銀納米立方體/PE/金膜三明治結(jié)構(gòu)增強(qiáng)熒光的性能研究

周子昂，孫銘明，王 強(qiáng)

(首都師范大學(xué) 化學(xué)系、初等教育學(xué)院，北京 100048)

0 引言

近年來，納米光子學(xué)相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展迅速，研究者主要目標(biāo)集中于開發(fā)有實(shí)際應(yīng)用能力的下一代光學(xué)器件。中科院李家方研究員認(rèn)為下一代光學(xué)器件需要滿足更小體積、更高集成度、更快的響應(yīng)速度和更低的能耗等條件[1]。這種投入實(shí)際應(yīng)用的器件還應(yīng)該滿足制作成本低的特點(diǎn)。發(fā)展和利用等離子體光學(xué)結(jié)構(gòu)的器件來獲得遠(yuǎn)超當(dāng)前光學(xué)器件的性能，最終實(shí)現(xiàn)下一代光學(xué)器件的制備是目前主流的研究方案。Drexhage在1974年發(fā)現(xiàn)貴金屬表面的分子產(chǎn)生的熒光能得到增強(qiáng)[2]證實(shí)了金屬熒光增強(qiáng)的存在。二十世紀(jì)八十年代以來，納米技術(shù)迎來非常大的發(fā)展，使用金屬納米顆粒(主要是金、銀和銅)來構(gòu)建電磁增強(qiáng)基底。其中由于不同的材料，不同的形貌導(dǎo)致增強(qiáng)能力有較大差異[3-6]。這是由于金屬存在大量的自由電子，自由電子聚集形成的氣團(tuán)就是等離子體，這些自由電子的振動頻率與入射光的頻率一致時會產(chǎn)生等離激元共振，這種共振形成的電磁場遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于材料自身的電磁場。對納米顆粒而言，自由電子由于避雷針效應(yīng)更多的集中在邊角處，因此具有尖銳邊角形貌的納米顆粒能產(chǎn)生更強(qiáng)的等離激元共振，邊角處的電磁場也遠(yuǎn)遠(yuǎn)強(qiáng)于納米顆粒自身其他區(qū)域，這種現(xiàn)象被叫做局域等離激元(Localized Surface Plasmon：LSP)[7]。對金屬薄膜而言，等離激元共振形成的電磁場主要在金屬膜內(nèi)部傳播，金屬膜垂直方向上20納米內(nèi)也有來自金屬膜的電磁場，這種現(xiàn)象被叫做表面等離激元(Surface plasmon Polariton：SPP)[8]。

從增強(qiáng)的機(jī)理看，無論是局域等離激元LSP還是表面等離激元SPP，本質(zhì)上都是等離子體的振動與外加磁場的振動頻率一致產(chǎn)生的共振，如果再加入一個外加磁場或等離子體的振動那么電磁場就能得到進(jìn)一步的加強(qiáng)。因此，將局域等離激元LSP和表面等離激元SPP組合，物質(zhì)分子既能得到LSP共振產(chǎn)生的增強(qiáng)又能得到SPP共振產(chǎn)生的增強(qiáng)就能實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的熒光增強(qiáng)。從器件的組裝上看，就是將納米顆粒沉積在金屬膜上，物質(zhì)分子介于納米顆粒與金屬膜的中間層中。我們通過組裝表面等離子體耦合結(jié)構(gòu)來獲得擁有自然界所不具備的超常電磁場增強(qiáng)效應(yīng)的復(fù)合材料并據(jù)此制造出高靈敏的傳感器，核心是納米顆粒/中間層/金屬膜三明治結(jié)構(gòu)。中間層為聚合物介電層，由聚烯丙基胺鹽酸鹽(PAH)與聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)組成。

