石墨烯之共振生熱性質_機理 (#20)

2015-7-21

光熱轉換的納米材料是一種能吸收某種光尤其是近紅外光（因為它的波長範圍賦予了它的獨特光學安全性質，可透過人體皮膚和深組織，是病灶部位的天窗）通過等離子體共振或者能量躍遷帶產生的熱，從而在局部導致高溫，最終殺死腫瘤細胞的功能材料，光熱轉化的功能材料由於能將近紅外光轉換成高熱而倍受青睞，在生物應用上成為研究熱點。很多生物材料學者致力於合成這種材料，將它應用於光熱治療等。光熱轉換材料在生物醫學上具有很大的應用潛能。生物組織在近紅外波段雖然透過率較高，但仍然屬於高散射介質，光源從外部入射吸收了納米粒子的組織會產生熱，組織中的液體在高熱下變為氣態的小氣泡，氣泡體積急劇膨脹，最終撕裂腫瘤細胞，達到治療目標。

眾所周知，金奈米粒子受到雷射照射時，依據不同的長寬比，不同的金奈米粒子對於特定的雷射波長可有效吸收，隨後的表面電漿共振，使得這些奈米結構物的熱電子 (hot electrons)，在大約 100 皮秒 (picosecond) 的時間尺度下，升溫至凱氏數千度 (thousands ofnkelvins) 的高溫，使得奈米粒子周圍的軟組織溫度，可上升至攝氏數十度的程度，產生熱治療的效果。不同的奈米粒子，有不同的共振波長，一般的治療波長，多選擇介於 750~1100 nm之間的「治療窗口」(therapeutic window)，可藉由改變奈米粒子的大小、形狀，與結構來調整合適的表面電漿共振波長。

進一步研究發現，空腔結構的金屬納米顆粒因其具有獨特的表面等離子體增強效應而使熱轉換效率明顯提高。表面等離子體是指在金屬表面存在的自由振動的電子與光子相互作用而產生的沿著金屬表面（截面）傳播的電子疏密波，它能夠被電子或光波激發，進而增強周邊熒光發射及產生光熱轉換效應。空腔結構的金屬納米顆粒由於其空腔結構所形成的大吸收截面，故具有更高的光熱轉換效應，通過高溫可以有效地殺死癌細胞，從而達到治療的目的。

nn加拿大科學家發現此石墨烯與金奈米結構不僅能對石墨的拉曼特徵鋒有著約 7 倍的增益外，也證實了石墨烯與金奈米粒之間有著獨特的表面電漿子共振 (surfacenPlasmon resonance)的特性。除此之外，此研究團隊也首次量測出無基板石墨烯的光學密度 (opticalndensity) 約為 0.007，是目前單層石墨烯中最小的記錄。此石墨烯與金奈米結構的研究對於未來設計與製作石墨烯複合的電漿子奈米結構或是組件有著相當大的貢獻。前幾篇我們談到石墨烯表面也能激發出等離子體振子，與基於金屬的等離子體振子不同的是，石墨烯等離子體振子能夠按需要進行調整。我們嘗試過石墨烯-金奈米進行光熱轉換髮現，可上升 41℃的程度，而傳統使用鎢氧化物基奈米材料 WO3-X 或 MXWO3 奈米光熱轉換材料，只能在 1~60 分鐘內提高溫度 1~10 ℃，的確可以達到吸收nNIR 來共振生熱。
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