双模态表面等离子体共振效应耦合的新型可调近红外光热疗材料

大晶格失配的不同光电功能的金属与半导体之间的二元协同、耦合设计、合成是产生优异性能新材料的关键问题。因为晶格失配度大的原因,常用的液相、气相直接外延生长的原理无法实现金属与单晶半导体最大接触程度地形成可控的核壳纳米结构。北京理工大学张加涛研究小组和他的合作者利用可控的阳离子交换反应,实现了Au纳米晶与单晶Cu2-xS纳米壳层的“Perfect mismatch”和形貌、尺寸调控。

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从相对物理量的协同、耦合效应角度来讲,近年来有两种表面等离子体共振(SPR)效应的材料成为研究热点,分别是由表面电子引起的SPR效应的贵金属(如Au,Pt等纳米结构)和由Cu空位引起的SPR效应的Cu2-xS(S, Se等)纳米结构,如何将这两种物理量实现协同耦合,具有很强的科学意义和应用价值。而且这两种材料在近红外光区的SPR效应具有很好的光热效应;基于光热转换材料的光热疗技术是目前治疗癌症和肿瘤的最有效手段之一,其在近红外区不同病灶窗口的高光热转换效率是应用的关键。张加涛研究小组和他的合作者在实现了Au颗粒与单晶Cu2-xS纳米壳层最大程度地耦合及形貌调控的基础上,首次实现了两种不同SPR机理的协同、耦合效应。结合实验和FEM理论计算,实现了Au@Cu2-xS核壳纳米晶在近红外区的SPR效应在第一病灶窗口(750−900 nm)与第二病灶窗口(1000−1400 nm)区间的可控共振耦合。该材料在808 nm激光和1064 nm激光的辐照下的光热转换效率高达59.01% 和 43.25%。该种材料对宫颈癌细胞的毒性测试和近红外光辐照下宫颈癌细胞的存活率测试表明,使用808 nm激光(第一病灶窗口)或1064 nm(第二病灶窗口)照射都可以非常有效的杀死癌细胞。而且此种Au@Cu2-xS核壳纳米晶为研究两种SPR机理的协同、耦合以及在等离激元光子学研究中的新应用提供了材料素材。相关研究工作发表在近期出版的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201503201)上。