[J. Am. Chem. Soc.] 超高灵敏等离激元传感器测量界面折射率

发布日期:2020年06月24日   浏览次数:

我室任斌教授课题组运用自主研发的等离激元传感器,分离界面折射率中的体相折射率和表面折射率贡献,定量描述和测量了界面折射率。相关研究成果以“Determining the Interfacial Refractive Index via Ultrasensitive Plasmonic Sensors”为题发表于美国化学会志(J. Am. Chem. Soc., DOI:10.1021/jacs.0c01907)。

折射率是反映光与介质相互作用的重要物理量。基于表面等离激元对周围环境折射率变化的敏感响应,等离激元传感器正在成为一种超灵敏的化学和生物学分析方法。但由于分子与传感器表面的相互作用,待测分子的堆积密度和吸附方向通常与体相不同,导致界面处的折射率不同于体相的折射率,从而改变电磁波与介质相互作用。然而,迄今还未有可以定量描述和测量界面折射率的方法。因此,在实际应用中,常用介质体相折射率来模拟等离激元纳米结构的电磁响应。随着表面等离激元传感器性能的不断提高,其检测限不断降低,同时也发现了越来越多的实验结果无法通过现有理论模型解释。理论和实验的矛盾主要体现在以下两方面:(1)低浓度下等离激元峰值波长对折射率的依赖偏离高浓度的线性;(2)实验上得到的检测灵敏度远超理论预测的极限。

基于自主开发的超高灵敏表面等离激元传感器(Adv. Mater. 2018, 30, 1706031),任斌教授课题组以甘油水溶液作为标准体系,对等离激元传感器存在的以上问题开展了系统的研究。他们认为,界面折射率包含体相折射率和表面折射率的贡献,并建立了可以定量描述界面折射率的模型。考虑了表面折射率贡献的界面折射率才可以全面地反映等离激元传感器的全浓度区间的实验响应。研究发现超低浓度下亚单层物种的表面吸附是导致等离激元传感器在低浓度下有超高灵敏度的关键。这为未来通过表面功能化增强分子在表面的吸附从而提高等离激元传感器在超低浓度的检测灵敏度提供了重要的指导。通过超高灵敏度的等离激元传感器检测和构建的界面折射率模型,为检测表面分子的覆盖度或吸附取向甚至表面化学反应提供了可能性。特别是,分子吸附普遍存在于固液或固气界面,因此界面折射率将成为描述界面处光与物质之间相互作用的一个重要的、基本的无量纲量。

该研究工作是在任斌教授指导下完成。本院已毕业博士生战超(现为德国Fritz-Haber研究所博士后)和刘博文(现为兰州大学青年研究员)为该工作的共同第一作者。田中群教授参与了研究工作的讨论。该工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划课题的资助,得到固体表面物理化学国家重点实验室、能源材料化学协同创新中心的支持。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c01907