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纳米等离子体传感技术(NPS)

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NPS是一种多用途和极其表面灵敏的光学技术,利用领先的纳米粒子(通常是金或银)作为局部传感元件研究分子尺度薄膜的性质。Insplorion传感器的纳米加工的等离子体圆盘嵌入定制的介电材料中,提供了传感器最佳的保护和定制的表面化学。



Inspplorion采用了基于局域表面等离激元共振(LSPR)传感的一般概念,并使其适用于广泛的领域,其中纳米圆盘作为光学天线响应传感器/样品界面的变化过程。该技术构成了一个多用途的传感平台,能够在研究、现场条件下以及电池传感器和空气质量传感器等应用功能中检测和监测各种材料和界面的变化过程。


基于LSPR现象的NPS技术

Insplorion的纳米等离子体传感技术(NPS)利用了一种称为局域表面等离激元共振(LSPR)的物理现象。
首先,什么是等离激元?“在物理学中,等离激元是量子化的等离子体振荡。正如光(光振荡)由光子组成一样,等离子体振荡也由等离激元组成。等离激元可以看作准粒子,因为它是由等离子体振荡的量子化产生,就像声子是机械振动的量子化一样。因此,等离激元是自由电子气密度的集体(离散数)振荡。例如,在光学频率下,等离激元可以与光子结合,产生另一种称为等离激化激元的准粒子。”


局域表面等离激元共振LSPR

局域表面等离激元(LSP)是金属纳米粒子中自由电子连贯的、集体的空间振荡。近可见光的电磁场可以激发LSPs。当白光通过等离子体传感器时,由于粒子对光的吸收和散射,导致透过光的消光光谱出现峰值,即共振峰。共振峰的位置由纳米粒子的尺寸、形状和材料决定,更重要的是,它也取决于邻近纳米粒子的介质的折射率。因此,通过监控共振峰的变化,就可以检测和监控界面处发生的变化过程对传感器表面纳米粒子的介电环境产生的影响。

LSP的共振条件(即能激发LSPR的光的波长/颜色)由以下组合定义:

a、纳米粒子的电子性质

b、纳米粒子的大小和形状

c、 纳米粒子的温度

d、 纳米粒子邻近区域的介电环境

纳米粒子的介电环境是局部增强等离子体近场(相对于入射场)的结果。磁场从纳米粒子表面呈指数衰减。在这种局部增强场的“纳米体积”内,局部介电环境的微小变化(由分子吸附或热变化过程引起)会影响共振。共振的变化反过来又改变了不同波长的散射光和/或吸收光的数量。这些变化可以用高分辨率光谱测量,在一个简单的光传输或反射实验中,使LSPRS成为优秀的纳米传感器。



NPS芯片和功能

一般来说,纳米等离子体传感技术NPS利用领先的纳米粒子(通常是金或银)作为局部传感元件,它提供了独特的性能组合,包括超高灵敏度、小样本量/体积(由于“传感器”很小,即通常在50-100纳米范围内的纳米粒子)和快速(毫秒的时间分辨率)、实时的远程读数功能。
在Insplorion的专利“应用纳米等离子体传感(NPS)技术”中,传感通过玻璃表面上纳米制造的非相互作用和相同纳米圆盘的阵列来实现。这种纳米圆盘阵列(“传感器”)被一层介质间隔层薄膜覆盖。因此,传感器纳米粒子嵌入传感器表面,除了通过LSPR偶极场外,不会与所研究的纳米材料发生物理相互作用。
磁场穿透间隔层,在其表面及其附近也具有相当大的强度,因此可以感知介电变化。

具有沉积的传感器粒子和覆盖间隔层的玻璃表面可以看作是一种通用的传感器芯片。在Insplorion NPS传感器芯片独特的纳米结构中,间隔层具有以下功能:
a、保护纳米传感器不受结构改变的影响;
b、防止纳米传感器与样品材料发生化学反应;
c、保护纳米传感器免受恶劣/反应性环境的影响;
d、提供传感器芯片的定制表面化学,从而
e、作为样品材料的惰性基质,或
f、积极参与研究变化过程(如溢出效应)。
NPS方法的一个主要优点是,任何的材料形状和尺寸以及任何的材料类型都可以在纳米水平在各种各样的基底材料上进行研究。