我們課題組已經(jīng)對上述三明治結(jié)構(gòu)在拉曼增強(qiáng)領(lǐng)域的性能做出報道，該基底實(shí)現(xiàn)了拉曼檢測極低的檢出限和良好的重復(fù)性。雖然拉曼增強(qiáng)和熒光增強(qiáng)都是由電磁場增強(qiáng)引起的，但表面等離激元增強(qiáng)熒光的基底卻要在增強(qiáng)拉曼基底的基礎(chǔ)上做出改變，這是由于熒光的產(chǎn)生和拉曼光譜的產(chǎn)生有所區(qū)別：熒光的產(chǎn)生是由于物質(zhì)分子中的基態(tài)電子吸收能量后從激發(fā)態(tài)重新回到基態(tài)釋放出能量，能量以光的形式釋放就是熒光。熒光光譜的強(qiáng)度與物質(zhì)分子吸收的光子數(shù)量有關(guān)，而納米顆粒邊角處增強(qiáng)的電磁場能夠提高基態(tài)電子的激發(fā)效率，熒光光譜強(qiáng)度也就提高了。然而不同于拉曼光譜，納米顆粒與物質(zhì)分子相隔較近時(一般認(rèn)為小于1 nm)，由于物質(zhì)分子的非輻射能量會直接轉(zhuǎn)移給納米顆粒導(dǎo)致熒光猝滅[9-11]，當(dāng)大部分物質(zhì)分子都與納米顆粒相隔較近導(dǎo)致基底檢測出來的熒光減弱而非增強(qiáng)[12-14]。熒光光譜除了強(qiáng)度以外，熒光的波長、壽命和偏振也是重要的特征參數(shù)[15, 16]。憑借著這些特征參數(shù)，研究者可以了解物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)相互作用動力學(xué)過程。例如在催化劑的熒光檢測中強(qiáng)度表示的是電子與空穴的復(fù)合率，熒光強(qiáng)度低則表明電子與空穴易分離，催化性能一般比較優(yōu)異[17]。因而使用熒光分析法研究者們研究物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)及其中各分子間相互作用動力學(xué)過程不可或缺的手段。

熒光增強(qiáng)基底可以直接在目前熒光的化學(xué)或生物傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域使用，諸如納米催化材料、物質(zhì)定性和定量分析等領(lǐng)域[18-20]。而憑借著等離激元結(jié)構(gòu)增強(qiáng)熒光的基底(傳感器)具有更高的靈敏度、更好的選擇性和更低的檢出限，在一些復(fù)雜的進(jìn)口產(chǎn)品、海產(chǎn)品和污水廠體系中做極微量的違禁添加劑和毒品的檢測可以發(fā)揮出它的優(yōu)勢[21-25]。隨著研究者們發(fā)現(xiàn)和制造了不少越來越強(qiáng)的檢測能力的熒光增強(qiáng)基底，比如蝴蝶結(jié)形納米天線基底熒光能力最強(qiáng)達(dá)到1340倍[12]，因此使用熒光增強(qiáng)基底進(jìn)行單分子檢測成為研究者們進(jìn)一步拓展熒光分析法的目標(biāo)[26-32]。表面等離子體激元增強(qiáng)熒光提高熒光強(qiáng)度與熒光穩(wěn)定性從而提高信噪比，這樣就可以避免背景信號淹沒單分子的熒光信號[33-37]。本研究成功制備了尺寸均勻的銀納米立方體，構(gòu)建了銀納米立方體/PE/金膜三明治結(jié)構(gòu)并將其用于拉曼檢測，為了盡可能消除熒光猝滅、探究場增強(qiáng)基底最強(qiáng)熒光增強(qiáng)能力，通過改變物質(zhì)分子與納米顆粒和金屬膜之間的位置獲得具有潛在應(yīng)用前景的最強(qiáng)熒光增強(qiáng)光譜。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

