自 21世纪以来，随着纳米技术的发展，特征尺寸在 1-300 纳米范围内的各种纳米材料已被广泛应用于各个领域。人们致力于研究纳米尺度上强烈的光-物质相互作用，贵金属纳米材料（如金、银和铜）因其催化活性、荧光特性和表面等离子体（SP）等特殊性质而备受关注。其中，SP 对纳米粒子和周围介质的特性极为敏感，因此具有良好的传感器性能。对于扩展的金属表面，这就产生了表面等离子体极化子（SPPs），它是一种蒸发波状态，通过电子和光子的相互作用在金属表面定位，并在金属-电介质界面传播表面等离子体波（SPW）。对于金属纳米粒子，响应来自局部表面等离子体（LSP），其共振取决于粒子的材料、大小和形状。当被电介质包围的金属纳米粒子被电磁辐射激发时，其自由电子将通过与入射电磁场的共振相互作用而集体振荡。这一过程被称为局部表面等离子体共振（LSPR），在纳米光子、材料科学、生命科学和环境工程领域具有广泛的应用潜力。基于对纳米粒子表面等离子体波（SPW）的控制，已有许多实际应用的报道，如表面增强拉曼散射（SERM）、显示技术、医疗诊断和治疗、生物传感和生物成像、太阳能电池、微/纳米器件等。

此外，表面等离子体最重要的特性之一是能够克服经典衍射极限，在亚波长尺度上操纵光。表面等离子体的一个特点是，它们在比入射光波长小得多的尺度上被局部化，这对高度集成的光子学和数据存储应用的发展具有重大意义。因此，将光定位或限制在更小的区域对许多领域都至关重要，包括集成光子学、亚波长光学、光数据存储、超分辨率显微镜技术和光刻技术。然而，由于自由电子的振荡吸收导致损耗大，传输距离小，因此很难在低传输损耗的情况下实现强大的局部场增强，从而限制了其进一步的应用。此外，操纵针尖式 SNOM 的所需的机械系统既笨重又复杂，严重限制了微型化的潜力，并且样品必须经过预处理和固定后才能分析，这给实时检测样品的变化造成了限制。

在这项工作中，我们开发了具有纳米盘、立方体和三角形几何形状的金纳米结构，这些结构能够聚焦和引导表面等离子体波（SPW），相关样品可以通过微通道传送到聚焦区域进行传感，无需繁琐的机械操纵系统，从而实现实时分析。通过数值模拟和 TM/TE 偏振实验，我们证明了 SPW 可以在不同的纳米结构之间传输，大部分 SPW 功率都集中在纳米结构的顶端。值得注意的是，我们实现了很好的传输特性，不会因特征模式共振而产生巨大损耗，我们观察到聚焦尖端的电磁场功率提高了一个数量级。聚焦点的传输距离和方向可根据具体应用进行定制，最后我们将设计的器件应用于卟啉类小分子的传感。

图 (a、d）分别模拟了带有 50 纳米金三角形尖端的 500 纳米金纳米盘和带有金三角形尖端的 50 纳米之字形棒。(b、e）分别为图（a、d）中虚线框内区域的放大图。(c、f）分别为图（b、e）横向虚线上的能量强度分布。(g、h）分别为制造的纳米结构的扫描电镜图像。比例尺为 100 nm。

该工作被发表在 “Hongrui Shan, Hailang Dai, Qiheng Wei, and Xianfeng Chen, Focusing of Surface Plasmon Wave for Small-Molecule Sensing, Advanced Photonics Research, 2300165 (2023)”

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adpr.202300165