分子结合和生物识别

Insplorion NPS适用于生物分子相互作用分析。通过监测捕获剂(配体)固定到insplorion传感器,然后通过insplorion仪器的流体系统引入分析物,可以确定作为亲和常数的定量信息。


监测脂质双层膜和嚢泡

Insplorion的技术和仪器可以进行完整的实验,其中可以监测脂质双层的形成以及与生物分子和纳米颗粒的相互作用。对表面附近光学性质变化的极端敏感性也能获得结构信息,例如关于囊泡形状的信息。对邻近表面光学性质变化的极端敏感性也能获得结构信息,例如关于囊泡形状的信息。


药物运输

Insplorion NPS技术可用于监测聚合物薄膜(厚度从微米到几纳米)以及多孔网络中的扩散。Insplorion传感器具有极高的表面灵敏度,可以探测到厚膜中隐藏的内部界面。这允许您确定扩散物种到达界面并使薄膜饱和的时间,以及监测释放过程。定量的动力学信息,如扩散系数已经在一个案例中从实验获得。

氢气传感/贮存

Insplorion NPS技术为储氢和固态反应领域的研究者提供了一种新的、强大的研究工具,以克服众多的实验挑战。NPS的测量集中在一个明确的模型系统上,在“运行”条件下和受控的微环境中使用少量的样品。这导致了各种梯度的最小化,以及广泛的粒径分布的扭曲。高时间分辨率使快速变化过程能够在高温下的固态反应中被监控。
成功故事
NPS技术已成功地用于解决纳米储存实体储氢领域的以下问题:
1、在D<5nm尺寸范围内,钯纳米粒子的氢化和脱氢动力学的尺寸依赖性。
2、在D<5nm尺寸范围内,钯纳米粒子氢化物形成和分解热力学的尺寸依赖性。
3、金属纳米粒子中氢化物形成与分解之间的尺寸依赖性滞后现象的研究。
4、镁和钯纳米粒子氢化物形成热力学的定量单粒子研究。


超薄的聚合物膜和纳米结构/纳米粒子的玻璃化转变温度

在超薄聚合物膜中,玻璃化转变温度Tg因近表面层(几纳米厚)的存在而变得尺寸/厚度依赖,其中聚合物片段具有不同的流动性。Insplorion的NPS技术为聚合物薄膜领域的研究者提供了一个研究相变的强大工具。
成功故事
 NPS技术已成功地用于解决以下现象:
1、无规聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)玻璃化转变温度(Tg)薄膜的厚度依赖性。
2、聚苯乙烯(PS)纳米粒子中玻璃化转变温度(Tg)的尺寸依赖性。


监测多孔膜和衬底之间的隐藏界面

即使对于装备精良的实验室,小分子小规模地扩散进出多孔材料也是一项挑战。对于药物输送和其他缓慢释放以及多孔基质中需要最多材料的应用,NPS技术可以证实为一个非常宝贵的工具。
成功故事
NPS技术已用于追踪下面的变化过程:
1、介孔二氧化钛染料浸渍的时间依赖性对染料敏化太阳能电池的优化。
2、染料在介孔材料中扩散系数的量化。


太阳能电池

提高DSSC的性能和知识:Insplorion NPS技术应用于研发,提高太阳能电池的性能。实时传感器技术为光接收涂层的不同涂层提供了可靠和一致的测量。例如,染料敏化太阳能电池的染料浸渍步骤可以使用Insplorion仪器进行详细监测。
Insplorion与瑞典洛桑联邦理工学院Prof. Michael Grätzel课题组和查尔姆斯理工大学的研究人员一起已经成功地将Insplorion的纳米等离子体传感技术NPS应用于染料敏化太阳能电池的研究。这项研究集中在太阳能电池中二氧化钛薄膜的分子吸附,并且展现在Nano Letters上。

提高太阳能电池性能:Michael Grätzel作为太阳能电池领域的世界一流的研究者,关于insplorion的技术,他说:“我发现insplorion的技术对于研究染料敏化太阳能电池的染料浸渍非常有趣。它有可能成为改善染料浸渍工艺,从而提高太阳能电池性能的一个有价值的工具。”


更多应用介绍,请参考网址:http://www.honoprof.com.cn/cn/Service/list_62.aspx?cid=98

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