摘 要

当下利用局域表面等离子共振（localized surface plasmonic resonance，LSPR）的传感系统在环境监测、医学检测等领域备受关注，而局域表面等离子体共振的物理机制和传感机理的研究仍然处于消光比简单解释阶段，对纳米颗粒的特征参数和物理现象，尤其是传感机理的细致微观分析还很缺乏。论文针对用贵金属纳米粒子膜修饰的光纤LSPR传感系统，基于Mie散射理论编程仿真计算了不同几何参数的金、银纳米球的消光光谱；并基于时域有限差分法FDTD solutions软件仿真计算了多种形状、大小、排布的金、银纳米粒子的消光光谱，不仅研究了粒子本身的光学性质，还探索了多粒子之间的耦合特性。

用Mie散射理论计算了单纳米球消光截面随直径的变化，以及折射率灵敏度随直径的变化；利用FDTD法直观的动画演示和频域分析，总结了多种形状、大小、排布的金、银纳米粒子消光性质的变化规律，可以比较全面地解释实验和生产中纳米粒子传感单元中可能出现的常见现象。除了得到与前人相符的计算和实验结果外，还更加详细地分析了仿真和实验中发现的新细节和规律，在此基础上分析银纳米粒子在玻璃基底上与在溶胶体系中的区别。

用二次还原法进行实验制备了银纳米溶胶，用多模-单模-多模光纤进行了LSPR实验，验证了预测的传感器灵敏度测量结果；并为实验中遇到的镀膜时间对传感器性能的影响等实际问题提出了解释和建议。

关键词：局域表面等离子体谐振，Mie散射，纳米颗粒，有限时域差分法

Abstract

LSPR (localized surface plasmonic resonance) based sensing systems have drawn much attention at present, especially in the field of environmental monitoring and medical test. Extinction ratio is not enough to describe the physical mechanism of LSPR, microcosmic interpretations for characteristic parameters, physical phenomena and sensing mechanism of nanoparticles are needed. In order to study optical fiber sensing systems coated with noble metal nanoparticles, this article computed extinction spectrum of gold and silver nanospheres using a MATLAB program for Mie theory, then did the same using FDTD solutions, a software developed by Lumerical, and explored coupling patterns among silver nanospheres using FDTD solutions.

With all the simulation results given by Mie theory, this article concluded how extinction spectrum and refractive index sensitivity of silver or gold nanospheres changes with diameter. With simulation results give by FDTD solutions, this article concluded how extinction spectrum changes with shape, size and arrangement, with which we can explain phenomena that we often observed in LSPR experiments, and ascertain the differences in optical properties between nanoparticles on a glass slide and nanoparticles on an optical fiber.

The last section described how I performed an LSPR experiment with MSM (Multimode-Single mode-Multimode) fiber, which contains a synthetic method of silver nanospheres accomplished by two reduction reactions, then provided explanation about how deposition time influences sensor capability as well as suggestions on controlling it.

Key Words：Localized Surface Plasmon Resonance；Mie scatting；nanoparticle；Finite Difference Time Domain method

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 本文研究的背景 1

1.2 本文研究的目的与意义 3

1.3 本文主要工作及章节安排 3

第二章 局域表面等离子共振的基本理论 4

2.1 局域表面等离子体共振 4

2.2 表面等离子波 5

2.3 研究方法介绍和参数选择 5

2.3.1 Mie理论与纳米粒子分析中的应用 5

2.3.2 FDTD算法及其在纳米粒子分析中的应用 9

2.3.3 仿真所用条件和参数的说明 10

第三章 仿真计算金银纳米粒子的消光光谱 12

3.1 单个粒子的计算 12

3.1.1 基于Mie理论的计算 12

3.1.2 FDTD仿真 15

3.2 特殊形状的单纳米粒子 25

3.3 球形纳米粒子间的耦合 27

3.3.1 双球结构 27

3.3.2 球形粒子间的耦合 30

第四章 制备银纳米溶胶与光纤LSPR实验 34

4.1 二次还原法制备银纳米溶胶 34

4.2 静电自组装法制备银纳米粒子薄膜 35

4.2.1 在载玻片表面制备纳米粒子银膜 35

4.2.2 光纤表面制备纳米粒子银膜 36

4.3 成膜过程与影响因素分析 37

第五章 总结与展望 39

参考文献 40

致 谢 42

第一章 绪论

1.1 本文研究的背景

表面等离子体共振分为传导型和局域型，其中传导型表面等离子体共振产生表面等离子波，对应的是表面等离子共振效应（Surface Plasmon Resonance，SPR）；局域型等离子共振称为局域表面等离子共振。等离子体共振在生化领域、光电子器件领域、新能源领域等都有应用，生物传感中经常利用微小的折射率变化检测物质的结合等现象，而发生结合的物质有时是极微量的，这时LSPR技术相对于表面等离子共振技术就更有优势，因为产生LSPR现象的纳米粒子可以做到非常少，甚至可以做到只用单个粒子，所以它对极微量物质折射率变化敏感得多。因此，局域表面等离子共振成为近年来研究的热点，它主要有以下一些特性：

①贵金属纳米粒子因LSPR而具有独特的光学特性，而且这些光学特性与粒子尺寸、形状、周围介质等诸多因素有关，是灵活可控的^[1-2]；

②局域表面等离子共振和表面等离子共振都能将能量限制在极小的空间范围里，可以突破衍射极限；

③由于能量在空间上被限制，可以极大增强局部电场，增强拉曼散射等效应^[3]；