納米金剛石顆粒的襯底增強(qiáng)效應(yīng)研究*

翟陳婷，唐 軍，郭 浩，趙苗苗，郭旭東，劉 俊

(中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

0 引 言

生物熒光標(biāo)記對(duì)生物大分子的研究具有重要的作用［1］，需要熒光材料具有穩(wěn)定的發(fā)光、良好的生物相容性、無毒等特性［2］。

熒光小球、羅丹明、紫藥水等大分子熒光分子是比較常見的熒光標(biāo)記分子，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易操作、檢測(cè)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)［3～5］，比利時(shí)微電子研究中心首席科學(xué)家米諾·納斯拉德克研究小組開發(fā)了一種非入侵式納米科技探測(cè)平臺(tái)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)癌細(xì)胞內(nèi)部的生物分子活動(dòng)情況，實(shí)現(xiàn)了單細(xì)胞膜(單個(gè)細(xì)胞內(nèi))微區(qū)范圍內(nèi)癌癥細(xì)胞發(fā)病跡象的檢測(cè)［6］;Fu C C 等人［7］在不均勻環(huán)境中采用熒光探針的方法實(shí)現(xiàn)了活細(xì)胞中單粒子的定向檢測(cè)，然后，由于Alexa Fluor 熒光分子的熒光微弱，導(dǎo)致檢測(cè)系統(tǒng)復(fù)雜、分辨率低、靈敏度弱［8］。

金剛石氮空位(nitrogen－vacancy，NV)色心結(jié)構(gòu)由于磁靈敏特性等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛地應(yīng)用到生物熒光標(biāo)記材料［9］，Dr.Ambika Bumb 研究小組采用nm 級(jí)熒光金剛石結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)癌細(xì)胞的標(biāo)定和靶向作用檢測(cè)，然而需要進(jìn)一步提高金剛石NV 色心結(jié)構(gòu)的熒光信號(hào)相對(duì)強(qiáng)度，提高金剛石結(jié)構(gòu)作為熒光標(biāo)記結(jié)構(gòu)的檢測(cè)分辨率［10］。

表面拉曼(Raman)增強(qiáng)效應(yīng)已被廣泛地應(yīng)用于增強(qiáng)分子結(jié)構(gòu)的熒光和Raman 信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子信息的高靈敏的檢測(cè)表征。研究人員已經(jīng)通過采用不同襯底結(jié)構(gòu)、不同材料、不同納米增強(qiáng)效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)Raman 和熒光信號(hào)的增強(qiáng)［11］，法國(guó)Oriane Mollet 小組采用納米結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)Raman信號(hào)增強(qiáng)，本文采用納米尖端結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)單分子量級(jí)的信號(hào)增強(qiáng)檢測(cè)［12］。

本文研究了不同襯底結(jié)構(gòu)對(duì)金剛石NV 色心結(jié)構(gòu)的熒光信號(hào)的影響效應(yīng)，采用MEMS 加工工藝技術(shù)制備了不同折射率的Si，SiO2，金屬三種襯底結(jié)構(gòu)，結(jié)合溶膠凝膠工藝制備了納米金剛石結(jié)構(gòu)，并制備到三種襯底結(jié)構(gòu)上，采用Raman 測(cè)試研究得到金屬結(jié)構(gòu)對(duì)熒光信號(hào)的增強(qiáng)效應(yīng)最好，增強(qiáng)因子達(dá)到17.71 和15.82，光子壽命也得到了提高，具有明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)通過結(jié)合不同折射率結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)對(duì)熒光標(biāo)記結(jié)構(gòu)的熒光信號(hào)增強(qiáng)，提高熒光標(biāo)記檢測(cè)和識(shí)別的分辨率。

1 實(shí) 驗(yàn)

在標(biāo)準(zhǔn)千級(jí)潔凈室環(huán)境中，溫度為10 ℃，相對(duì)濕度為20%RH，采用MEMS 常規(guī)有機(jī)清洗方法準(zhǔn)備了單拋(100)晶向、0.51 mm 厚度的n 型Si 片(硼摻雜)、氧化層厚度為(2 850±300)nm 的SiO2片，采用SB—5200DNT 超聲清洗30 min去除片子表面灰塵，采用去離子水沖洗后氮?dú)獯蹈蓚溆谩?/p>

