表面等离子体光子学（Plasmonics）是最近迅速发展的一个新兴热点领域。利用表面等离子体激发的效应，可以在纳米尺度上实现对光的操纵，包括光强、光的偏振、光的传播的操纵以及由光操纵而产生的光学力等。

由于表面等离子体共振, 贵金属纳米颗粒在入射光的激发下可以产生很强的局域电场, 当两个贵金属纳米颗粒或者贵金属纳米颗粒与纳米线相距很近时, 在其之间的间隙会产生巨大的电磁场增强作用, 从而增强分子的拉曼散射强度, 甚至能探测到单个分子的拉曼信号.而表面等离子体除了可以在金属平面上传播外, 也可以在贵金属纳米线上传播. 当将激光束聚焦到银纳米线的一端时, 光场与金属中自由电子的相互作用会激发起金属中的自由电子的集体振荡而沿着纳米线传播, 在线的另一端点、拐点或者线与颗粒之间等处, 动量守恒定律得到满足, 传播的表面等离子体以光子的形式耦合出来,即贵金属纳米线可以作为波导实现亚波长尺度的电磁能量的传输. 由于表面等离子体波导具有潜在的应用价值, 这一新兴的研究领域已经引起了国际科学界巨大的兴趣.

中国科学院物理研究所徐红星研究员领导的小组在国家自然科学基金委员会、科技部和中国科学院知识创新工程等的资助下, 致力于这一新兴学科的研究. 最近, 该研究组在纳米尺度的光传导研究中取得了突破,他们利用银纳米线中传导的表面等离子体实现了单分子水平上的表面增强拉曼散射(SERS)的远程激发, 并与美国Rice 大学的Peter Nordlander 教授合作, 从理论上成功地解释了这一超灵敏远程激发的SERS 机制. 研究成果发表在最近出版的Nano Letters 上[Nano Lett,2009, 9: 2049—2053].

研究表明, 通过银纳米线传播的表面等离子体在遇到银纳米颗粒时发射出来, 在银纳米线与银纳米颗粒之间的间隙会产生巨大的电磁场增强作用, 从而可以探测到处于该间隙的分子的拉曼信号(图1). 在该实验中,通过特殊光路的设计, 使波长为633 nm 的激光聚焦在直径约100 nm 的银纳米线一端, 而在远离激发端的颗粒与线耦合的地方可以测到分子的拉曼信号, 而且灵敏度甚至可以达到几个分子的探测水平. 计算也表明, 通过银纳米线传播的表面等离子体可以在纳米线和颗粒的间隙产生巨大的电磁场增强.

	图1 银纳米线-纳米颗粒体系的SEM 像(a)、光学像(b)、光传导像(c)、远程拉曼像(d)及远程SERS 谱((e)和(h)), (f)为样品基底背景的拉曼像, (g)为减去背景后的远程拉曼像

通常的微区拉曼散射实验中, 激发光对样品的激发和信号光的采集在同一区域, 由于该激发探测模式容易实现而被广泛地应用. 而在该研究中, 激发位置和信号收集的位置距离几微米远, 通过金属纳米线的表面等离子体传导来实现远程的拉曼激发. SERS 的远程激发与通常采用的直接激发相比具有显著的优点: 远程激发模式可以实现在纳米尺度范围内的照明和拉曼激发, 因而可极大地提高信噪比和减少潜在的损伤; 远程激发模式也可用于在直接激发模式因光吸收等无法适用的环境中实现光谱的探测. 这一研究将开启微纳尺度上光谱探测的新模式, 特别是为生物体系中生化信息的远程探测提供新的方法和思路. 该研究的意义还在于可能对未来的等离子体器件及其网络的设计有所帮助, 例如将金属纳米颗粒与纳米线或者纳米线与纳米线的连接处作为网络节点来实现亚微米尺度的信息传输.