基于微球透镜-纳米探针全尺度高效光场耦合原理的超高灵敏度探针增强光谱方法

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    91950121
  • 项目类别:
    重大研究计划
  • 资助金额:
    80.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2207.光谱学与固体发光
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2019
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2020-01-01 至2022-12-31

项目摘要

Tip-enhanced optical spectroscopy (TEOS) is the technique combining scanning probe microscope and spectroscopy to realize spectroscopic imaging with nanoscale spatial resolution due to local enhancement of electromagnetic field underneath the apex of the silver or gold nanoprobe. Typical TEOS techniques are tip-enhanced Raman spectroscopy (TERS), tip-enhanced fluorescence, and etc. Strong optical coupling between the tip and the substrates is the necessary condition for reasonable sensitivity of TEOS. That’s why most of the demonstrated application examples of TEOS are samples on metallic substrates which support strong near-field coupling between the gold or silver probe and metallic substrates. In the contrast, TEOS is rarely applied for characterization of nonmetallic film samples or samples on a nonmetallic substrate. Here, we find that in a simple TEOS system, the optical coupling in multiple length scale ranging from incident focused spot in several wavelength, nanoprobe in around 20 nm, to a molecule in sub-nanometer is inefficient. The reason is that the nanoprobe, acted as an optical nano-antenna is general featured in small receiving and transmitting cross-section, and there is lack of methods to efficiently couple the incident focused spot as well as the nanoprobe in all length scales. In this proposal, we raise a concept that a hierarchical structure with compound subwavelength and deep-subwavelength optical antenna is possible to support highly efficient optical coupling. To take TERS as an example, We invent a compound probe with a microsphere lens hyphened with a nanoprobe fabricated onto a cantilever of an atomic force microscope. We further develop a method to systematically improve the spatial resolution by high-order difference of the near-field TERS signals. With the guidance of the new working principle, and with the assistance of the new techniques, we are going to develop a new generation of TEOS methods with ultrahigh spatial resolution down to 5 nm on general nonmetallic substrates. The technique set will substantially expand the comprehensive applications of TEOS in materials, biologic systems and semiconductor industries.
探针增强光谱(TEOS)是将扫描探针显微术和光谱相结合,借助金或银等探针逼近金属衬底时激发纳腔等离激元而与光有强的耦合作用,实现纳米分辨的光谱成像技术,如针尖增强拉曼光谱(TERS)、荧光光谱等.然而长期以来TEOS因灵敏度过低很难用于研究广泛存在的非金属衬底体系,其物理根源是传统探针作为单臂光学天线与光场耦合效率很低.本项目以TERS为例提出“亚波长-深亚波长级联型光学天线”可实现从数个波长到数纳米全尺度高效光场耦合的原理,发明“微球透镜-纳米探针”新型探针,提出径向偏振光激发微球显著增强针尖轴向光电场的策略,进一步基于自适应准静态精确控制探针-样品距离的新技术,提出近场光谱对探针-样品距离的高阶差分以系统提高TERS空间分辨的原理和实施方法,有望打破TERS难以应用于非金属衬底体系的瓶颈,实现超灵敏且好于5纳米分辨的TERS新方法,有力推动TEOS在材料、生物和半导体工业中的应用研究.

结项摘要

多尺度光学天线之间的光场级联耦合是提高光与微纳结构耦合效率,实现光从数个波长尺度到数纳米、亚纳米尺寸的关键途径,实现超灵敏表面及针尖增强光谱的重要途径。每个尺度光学天线的波段区间、匹配波矢和相位的匹配性,是产生高效率、宽波段(即低色差)的光场级联耦合的关键。本项目围绕如何基于光场级联耦合原理提高等离激元增强拉曼和红外光谱灵敏度的难题,开展相关微纳光学理论设计和实验研究。(1)基于严格的光学互易定理,推导了可准确计算辐射增强因子的半解析计算方法;检验了使用近40年的平面波近似计算两个经典等离激元光学天线(POA)-发射体复合体系(纳米粒子-金属膜耦合的SERS体系,扫描探针-衬底耦合的TERS体系)的平均辐射增强因子与精确值的偏差;将该计算方法从电偶极子发射体推广到磁偶极子、电四极子等发射体。(2)微纳光学设计了全内反射棱镜级联耦合纳米颗粒的构型,用于级联增强金属、非金属表面拉曼光谱。(3)设计并构筑了一种同时支持红外多波段共振的纳米桥联的菱形天线,以及该天线与F-P腔级联耦合的结构用于获得具有单层分子灵敏度的表面增强红外光谱。(4)制备了含有纳米隆起结构的石墨烯包覆MnO的微米线级联结构,用于超灵敏表面增强红外光谱的检测;发明了石墨烯包覆介质针尖,用于超灵敏纳米分辨红外光谱和红外近场光学显微镜。

项目成果

期刊论文数量(3)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(2)
Accurately Predicting the Radiation Enhancement Factor in Plasmonic Optical Antenna-Emitters
准确预测等离激元光学天线发射器的辐射增强因子
  • DOI:
    10.1021/acs.jpclett.0c00304
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    The Journal of Physical Chemistry Letters
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Zhang Mao-Xin;You En-Ming;Zheng Peng;Ding Song-Yuan;Tian Zhong-Qun;Martin Moskovits
  • 通讯作者:
    Martin Moskovits

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其他文献

表面增强拉曼散射增强机理的部分研究进展
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    高等学校化学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    田中群;任斌;徐昕;吴德印;杨志林;丁松园
  • 通讯作者:
    丁松园

其他文献

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纳米红外光谱与光电性质关联成像新方法及在工况下薄膜光电转换体系的应用
  • 批准号:
    21872115
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  • 资助金额:
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  • 项目类别:
    面上项目

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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