EEPW论坛

金属介电核壳结构纳米材料的应用

金属介电核壳复合纳米材料由于其表面的等离子体共振特性,已经在纳米光子学、生物光子学、医学等领域有着广阔的应用前景。

1 光子学领域

金属为壳的复合纳米颗粒由于其结构可调,使其在光子学方面的应用日益受到人们的重视。人们发现当把纳米银掺杂在半导体或绝缘体中,可获得较大的三阶非线性极化率,利用这一特性可制作光电器件,如光开关、光过滤器,光截止器等。例如把Au 纳米颗粒作为电介质或半导体颗粒的壳层时,当较小的Au 颗粒(2 —3nm) 附在大粒径的载体上时,大大增加了载体的比表面积,因此可用于增强SERS分析仪器及非线性光学的光信号,促进电化学和催化剂反应的速率。当金属被细分到小于光波的尺寸时,即失去了原有的富贵光泽而呈黑色,尺寸愈小,颜色愈黑。当金属为壳时,金属的超微颗粒对特定波长的光吸收很强,反射率很低,通常可低于1 %。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效率地将太阳能转变为热能、电能,还有可能应用于红外敏感元件和红外隐身技术等。在对称性降低的核(SiO2 )P壳(Au) 结构的纳米粒子的光学性能研究中我们发现:在一定偏振条件下,其表面等离子体共振所产生的消光系数依赖于入射角度,这种有趣的现象可以发展新的光开关、光子晶体和光传感器 。

2 生物光子学、医学领域

金属为壳的复合纳米粒子在可见光至远红外乃至微米波段能出现可控的强吸收特性。由于纳米粒子的大小、核壳尺寸的比例可精确控制,并且随着核、壳尺寸比的增加,表面等离子体共振波长向长波方向移动。因此精确控制核壳尺寸比例,就可以精确控制表面等离子体共振波长。波长为018 —112μm 范围的近红外,是活体组织不吸收的低能辐射,但经过设计的纳米壳层可以吸收, 利用这一特性可以用来治疗癌症。美国莱斯大学及德州的一批研究人员把经过培养的人类乳腺癌细胞放在含有纳米壳层的溶液中,将肿瘤置于红外线附近加热,发现肿瘤内温度在4 —6min 能够提高到足以消灭癌细胞的水平,成功地杀死了乳腺肿瘤,而不伤及周围正常细胞[48 ] 。将以金属为壳的核壳结构纳米材料应用于生物体系,由于其表面等离子共振特性,将会对生物分子的光谱产生巨大的增强作用,这种增强作用在医学诊断中将有广泛的应用。利用其表面等离子体共振的特性,一系列的表面等离子体共振(SPR)传感器先后问世。由于SPR 传感器检测过程具有实时、方便、快捷、无须标记、耗样少和可保持分子的生物活性等特点,在药物筛选、临床诊断、食物及环境监控和膜生物学等领域中的应用日益扩大,特别是生物分子间特异相互作用的研究。

Hansson等将全血或血浆、促凝血酶原激酶、钙以及抗凝血剂直接混合在传感器芯片表面,用SPR 监控血液凝固的时间和抗凝血剂对凝固率的影响,试验结果和那些用监控血液凝固的标准方法得出的结果非常吻合。陆泽忠等[50 ] 运用自行研制的表面等离子体共振SPR生物传感器, 采用自组装成膜技术并以戊二醛作偶联剂,在传感片表面修饰HBsAg 单克隆抗体,将其用于乙肝表面抗原(HBsAg) 的检测,实验结果表明检出灵敏度明显高于传统的酶联免疫吸附试验法。

总之,金属介电核壳复合纳米颗粒由于独特的结构而呈现出的许多奇异的物理、化学特性使其不仅在纳米光子学、生物光子学、医学等领域有广阔的应用前景,而且在通信、宇航、遥控等领域显示其潜在的应用价值;在克服目前的红外材料存在的热稳定性、毒性、耐光照性等问题上也会大显身手。这一体系的研究将会开辟新的研究领域,拓宽纳米材料学科。相信在不久的将来,这一领域将会成为新的研究热点。

金属介电核壳结构复合材料的制备、性质及应用