利用英國(guó)Mantis 公司的Qprep Deposition System 沉積系統(tǒng)［13］，在Si 片上沉積120 nm 厚的Au 薄膜，設(shè)備真空度為10－8Torr，金靶材純度為99.99%，工藝氣體氬氣純度為99.99%。

實(shí)驗(yàn)所用納米金剛石購買于華晶微鉆有限公司，粒徑尺寸為50 nm，純度大于99.98%，NaSiO3·9H2O 粉末購買于上海國(guó)藥集團(tuán)(GR)，實(shí)驗(yàn)中采用NaSiO3·9H2O 實(shí)現(xiàn)對(duì)納米金剛石結(jié)構(gòu)的分散［14，15］，防止納米顆粒團(tuán)簇，并利用超聲波振蕩使顆粒分散得更加均勻。然后，將0.5 mL 的懸浮液滴在Si 片、SiO2片和Au 薄膜上，置于加熱臺(tái)80 ℃恒溫加熱60 min 至水分完全蒸干為止。

德國(guó)蔡司公司生產(chǎn)的SUPRA55 型掃描電子顯微鏡(SEM)被用于研究表征納米金剛石顆粒的分散和尺寸特性;英國(guó)雷尼紹公司的InVia 型Raman 光譜儀表征測(cè)試了納米金剛石NV 色性的發(fā)光光譜特性，激發(fā)光波長(zhǎng)為514.5 nm，功率為5 mW，曝光時(shí)間為10 s。

當(dāng)激光光子作用于納米金剛石表面，發(fā)生非彈性散射，形成Raman 散射光，引起納米金剛石中分子振動(dòng)。特定的分子振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)著納米金剛石中特定的價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。發(fā)光光譜和Raman 光譜之間的關(guān)系［16］如式(1)所示

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論

2.1 納米金剛石的形貌特性

圖1 顯示的是納米金剛石顆粒的SEM 圖，晶粒分布相對(duì)比較均勻。通過Smile View 軟件統(tǒng)計(jì)［17］得出，90%以上的納米金剛石的尺寸均小于60 nm，最可幾粒徑53 nm，平均粒徑為54.2 nm。納米金剛石沉積在Si 片、SiO2片和Au 片上，形成納米金剛石薄膜，薄膜的附著性良好，沒有開裂、分層現(xiàn)象，說明納米金剛石具有良好的水分散性。

圖1 納米金剛石顆粒的SEM 圖Fig 1 SEM image of diamond nanoparticle

2.2 不同襯底上金剛石NV 色心的Raman 和熒光特性

圖2 (a)是納米金剛石的發(fā)光光譜圖。圖中，曲線(1)、曲線(2)、曲線(3)分別是Si 片、SiO2片和濺射Au 薄膜的Si片上納米金剛石的Raman 曲線。圖2(b)對(duì)應(yīng)的是Raman散射光強(qiáng)隨材料不同而變化。

可以看到:在519.9 cm－1處出現(xiàn)了Si 的Raman 本征峰，在1 332 cm－1處出現(xiàn)金剛石的Raman 本征峰。在SiO2和濺射Au 薄膜的Si 片同樣出現(xiàn)納米金剛石的本征峰，且峰位沒有發(fā)生漂移現(xiàn)象。

通過大量實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，得到在Si，SiO2和濺射Au 薄膜的Si 上的Raman 峰強(qiáng)度平均值為27.153，185.489，429.487 kcounts，可以看出:濺射Au 薄膜的Si 片上金剛石的Raman 峰強(qiáng)度約為是Si 和SiO2上的15.82 倍和2.32 倍。

理想的Raman 散射峰比較尖銳，實(shí)際上，由于尺寸、缺陷密度、雜質(zhì)以及內(nèi)應(yīng)力等因素，Raman 峰會(huì)出現(xiàn)寬化，強(qiáng)度也會(huì)下降［18］。在1 332 cm－1出現(xiàn)金剛石本征峰，說明在1 332 cm－1有C—C 鍵的振動(dòng)，在519.9 cm－1處有Si—Si 鍵振動(dòng)。

