一种测量分子层折射率的方法与流程

本发明属于纳米材料光学领域，尤其涉及一种亚纳米厚的分子层有效折射率的测量方法。

背景技术：

薄膜材料是当前光学工程等领域的研究热点。测定薄膜的折射率，能够为光学实验、材料性能研究、材料物理参数推导等提供帮助。在生物纳米传感领域，准确测定分子层的折射率也具有重要的意义。比如，以表面等离激元共振为基础的传感检测技术具有高灵敏度和无标记等优点。它主要依赖于待测分子在纳米金属结构表面形成很薄的分子层后、使纳米结构的等离激元共振峰发生偏移。这项技术的应用，需要准确地知道待测分子层在纳米结构表面的有效折射率，该数值的准确性直接关系到检测结果的灵敏度。在实际应用中，低浓度小分子形成的分子层往往只有亚纳米厚度，因此对分子层折射率的测定提出了更高的要求。

测量分子层折射率的传统方法为椭圆偏振法(包括消光法、调制消光法和光度法)和原子力显微镜等。但两者都具有一定的缺陷：椭圆偏振法无法直接测量分子层的厚度，只能用计算机推算出折射角与厚度、折射率的关系图表，再根据测得的折射角，拟合出相应的折射率。由于无法直接观测厚度，使得椭圆偏振法无法精确测量几纳米、甚至亚纳米的极薄尺度。此外，它的拟合方法往往涉及多个折射角和多波长的参数，过程较为复杂；同样，原子力显微镜也很难准确测量极薄的分子层，尤其是亚纳米尺度的薄层。

而且，测定分子层折射率的传统方法，都是基于平板基底结构的。然而，如果待测分子层是包裹在纳米颗粒表面时，几乎没有有效的方法来测定该分子层的折射率。

综上所述，分子层有效折射率的测定对于生物纳米传感领域研究有着极其重要的作用，而现有测定方法既无法准确地测定亚纳米尺度的极薄分子层，也无法测定包裹在纳米颗粒表面分子层的有效折射率。因此，本发明提出一种新型方法来测定分子层的有效折射率。

技术实现要素：

为实现上述目的，本发明提供了一种新的测量分子层折射率的方法，所要解决的技术问题是有效测定纳米颗粒表面分子层的折射率。

为解决上述问题，本发明采取的技术方案是：一种测量分子层折射率的方法，所述方法包括如下步骤：

1)制备具有表面等离激元共振效应的金属纳米核，在所述金属纳米核表面吸附待测分子，形成所述待测分子的分子层，同时测量金属纳米核在吸附待测分子前后的吸收光谱偏移；

2)在分子层外表面包覆金属壳层，得到内嵌待测分子的核壳结构金属纳米颗粒；通过透射电子显微镜测量所述的核壳结构金属纳米颗粒的核壳间隙尺寸，得到分子层的厚度；

3)根据测得的分子层厚度数据，建立吸收光谱与分子层折射率的关系模型；

4)假定多个分子层折射率，通过所述的关系模型计算得到多个模拟光谱偏移量，并与步骤1)测得的吸收光谱偏移进行比较，当某个模拟光谱偏移量与步骤1)测得的吸收光谱偏移的差值最小时，该模拟光谱偏移量对应的假定的分子层折射率即为待测分子层的有效折射率。

优选地，所述金属纳米核的材质至少包括金、银、铜、铝、铂、镍、钠、钾、锂、钛、铬、镉、钯、镓中的一种。

优选地，所述金属纳米核的形状为球形、棒状或三角片粒子。

优选地，所述待测分子为对二巯基苯、联苯二巯基、三苯二巯基、对甲苯硫酚、萘硫醇中的一种。

优选地，所述金属壳层的材质至少包括金、银、铜、铝、铂、镍、钠、钾、锂、钛、铬、镉、钯、镓中的一种。

优选地，所述金属纳米核的大小为5-50nm。

优选地，所述分子层的厚度为0.5-10nm。

优选地，所述金属壳层的厚度为10-30nm。

优选地，在步骤3)中，建立所述关系模型的方法为数值模拟模型方法或分析模型方法。

优选地，所述的数值模拟模型方法为有限时域差分法，有限元法，混合法中的一种；所述的分析模型方法为米氏定律分析模型方法。

本发明的原理是：具有等离激元共振效应的金属内核表面吸附待测分子后，由于局部环境折射率的改变，使其吸收峰会产生偏移。由于不同分子层的折射率不同，其引起的偏移值也不同；同一分子层介质，若厚度不同，引起的偏移值也不同。如果已知分子层的厚度，就可以推出分子层的有效折射率。在本发明中，待测分子被包覆在金属结构中，使核壳之间形成缝隙，该缝隙厚度可以在透射电子显微镜下被观察并测量，从而间接得到分子层的厚度。再用计算机软件模拟的方法，根据分子层的厚度数据建立模型，通过不断调整模型中分子层的折射率，使模拟的光谱偏移量值与实验值趋近并最终一致，此时模型中的折射率值即为待测分子层的有效折射率。

