单金纳米棒（gold nanorod AuNR）的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。 由于金纳米棒（AuNRs）独特的局部表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance LSPR）特性, 金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。 根据该课题组的研究经验, 对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、 应用、 进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。 较为全面地介绍了: (1)AuNR散射光谱相关的各类技术, 包括: 暗场技术, 零差和外差技术, 光子晶体技术, 空间调制和偏振调制技术等； (2)AuNR散射光谱特性, 包括: 光谱线形函数, 线宽, 衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等； (3)相关光谱技术近年来的发展。 重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。 主要是基于AuNR线性的方法, 如直接和间接的散射检测方法。 注重强调了介质环境（如底物, 表面结合的分子或其他纳米材料等）的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。 特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究, 无论是直接的还是间接的散射的方法, 大都给出实验与理论模型精确的比较。 这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。

采用磁控溅射法在Si衬底上制备了SiO2介质膜, 系统地研究了SiO2膜引入对Ag纳米颗粒的表面覆盖率、形貌、形成机理和光学性质的影响.研究发现引入SiO2介质膜后, Ag纳米颗粒的表面覆盖率显著增加, 平均粒径明显降低.基于现有的Ag纳米颗粒形成机理, 提出了粗糙表面Ag膜断裂模型以解释其形貌发生变化的原因.紫外-可见光分光光度计测试表明, 引入SiO2膜并优化其厚度, 可使Ag纳米颗粒的偶极消光峰最大红移86nm, 但消光峰强度明显下降.数值模拟计算表明, 引入SiO2膜的Ag纳米颗粒所能散射的光子数量最小减少2×1018个.因此, 在Si衬底上沉积SiO2膜, 不利于Ag纳米颗粒陷光性能的提高.

利用离散偶极近似(Discrete Dipole Approximation-DDA)算法, 从理论上模拟分析了金银核壳结构复合纳米颗粒的消光光谱以及不同核壳厚度、不同介质折射率情况下峰位的变化情况。研究结果表明, 随着壳层厚度的增加, 复合纳米颗粒的消光谱线先逐渐形成两个与单质金属纳米颗粒相似的消光峰, 后又逐渐合为一个半峰宽度较宽的消光峰;在不同介质环境中复合纳米颗粒的消光峰都随着介电常数的增大出现红移;无论是作为核层还是壳层, 银对总体消光谱线的作用都要比金强。

应用离散偶极子近似的方法计算了L型金纳米棒双体结构的表面等离子体共振引起的消光光谱及其近场电场分布。研究表明在入射光的偏振方向为45 °时双体结构的消光谱峰位发生蓝移; 当入射光的偏振方向为135 °时, 双体结构的消光谱峰位发生红移。两根纳米棒间距较小时, 由于相邻金纳米棒之间的电场强耦合作用, 表面等离子体杂化出现新的共振能级,两根金纳米棒的连接处出现强的电场分布, 这些结果对于金纳米棒结构在表面增强拉曼散射方面有一定的参考意义。

采用离散偶极子近似(DDA)方法，研究了单体银纳米粒子和银纳米粒子阵列的光谱特性。研究结果发现，单体银纳米粒子的表面等离子体共振消光峰的位置随着周围介质折射率和粒子尺寸的增大逐渐红移，并且消光光谱的峰宽也越来越大。当银纳米粒子正方阵列的周期接近单体的共振波长时，阵列的消光光谱中会出现尖锐的共振峰，改变粒子尺寸的大小可以发现消光光谱中共振峰的峰值和位置有大幅度地改变，通过改变阵列在平行和垂直于入射光偏振方向上的周期，可以调节二维长方阵列共振峰的峰宽和峰位。该研究为纳米粒子在光学显微镜、生物传感元件、数据存储等领域中的应用提供有效地理论参考。

利用离散偶极近似(Discrete dipole approximation, DDA)方法分析了入射光偏振状态 对单个金纳米棒状颗粒的光学性质的影响,并给出了单个金纳米棒状颗粒底面和 剖面的近场分布图,对于设计实现基于金属微纳结构的纳米光子器件具有一定的指导意义。研究结果表明,不同的 入射光偏振方向会激发不同的表面等离子体模式(横向表面等离子体共振和纵向表面等离子体共振), 这将影响棒状颗粒的消光谱峰和近场分布。

局域表面等离子体光学传感器由于其体积小、灵敏度高、免标记等特点成为目前传感器研究热点之一。然而由于银纳米结构的生物兼容性以及氧化问题,成为该传感器发展的瓶颈。提出了利用金/银混合的金属纳米结构克服上述困难,并从有限时域差分数值计算方法入手,设计了银层50 nm,金层5 nm的六边形分布三角形复合传感结构,并利用纳米球自组装技术实现了该类型传感器。同时,与生物分子蛋白A的结合实验结果表明,该传感器在生物分子溶液浓度213.85 nM的条件下仍然具有较高的灵敏度。

单纳米粒子的LSPR光学生物传感器具有空间分辨率高, 可植入生物的细胞和组织里, 检测所需要的剂量少等优势。本文提出一种十字星形的纳米粒子结构以进一步提高单纳米粒子LSPR光学生物传感器的信号强度。模拟和分析表明, 十字星形纳米粒子的消光效率远远高于相同结构尺寸的菱形或三角形纳米粒子的消光效率, 为发展新型结构单或阵列式的金属纳米粒子LSPR光学生物传感器提供了参考依据。

金属纳米粒子的光学性质与金属纳米粒子的组成、形状、尺寸及周围的介电常数有关。利用时域有限差分法研究菱形纳米粒子的尺寸与其消光特性关系, 发现粒子尺寸的大小对其消光谱共振峰有较大影响, 随着粒子尺寸的增大, 消光谱共振峰可分裂成两个或多个共振峰。而且在可见光范围内波长大于480 nm的区域, 表面等离子体共振峰是偶极子激发模式; 而在波长小于480 nm的区域, 共振模式则比较复杂, 有偶极子模式, 也有多极子模式。计算表明, 波长为480~ 600 nm区间与波长大于600 nm的区间, 菱形纳米粒子的尺寸对消光光谱的峰值和谱线宽度影响不同。在波长为480~600 nm之间, 短轴为140 nm时, 其消光效率最高。