硫氫化鈉(NaHS.xH2O, 68%～72%；Macklin)、鹽酸(HCl 36.0%～38.0%；Macklin)、乙二醇(ethylene glycol(EG)，Macklin)、聚乙烯吡咯烷酮(poly(vinylpyrrolidone) (PVP)，Mr≈58000，Macklin)、三氟乙酸銀(≥98%，Macklin)、氯化鈉(NaCl，Macklin)、去離子水(H2O)、無水乙醇(北京化工廠)、丙酮(北京化工廠)、聚烯丙基胺鹽酸鹽(poly(allylamine) hydrochloride (PAH)，Mw=70 ku；Sigma Aldrich)、聚苯乙烯磺酸鈉(polystyrene sulfonate(PSS)，Mw=70 ku；Sigma Aldrich)、羅丹明6G(Rhodamine 6G(R6G), C28H31N2O3Cl, 99%；Macklin)。

紫外可見分光光度儀(Lambda 750S 光譜儀(SHIMADZU))；凈化工作臺；激光共聚焦拉曼光譜儀(HR800，Horiba Jobin Yvon)；MSP-620全自動磁控濺射設(shè)備；日立JSM-7001F場發(fā)射掃描電子顯微鏡和日立H-7650透射電子顯微鏡。

1.2 納米銀立方體的合成

取乙二醇(5 mL)與鵝蛋形磁子(10 mm)，加入圓底燒瓶(100 mL)中，將圓底燒瓶放置到150 ℃油浴皿中，待硅油溫度再次回升至150 ℃，加入硫氫化鈉(75 μL，3 mmol/L，EG為溶劑)，2 min后，加入鹽酸(0.5 mL，3 mmol/L，EG為溶劑)，隨后立即加入PVP(1.25 mL，20 mg·mL-1，EG為溶劑)，2 min后，快速向圓底燒瓶中注入三氟乙酸銀(0.4 mL，282 mmol/L，EG為溶劑)，蓋上玻璃蓋。反應(yīng)結(jié)束后，所有樣品用丙酮、水依次離心洗凈，儲存前使用紫外吸收光譜統(tǒng)一銀溶膠的濃度，方便取用。

1.3 金膜的沉積和聚合物膜的沉積

金膜的沉積：通過磁控濺射技術(shù)(MSP-620全自動磁控濺射)在玻璃片(1 cm×1 cm)上依次濺射鉻(5 nm)和金(50 nm)。

聚合物膜的沉積：聚合物的溶劑為1 mol/L的NaCl溶液，由于檢測分子(本文中為R6G和CV)濃度均小于10-6mol/L，因此可以直接添加進(jìn)NaCl(1 mol/L)溶液中與聚合物一起沉降。將已經(jīng)完成金膜沉積和聚合物膜沉積的基底放入四分格培養(yǎng)皿(直徑為35 mm)中，把PAH溶液(3 mmol/L)用移液槍注入四分格中，30 min后用移液槍將溶液吸出，再注入超純水，1 min后更換為1 mol/L NaCl溶液中浸泡30 s，同樣移液槍吸出之后注入PSS溶液(3 mmol/L)浸泡30 min，然后重復(fù)上述的操作鋪設(shè)更多層PAH與PSS。鋪設(shè)結(jié)束后，形成不同層數(shù)PE層的PAH-(PSS- PAH)n-金膜基底。直接用氮?dú)飧稍?，放置備用?/p>

納米銀立方體的沉積：將已經(jīng)完成金膜沉積和聚合物膜沉積的基底放入四分格培養(yǎng)皿(直徑為35 mm)中，滴入45 μL銀溶膠后，再滴入不同量(0 μL至45 μL)的乙醇。此過程在凈化工作臺完成，應(yīng)避免外界干擾。

