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物理化学学报  2017, Vol. 33 Issue (6): 1223-1229    DOI: 10.3866/PKU.WHXB201702282
论文     
纳米多孔金膜表面等离子体共振效应的理论分析和传感应用
王丽1,2,逯丹凤1,高然1,程进1,张喆3,祁志美1,*()
1 中国科学院电子学研究所,传感技术国家重点实验室,北京100190
2 中国科学院大学,北京100049
3 北京交通大学计算机与信息技术学院,北京100044
Theoretical Analyses and Chemical Sensing Application of Surface Plasmon Resonance Effect of Nanoporous Gold Films
Li WANG1,2,Dan-Feng LU1,Ran GAO1,Jin CHENG1,Zhe ZHANG3,Zhi-Mei QI1,*()
1 State Key Laboratory of Transducer Technology, Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, P. R. China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, P. R. China
3 Beijing Jiaotong University, School of Computer and Information Technology, Beijing 100044, P. R. China
 全文: PDF(2319 KB)   HTML 输出: BibTeX | EndNote (RIS) |
摘要:

纳米多孔金膜(NPGF)化学和热力学稳定性好,比表面积大,具有显著的表面等离子体共振(SPR)效应,适宜于用作SPR生化传感芯片。本文对NPGF的SPR效应进行了理论分析,得到了在NPGF/空气界面传播的表面等离子体色散曲线,获得了优化NPGF-SPR传感性能所需的最佳薄膜厚度约为60 nm;在此基础上利用溅射沉积-化学脱合金两步法在玻璃基板上制备出大面积均匀的超薄NPGF,采用Krestchmann棱镜耦合结构测试了NPGF在可见-近红外波段的SPR共振光谱及其传感特性,通过利用菲涅耳公式并结合Bruggeman介电常数近似理论对测得的共振波长进行拟合,得出NPGF的孔隙率约为0.38。未经修饰的NPGF是亲水薄膜,能够有效富集水中的双酚A,使得NPGF-SPR传感器对双酚A的探测下限达到5 nmol·L-1;经过疏水化处理后,NPGF对非极性苯并芘分子的富集能力获得显著增强,使得传感器对苯并芘的探测下限达到1 nmol·L-1

关键词: 纳米多孔金膜传播表面等离子体共振富集高灵敏度苯并芘    
Abstract:

Nanoporous gold films (NPGFs) are chemically robust and thermally stable, possessing large specific area and salient surface plasmon resonance (SPR) effect. With these features NPGFs are quite applicable for high-sensitivity SPR sensors. In this work, the SPR effect of NPGFs was theoretically analyzed and the dispersion relation of propagating surface plasmons at the NPGF/air interface was obtained. The optimal thickness of NPGF required for optimizing its SPR sensing performance was achieved to be about 60 nm. Large-area, uniform and ultrathin NPGFs were prepared by a two-step approach consisting of sputtering deposition and chemical dealloying. The SPR resonance band in the visible-near-infrared region and the sensing properties of NPGF were measured with the Kretschmann prism-coupling configuration. Porosity of the NPGF is determined to be about 0.38 by fitting the measured resonance wavelengths based on the combination of the Fresnel formula and the Bruggeman dielectric constant approximation theory. Since the non-modified NPGFs are hydrophilic and enable effective enrichment of bisphenol A (BPA) molecules in water, the NPGF-SPR sensor can easily detect BPA with concentrations as low as 5 nmol·L-1. After hydrophobilization of NPGFs, the sensor enables detection of trace benzo[a]pyrene (BaP) in water, with the detection limit of 1 nmol·L-1.

Key words: Nanoporous gold film    Propagating surface plasmon resonance    Enrichment    High sensitivity    Benzo[a]pyrene
收稿日期: 2016-12-15 出版日期: 2017-02-28
中图分类号:  O647  
基金资助: 国家重点基础研究发展规划项目(973)(2015CB352100);国家自然科学基金(61377064);国家自然科学基金(61401432);国家自然科学基金(61401019);国家自然科学基金(61675203);中国科学院科研装备研制项目(YZ201508)
通讯作者: 祁志美     E-mail: zhimei-qi@mail.ie.ac.cn
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王丽
逯丹凤
高然
程进
张喆
祁志美

引用本文:

王丽,逯丹凤,高然,程进,张喆,祁志美. 纳米多孔金膜表面等离子体共振效应的理论分析和传感应用[J]. 物理化学学报, 2017, 33(6): 1223-1229.

Li WANG,Dan-Feng LU,Ran GAO,Jin CHENG,Zhe ZHANG,Zhi-Mei QI. Theoretical Analyses and Chemical Sensing Application of Surface Plasmon Resonance Effect of Nanoporous Gold Films. Acta Physico-Chimica Sinca, 2017, 33(6): 1223-1229.

链接本文:

http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB201702282        http://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2017/V33/I6/1223

图1  波长检测型NPGF-SPR传感器测试平台示意图
图2  不同孔隙率的NPGF复折射率随波长的变化
图3  NPGF/空气界面的表面等离子体色散曲线(a1-a9),光在空气(b1)和在棱镜(b3)中的色散曲线以及全内反射(TIR)产生的消逝波的色散曲线(b2,入射角φ = 45°)
图4  (a)在f2 = 0.3与f3 = 0的条件下仿真得到的不同厚度NPGF的菲涅耳反射光谱;(b)在f3 = 0.1时仿真得出的不同孔隙率NPGF的共振波长变化量与膜厚的关系
图5  NPGF扫描电子显微镜(SEM)照片
图6  (a)实验测得的NPGF在空气中的SPR光谱;(b)利用Fresnel公式计算得到的相应的共振光谱
图7  (a)在不同BPA浓度下测得的NPGF的SPR光谱; (b)共振波长变化量(ΔλR)与BPA溶液浓度的关系
图8  正十二硫醇修饰前后的NPGF在空气中的SPR光谱
图9  (a)在不同BaP浓度下测得的NPGF的SPR光谱; (b)共振波长变化量与BaP溶液浓度的关系
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