金属纳米粒子的近场光理论及仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

纳米粒子的近场共振效应不像一般金属膜的表面等离子体模式那样具有特定的波矢，而是局域在金属纳米结构中电子的集体振荡，其共振条件对金属周围介质折射率的改变更加敏感，可有效提高传感器的灵敏度，成为近年来spr技术研究领域中的一个重要的研究方向。

光与连续性的纳米级金属薄膜相互作用称为spr，当纳米级金属不再连续，而是一个个金属纳米粒子的时候，和光发生作用时，也能激发表面等离子体波，只要入射光频率与表面等离子体波振荡频率接近，就会产生共振，因为这种表面等离子体波被局域在金属纳米结构附近，被称为金属纳米粒子的局域表面等离子体共振（lspr，localized surface plasmon resonance）。

lspr特性是在可见光及近红外光谱图中有着特征吸收带。实验发现贵金属纳米粒子的组成，形状大小以及周围介质的介电常数都影响着lspr吸收峰。其中光谱波峰位置的变化与周围环境折射率呈线性关系，利用lspr效应对金属周围介质折射率的敏感度，可以使用对应的生物传感器来测量人体血液内各种物质的浓度，从而对于人体免疫分析及dna检测有着极大的意义，具有广阔的应用前景。相比于传统的spr生物传感器，lspr生物传感器具有制造成本低，设备轻便等优势。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：1908年，Mie提出了解释LSPR现象的Mie理论，Mie理论简单实用，能很好的解决球形纳米颗粒的消光（包括吸收和散射）问题，但是不能解决复杂形状的颗粒以及颗粒之间的互相耦合作用及基底对纳米颗粒消光特性的影响问题。为此，各种数值计算理论和方法相继产生。其中DDA和FDTD方法在分析LSPR现象中使用较多，但多数只限于对某一种特例的分析。针对实验要求，我们研究主体为金属纳米球而且要求的软件也是MATLAB，另外两种计算方法比较复杂且一般有对应的软件来仿真，因此计划采用Mie理论进行仿真，并从三个角度分析纳米粒子的光谱吸收：尺寸，材料，周围介质，以此来作为提升传感器的性能和灵敏度的依据。

目标：掌握LSPR效应的理论及原理，完成对Mie理论建模，利用Matlab对纳米粒子的吸收光谱进行仿真并分析。

拟采用的技术方案及措施：通过Mie理论对纳米粒子的消光特性进行仿真，通过仿真结果分析纳米粒子大小、材质、周围介质环境等特性对LSPR生物传感器灵敏度的影响，通过MATLAB软件，对理论函数进行画图处理，模拟球形金属纳米粒子的吸收光谱，之后改变对应参数，从而模拟改变粒子材料，大小以及周围介质环境等因素情况下不同的吸收光谱图。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，查阅金属纳米粒子的相关知识以及matlab或comsol的基本使用方法。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：明确金属纳米粒子的近场光理论，完成理论建模。

第9－13周：完成matlab或comsol对金属纳米粒子的近场光理论仿真，给出仿真结果和分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 孙辉.lspr生物传感器纳米颗粒的仿真与分析[d].天津：南开大学，2013.

[2] 王晓萍，洪夏云，詹舒越等.表面等离子体共振传感技术和生物分析仪[j].化学进展，2014，(7)：1143-1159.

[3] 沈汉荣，薛征，郑锐.局域表面等离子共振传感器概述[j].北京生物医学工程，2015，(2)：213-217.