金納米棒膠體的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)研究

董 軍，王麗萍

(西安郵電大學(xué) a.電子工程學(xué)院;b.紀(jì)委監(jiān)察處，西安 710121)

引言

熒光光譜技術(shù)是一種靈敏度高、無損實(shí)時(shí)、方式多樣的光譜檢測(cè)技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于生物細(xì)胞檢測(cè)、生物檢測(cè)等領(lǐng)域。[1]但隨著實(shí)際測(cè)量環(huán)境對(duì)檢測(cè)條件要求的提高，特別是對(duì)高信噪比、超低檢測(cè)下線的熒光光譜信號(hào)檢測(cè)應(yīng)用等方面，傳統(tǒng)熒光檢測(cè)方法已經(jīng)不能滿足要求。因此，進(jìn)一步提高熒光光譜強(qiáng)度，獲取高強(qiáng)度熒光信號(hào)，已經(jīng)成為眾多科研工作者和工程技術(shù)人員的中心任務(wù)之一。[2]20世紀(jì)70年代，Drexhage等人[3]觀察到貴金屬表面對(duì)居于其附近熒光分子的輻射行為有較為顯著的調(diào)制效應(yīng)后，大量研究者通過物理拋光法[4]、磁控濺射法[5]、化學(xué)沉積法[6]等微納樣品制備技術(shù)，探索具有各種微觀形貌的金屬納米結(jié)構(gòu)襯底對(duì)熒光分子輻射光譜的調(diào)制行為。研究發(fā)現(xiàn)，金納米棒在激發(fā)光的誘導(dǎo)下產(chǎn)生表面等離激元，使得其表面附近局域電磁場(chǎng)得到急劇增強(qiáng)，能夠有效調(diào)制位于金納米棒附近的熒光分子的電子躍遷速率，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)分子熒光輻射強(qiáng)度的目的。[7]特別的，當(dāng)金納米棒與DNA共軛嫁接后，可以實(shí)現(xiàn)DNA標(biāo)記。[8]因此，金屬膠體在生物醫(yī)學(xué)、光譜傳感等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。[9][10]研究表明，分子的熒光輻射強(qiáng)度與距離關(guān)聯(lián)型很強(qiáng)，當(dāng)熒光分子與金屬納米結(jié)構(gòu)表面距離約為3-5nm時(shí)，襯底對(duì)其增強(qiáng)效果最為顯著。[2]當(dāng)分子與金屬襯底直接接觸時(shí)，由于二者發(fā)生無輻射馳豫能量傳遞，出現(xiàn)熒光猝滅現(xiàn)象。[11]因此，選擇和制備合適的增強(qiáng)襯底對(duì)于研究熒光增強(qiáng)效應(yīng)具有重要意義。

本文采用晶種法制備具有大長(zhǎng)徑比的金納米棒膠體，選擇Rh6G分子作為探針分子，利用激光光譜學(xué)方法，在532nm激光激發(fā)下，研究金納米棒膠體對(duì)探針分子的熒光增強(qiáng)效應(yīng)。

1 樣品制備

樣品制備所需藥品如下:氯金酸(HAuCl4)、硼氫化鈉(NaBH4)、鹽酸(HCl)、十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)和抗壞血酸(Vc)，均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?實(shí)驗(yàn)用水均為去離子水。

金納米棒采取晶種法制備，[12]即在硝酸銀體系中，檸檬酸鈉存在的條件下利用硼氫化鈉還原氯金酸制得金種子，通過調(diào)節(jié)PH制備出具有良好分散性的金納米棒。具體分以下步驟:第一步:量取40ml0.1M的CTAB放入燒杯中攪拌，滴加250ul2.5×10-4M的HAuCl4溶液;快速加入60ul0.1M的NaBH4溶液，當(dāng)觀察到反應(yīng)液顏色由金黃色變?yōu)闇\棕色時(shí)，繼續(xù)攪拌2分鐘，置于35℃環(huán)境溫度下2小時(shí)，制得金種溶液。第二步:室溫條件下取10ml 0.1M的CTAB溶液，滴加500ul2.5 ×10-4M的HAuCl4溶液，待溶液顏色變?yōu)辄S棕色時(shí)，加入400ul0.01M的AgNO3溶液，再加入50ul0.1M抗壞血酸，當(dāng)溶液變?yōu)橥该鳡顟B(tài)時(shí)，滴加80ulHCl和10ul制備好的金種子，待溶液穩(wěn)定后，在35℃環(huán)境溫度下靜置12h，除去紫色反應(yīng)液。用去離子水水洗、分散、離心，反復(fù)進(jìn)行三次，除去金納米棒表面附著的CTAB分子，制備出長(zhǎng)徑比為6(長(zhǎng)度約為30nm，直徑約為5nm)的金納米棒(見圖1)。