圖3(a)對(duì)應(yīng)的是金剛石的熒光光譜圖，圖中曲線(1)、曲線(2)、曲線(3)分別代表Si 片、SiO2片和濺射Au 薄膜的Si 片上納米金剛石發(fā)出的熒光。圖3(b)納米金剛石發(fā)出的熒光強(qiáng)度隨材料的不同變化的熒光強(qiáng)度圖。

圖2 金剛石的發(fā)光光譜圖和不同材料對(duì)應(yīng)的Raman 散射光強(qiáng)圖Fig 2 Luminescence spectra of diamond and Raman scattering light intensity corresponding to different materials

能夠看到:納米金剛石在550～800 nm 范圍存在一個(gè)發(fā)光帶。在發(fā)光帶上出現(xiàn)了缺陷NV0(575 nm)的發(fā)光峰以及它的伴隨峰(640 nm)。通過大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，Si 片、SiO2片和Au 薄膜上金剛石熒光強(qiáng)度分別是128.45，300.98，2 274.33 kcounts，熒光強(qiáng)度增加了2.34，17.71 倍。

產(chǎn)生熒光強(qiáng)度增加的原因可能有:一方面，Si 的折射率(n=3.4)高于金剛石(n=2.4)，而SiO2(n=1.45)和Au 薄膜(1.5～2.0)的折射率都低于金剛石，當(dāng)激發(fā)光照射時(shí)，Si片上一部分光發(fā)生透射，引起光損耗，而SiO2和Au 薄膜發(fā)生全反射。另一方面，Au 薄膜表面的電子發(fā)生振動(dòng)，形成表面電磁波增強(qiáng)了局域電場(chǎng)，加速了激發(fā)態(tài)的NV 色心釋放光子，從而增強(qiáng)了熒光強(qiáng)度。局部表面等離子體增強(qiáng)效應(yīng)使得電子在導(dǎo)帶和色心缺陷之間發(fā)生轉(zhuǎn)移，導(dǎo)帶中電子濃度增加，使得納米金剛石輻射的光子速率增加，最終導(dǎo)致金剛石熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)［19］。

圖3 金剛石的熒光光譜圖和不同材料對(duì)應(yīng)的熒光強(qiáng)度圖Fig 3 Fluorescence spectra of diamond and fluorescence intensity corresponding to different materials

2.3 NV 色心的熒光壽命

根據(jù)之前的報(bào)道，可以得到塊狀金剛石NV 色心壽命約為14.4 ns，天然金剛石中NV 色心的壽命約為13 ns，合成金剛石中NV 色心的壽命為11.6 ns。塊狀金剛石可以看作介質(zhì)中的一個(gè)偶極矩模型［20］，其自發(fā)輻射率Γ

其中，Γ0為自由空間中自發(fā)輻射速率(可視為常數(shù))，n 為介質(zhì)折射率。金剛石的折射率nd為2.4，塊材金剛石壽命τb約為11.6 ns。納米金剛石NV 色心有效的輻射到空氣中和襯底中，襯底上納米金剛石中NV 色心的熒光壽命［20］

其中，fs為襯底所占的體積比(取為1/2)，ns為襯底的折射率。Si，SiO2和Au 的折射率分別取3.42，1.45，1.8時(shí)，理論計(jì)算得到Si 襯底、SiO2襯底和Au 襯底上納米金剛石NV 色心壽命分別約為12.59，22.73，19.89 ns。納米金剛石中的氮和雜質(zhì)的含量能夠影響NV 色心的熒光壽命，金剛石納米顆粒的尺寸和色心所處的位置和環(huán)境也會(huì)對(duì)壽命產(chǎn)生影響，因此，得到的壽命有差別。

3 結(jié) 論

本文采用不同折射率的材料與納米金剛相互耦合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)納米金剛石NV 色心的熒光信號(hào)增強(qiáng)，基于金屬表面等離子體增強(qiáng)效應(yīng)使得納米金剛石微弱的Raman 和熒光信號(hào)分別提高15.82，17.71 倍，使得納米金剛石NV 色心中輻射的光子速率增加，熒光強(qiáng)度大幅度增強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用于提高NV 色心作為熒光載體對(duì)生物活細(xì)胞的活動(dòng)軌跡的高靈敏、高分辨率檢測(cè)和標(biāo)定識(shí)別。

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