本发明的优势在于：能够测定亚纳米尺度的极薄的分子层、以及包裹在纳米颗粒表面分子层的有效折射率。本发明使用了一种内嵌待测分子的核壳金属颗粒结构。待测分子被包覆在金属结构中，并在核壳之间形成间隙。在以往的研究中，由于分子层的厚度无法直接被测量，导致无法直接计算折射率。而这一核壳结构的优势在于，能够使分子层厚度被可视化。具体地说：分子层无法直接在透射电子显微镜下被观察到，但是金属核壳的间隙厚度可以被观察并测量，从而间接得到分子层的厚度数据。已知分子层的厚度，便可以较为准确地推算分子层的有效折射率。因此，本发明提供了一种新的思路和方法，可以测定吸附在纳米颗粒表面的、极薄的分子层的有效折射率。

本发明的有效技术效果为：

1、能够测定纳米尺度、甚至亚纳米尺度的极薄的分子层的有效折射率。

2、能够测定包裹在纳米颗粒表面的分子层的有效折射率。

3、使用了一种内嵌分子层的核壳金属颗粒结构，使分子层厚度被可视化。即，分子层无法直接在透射电子显微镜下被观察到，但是金属核壳的间隙厚度可以被观察并测量，从而得到分子层的厚度。这能提高折射率测定的准确性。

4、简便、成本低、适用的范围较广。

以下将结合附图对本发明作进一步说明，以充分说明本发明的目的、技术特征和技术效果。

附图说明

图1是本发明所提出的测量分子层折射率的原理示意图。

图2是本发明实施例1制备的内嵌待测分子的核壳结构金属纳米颗粒的透射电子显微镜图，所用待测分子为对二巯基苯，所用金属的材质为金。

图3是本发明实施例1中的内嵌待测分子的核壳间隙厚度统计直方图，所用待测分子为对二巯基苯，所用金属的材质为金。

图4是本发明实施1中的吸附了待测分子前后的金纳米核的实验光谱图和模拟光谱图。所用待测分子为对二巯基苯。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

以下实施例中的纳米金核的制备方法可参照公开号为CN104914087A、名称为“一种多层核壳结构的表面增强拉曼探针及制备方法”的中国专利申请。

以下实施例中的测量分子层折射率的方法的原理可参见图1。如图1所示，具有等离激元共振效应的金属内核表面吸附待测分子后，由于局部环境折射率的改变，使其吸收峰会产生偏移。由于不同分子层的折射率不同，其引起的偏移值也不同；同一分子层介质，若厚度不同，引起的偏移值也不同。如果已知分子层的厚度，就可以推出分子层的有效折射率。

实施例1

步骤一：取已制备好的直径为20nm的金纳米核1mL，加入50uL2mmol/L对二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离三次、重分散在200uL0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到在金纳米核的外表面修饰有对二巯基苯的纳米金核。

步骤二：测定吸附了对二巯基苯之前和之后的纳米金核的吸收光谱，得到吸收光谱谱峰偏移量(S)约为3nm。

步骤三：将外表面吸附了对二巯基苯的纳米金核加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL 4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到内嵌对二巯基苯的核壳结构金纳米颗粒(见附图2)。

步骤四：通过透射电子显微镜测量核壳间隙的厚度值，将厚度值画成统计直方图，并用高斯曲线进行双峰拟合(见附图3)。得到对二巯基苯分子层的平均厚度为0.72nm。测量和统计分子层的平均厚度的具体步骤为：

a)在纳米金颗粒的透射电子显微镜图片上量出核壳间隙(即分子层)的厚度。共测量两百个纳米金颗粒，每个颗粒上取多个位置进行测量。

b)把测量得到的分子层厚度值画成直方图。横坐标为厚度(纳米)，范围从0.4纳米至2.0纳米，步长为0.1纳米。纵坐标为频数。

c)用高斯曲线(Gaussian)的双峰拟合来拟合直方图，从而得到两个主要厚度的峰位。取最高峰的峰位值作为分子层平均厚度。

步骤五：根据吸收光谱偏移量和分子层的厚度，建立计算机软件模型。模拟得到金纳米核未吸附分子的光谱(见附图4)。建立计算机软件模型的具体步骤为(以Lumerical FDTD Solutions软件为例。作为该具体实施例的变形，计算机软件也可以采用OptiFDTD、Rsoft Photonics Suite、XFDTD等)：