圖1 金納米棒的透射電子顯微鏡表征圖

2 結(jié)果與討論

本實(shí)驗(yàn)選擇532nm的連續(xù)激光作為激發(fā)光，利用激光光譜學(xué)方法，研究所制備金納米棒膠體對(duì)Rh6G分子的熒光信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)。光譜測(cè)試樣品采取以下步驟:將制備好的金納米棒與一定濃度的Rh6G分子溶液(5×10-6M)混合，并放入超聲池振蕩20分鐘，確保金納米棒與探針分子充分混合，制備得到待測(cè)樣品。熒光信號(hào)的采集和記錄系統(tǒng)采用美國(guó)海洋光學(xué)公司生產(chǎn)的USB4000-VIS/NIR攝譜系統(tǒng)，截止濾波片用于去除激發(fā)光及干擾光。532nm激光激發(fā)沉積在襯底表面Rh6G分子的熒光光譜圖見圖2。

根據(jù)圖2可知，當(dāng)Rh6G分子溶液中摻入金納米棒膠體后，分子熒光強(qiáng)度約為未摻入金納米棒膠體時(shí)輻射強(qiáng)度的1.9倍，很明顯，金納米棒的引入，對(duì)探針分子的熒光輻射強(qiáng)度有顯著的增強(qiáng)效應(yīng)。

圖2 532nm激光激發(fā)下Rh6G分子熒光光譜圖

根據(jù)局域電磁增強(qiáng)機(jī)理，分析金納米棒對(duì)Rh6G分子的熒光輻射增強(qiáng)作用機(jī)理:探針分子的熒光輻射來源于自由態(tài)的熒光輻射，即光子輻射來源于激發(fā)態(tài)和基態(tài)間的電子躍遷。當(dāng)Rh6G分子摻入金納米棒后，金納米棒在外光場(chǎng)激發(fā)下，其表面將會(huì)產(chǎn)生表面等離激元共振，從而形成強(qiáng)局域電磁場(chǎng)。[13]因此，居于金納米棒表面附近Rh6G分子的電子躍遷將會(huì)受到調(diào)制，即金納米棒與羅丹明分子可以與所形成的表面等離激元共振發(fā)射，將有助于提升分子的熒光輻射效率，從而獲得熒光增強(qiáng)作用。[14]如前所述，當(dāng)熒光分子與金屬納米棒間的距離較小時(shí)，激發(fā)態(tài)的熒光分子將能量轉(zhuǎn)移給金納米棒，無輻射衰減速率增加，熒光猝滅。[15]因此，處于局域場(chǎng)中的熒光分子在光學(xué)力的作用下，被吸引到金屬納米顆粒的間隙處，受到的局域場(chǎng)強(qiáng)度最大，從而有效地實(shí)現(xiàn)了熒光輻射的增強(qiáng)效應(yīng)。

結(jié)論

本文通過晶種法，制備出長(zhǎng)徑比為6的金納米棒膠體，利用激發(fā)光譜學(xué)方法，在532nm激光激發(fā)下，研究所制備襯底對(duì)Rh6G分子的熒光增強(qiáng)效應(yīng)，結(jié)果表明，所制備金納米棒對(duì)羅丹明6G分子的熒光輻射強(qiáng)度具有明顯的增強(qiáng)作用。根據(jù)局域場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理，金納米棒表面的強(qiáng)電磁場(chǎng)分布是獲得熒光增強(qiáng)效應(yīng)的關(guān)鍵因素。利用金納米棒膠體體系，可以獲得熒光增強(qiáng)效應(yīng)，這為制備高增強(qiáng)效應(yīng)的光譜傳感襯底提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

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