本科。

2001~2006天津大学硕博连读。

2006~2009天津大学讲师。

2009~至今天津大学副教授。

研究方向

生物光学检测；人体信息检测；食品安全检测。

主要贡献

科研项目

国家自然科学基金：《牛奶中抗生素的光学检测方法研究》。

高校博士点基金：《基于表面等离子体共振的牛奶中抗生素残留的检测方法与应用研究》。

成果专利

刘瑾,徐可欣,林旺,张婉洁,苏洋。基于免疫法的食品中兽药和饲料添加剂残留检测的方法，申请号：2009100708014。

刘瑾,徐可欣,栗大超,张婉洁。苏洋一种检测乳品中多种抗生素残留的方法，申请号：2009103081940。

论文专著

石婷,刘瑾,张婉洁,苏洋,张增福,徐可欣,基于SPR生物传感器的抗生素残留检测及影响因素分析,天津大学学报(自然科学版),2010,43(3),pp255-261。

苏洋,张婉洁,徐可欣,刘瑾,石婷,SPR生物传感器检测牛奶中氨苄青霉素残留,传感器与微系统,29(11),pp40-42,2010。

张婉洁,苏洋,徐可欣,石婷,刘瑾,一种利用同一表面等离子体共振传感器检测多种残留物的方法,化学学报,2010,68(24),pp2574-2580。

赵学玲,陈小红,刘瑾,杜振辉,徐可欣。基于ARM的无创心血管功能检测系统,纳米技术与精密工程,2008,6(5):388-393。

苏子美，郭建英，刘瑾。脉搏波的频域特征提取与自动识别技术。纳米技术与精密工程，2010，8(1):70-74。

赵学玲,吴萍,徐可欣,陈小红,刘瑾,杜振辉。基于示波法的血管硬度无创检测系统。电子应用技术，2008,6:129-132。

齐汝宾，尹新，杨立，杜振辉，刘瑾，徐可欣。多成分有机气体的近红外光谱定量检测方法,光谱学与光谱分析，2008,28(12):2855-2858。

武娟，杜振辉，刘瑾，徐可欣。短波近红外光谱在现场安检中的应用研究,光谱学与光谱分析，2008，28(9):2087-2089。

刘瑾，徐可欣，基于图像融合技术的多模式人脸识别,工程图学学报，2007,6:72-78。

刘瑾，徐可欣，张乐石，MultimodalFaceRecognitionBasedonImagesFusiononFeatureandDecisionLevels，纳米技术与精密工程，2009,7(1):65-70。

刘瑾，徐可欣，张乐石，FaceRecognitiononDatasetsofVariousScales，纳米技术与精密工程，2007,5(3):164-168。

王明时，刘瑾，王力群，刘忠国，诸强，时间感知的事件相关电位P250的发现，中国生物医学工程学报。2006,25(6):667-671。

郭明霞，李岳峙，刘瑾，王明时，注意状态对听觉事件相关电位及脑电功率的影响，中华物理医学与康复杂志，2004,26(7),408-410。

王明时，刘忠国，诸强，刘瑾，王力群，刘海婴，听觉前刺激对后刺激诱发电位的影响，科学通报，2004,49(7),643-648。

王明时，刘瑾，李岳峙，事件相关电位的刺激方式及最新进展，天津大学学报，2003,36(6),697-702。

王明时，刘瑾，诸强，陈韵，李岳峙，在单一模式和双模式刺激下gamma节律与ERP的同步效应，生物医学工程学杂志,2005,22(5),884-889。

王明时，刘瑾，诸强，朱险峰，刘忠国，周凯，睡眠剥夺对脑认知和脑电复杂性的影响，天津大学学报,2005,38(4),343-346。

刘瑾，刘忠国，诸强，王明时，情绪与电生理研究进展，生物医学工程学杂志,2006,23(1),212-215。