a)已知实验所用金纳米核半径为r，分子层厚度为t。吸附了分子层的金纳米核，在模拟中近似为一层均匀的介质包裹着金纳米核的结构。

b)在软件提供的基本结构中选择“球体”结构，绘制两个共圆心的大小球体。

c)将小球体设定为金纳米核：小球体的材料(Material)属性选用软件提供的金的折射率数据(Johnson&Christy数据)。其半径设为所用的金内核的半径(r)，网格次序(Override mesh order)设置为2。

d)将大球体设定为分子层：大球体的材料(Material)属性设为特定的折射率(index，简写为n)，其半径设为金内核的半径(r)加分子层厚度(t),网格次序设为3。

e)设定模拟环境折射率(background index)设为水的折射率1.33，网格尺寸(mesh)设为0.01nm×0.01nm×0.01nm，模拟光谱的波长(wavelength)步长设置为0.05nm。

步骤六：给分子层设定一个折射率(n)，并模拟金纳米核吸附分子层后的光谱，从而得到模拟的谱峰偏移量(S’)。模拟值与实验值之间的相对误差为R。其具体步骤为：

a)已知：金属纳米核半径为r；金属纳米核吸附待测分子后，其吸收光谱谱峰发生偏移，偏移量为S；分子层的厚度为t。

b)根据已知数据建立计算模型，先模拟计算金属纳米核未吸附分子时的光谱。

c)给模型中的分子层设定一个折射率(n)，模拟金属纳米核吸附分子层后的吸收光谱。得到模拟光谱的谱峰偏移量为S’。

d)采用逐步逼近的方法，不断调整设定的分子层折射率(n)的大小，使得S与S’越来越接近。

e)给定相对误差R＝|(S-S′)/S′|，通过R来判断模拟与实验数据的差异程度，R越小差异越小，R越大差异越大。当R≈0时，模拟值与实验值的差异最小，此时的折射率(n)值即为分子层的有效折射率。

具体结果如表1所示。

表1对二巯基苯分子层折射率的计算过程中得到的模拟值及相对误差

当模拟的分子层折射率(n)设为1.59时，模拟偏移量(S’)为3.2，对应的R为6.6％。逐步减小分子层的折射率(n)，使得R逐步减小。当折射率为1.57时，模拟值与实验值的相对误差(R)最小，此即为对二巯基苯分子层的有效折射率。

实施例2

步骤一：取已制备好的直径为20nm的金纳米核1mL，加入50uL2mmol/L联二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离、重分散在200uL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，重复三次，得到在金纳米核的外表面修饰有联二巯基苯的纳米金核；

步骤二：测定吸附了联二巯基苯之前和之后的纳米金核的吸收光谱，得到吸收光谱谱峰偏移值约为4.1nm；

步骤三：将外表面吸附了联二巯基苯的纳米金核加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL 4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到内嵌联二巯基苯的核壳结构金纳米颗粒；

步骤四：通过透射电子显微镜测量核壳间隙的厚度，将厚度值画成统计直方图，并用高斯曲线进行双峰拟合。得到联二巯基苯分子层的平均厚度为0.85nm；

步骤五：根据吸收光谱偏移量和分子层的厚度，建立计算机软件模型。模拟得到金纳米核未吸附分子时的光谱。

步骤六：给分子层设定一个折射率，并模拟金纳米核吸附分子层后的吸收光谱，从而得到模拟的谱峰偏移量。当折射率设为1.62时，模拟值与实验值的相对误差最小。此即为联二巯基苯分子层的有效折射率。

实施例3

步骤一：取已制备好的直径为20nm的金纳米核1mL，加入50uL2mmol/L联二巯基苯的乙醇溶液，混合震荡30分钟后，离心分离三次、重分散在200uL0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液中，得到在金纳米核的外表面吸附有三苯二巯基的纳米金核；

步骤二：测定表面吸附三苯二巯基之前和之后的纳米金核的吸收光谱，得到吸收光谱偏移值约为2.3nm；

步骤三：将外表面吸附了三苯二巯基的纳米金核加入到4mL 0.1mol/L十六烷基氯化铵溶液、200uL 4.86mmol/L氯金酸溶液、200uL 40mmol/L抗坏血酸溶液混合的生长液中，振荡搅拌，得到内嵌三苯二巯基的核壳结构金纳米颗粒；

步骤四：通过透射电子显微镜测量核壳间隙的厚度，将厚度值画成统计直方图，并用高斯曲线进行双峰拟合。得到三苯二巯基分子层的平均厚度为0.86nm；

步骤五：根据吸收光谱偏移量和分子层的厚度，建立计算机软件模型。模拟得到金纳米核未吸附分子时的光谱。

步骤六：给分子层设定一个折射率，模拟金纳米核吸附分子层后的吸收光谱，从而得到模拟的谱峰偏移量。当折射率调为1.64时，模拟值与实验值的相对误差最小，此即为三苯二巯基分子层的有效折射率。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。