2 結(jié)果與討論

2.1 合成討論

圖1(a)中的納米銀立方體的紫外可見光譜圖能很好表示出其各項(xiàng)物理特征。分別位于347、386和456 nm處的峰是納米顆粒的等離激元共振(LSPR)峰，其中347 nm和386 nm處的峰不隨粒徑增加而移動。最強(qiáng)吸收峰(456 nm)的位置表示檢測的納米銀顆粒的平均粒徑，當(dāng)峰的最大值位于456 nm表示平均粒徑為50 nm(圖1(b))。銀溶膠的半高峰寬為100 nm,表明銀溶膠中的納米銀立方體具有良好的均一性。

在合成了納米銀立方體后需要將其沉積在固體基材表面，為了獲得更穩(wěn)定的熒光光譜，沉積的納米銀立方體分布的應(yīng)該是均勻的。我們采用之前已經(jīng)報道的通過添加乙醇來獲得均勻的納米顆粒沉積形貌的滴落涂布法[38]，該方法已經(jīng)證實(shí)實(shí)現(xiàn)了拉曼增強(qiáng)基底的點(diǎn)到點(diǎn)的重復(fù)性和樣到樣的重現(xiàn)性，因此也能保證制備出的熒光增強(qiáng)基底實(shí)現(xiàn)點(diǎn)到點(diǎn)的重復(fù)性和樣到樣的重現(xiàn)性。

圖1 納米銀立方體的紫外可見光譜(a)和納米銀立方體SEM圖像(b)

2.2 性能分析

一般認(rèn)為熒光分子距金膜表面20 nm以內(nèi)或者距納米顆粒5 nm以內(nèi)會出現(xiàn)熒光猝滅效應(yīng)。而三明治結(jié)構(gòu)的電磁場分布與強(qiáng)度也與PE層的厚度有關(guān)，而且據(jù)理論計算發(fā)現(xiàn)，8 nm時電磁場最強(qiáng)。這表明要得到一個高效的熒光增強(qiáng)的基底則必須鋪設(shè)均勻且合適厚度的PE層，為了得到最佳熒光增強(qiáng)的基底和探究影響熒光增強(qiáng)的因素，以便為下一步發(fā)展新型基底提供理論依據(jù)和指導(dǎo)，我們設(shè)計了以下幾個實(shí)驗(yàn)。

圖2 乙醇改良的三明治基底示意圖(a)；三明治基底各部分示意圖(b)；具有不同厚度 (0 nm，4 nm，8 nm，12 nm)PE層的三明治結(jié)構(gòu)電場分布(c)～ (f)

如圖2(a),(b)基底結(jié)構(gòu)與拉曼基底一致，PE層可以通過不同層數(shù)的鋪設(shè)來控制熒光分子與金膜表面的平均距離。而根據(jù)理論計算發(fā)現(xiàn)PE層厚度為8 nm時電磁場強(qiáng)度最強(qiáng)，厚度再增加時，電磁場強(qiáng)度減弱(圖2(c)～(f))。根據(jù)J.J.Mock的實(shí)驗(yàn)確認(rèn)，一層PAH或PSS的厚度是2 nm,層層疊加來控制PE層的厚度(圖3(a)～(e),0層,1層,3層,5層和7層)，通過添加合適濃度的R6G使得不同PE層數(shù)的基底擁有相同數(shù)目的R6G分子。即向1層基底的PE溶液中加入一個單位的R6G，向3層基底的PE溶液中加入1/3個單位的R6G,以此類推。對直接吸附在納米銀立方體表面的R6G分子使用與單層PE層相同的濃度，由于納米銀立方體的吸附作用，直接吸附在納米銀立方體表面的R6G分子必然要比自然沉降的要多。這里之所以沒有將R6G直接鋪在PE層上，是由于PAH分子帶正電，PSS分子帶負(fù)電，而R6G分子帶正電，因此如果直接鋪在PE層上，那么鋪在PSS層上的R6G分子將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過鋪在PAH層上的。如果使用這種鋪設(shè)方法，那么只能將PAH和PSS作為一個單元，這樣就只能對0、4、8和16 nm等的中間層厚度進(jìn)行探究，有可能錯過最佳熒光增強(qiáng)厚度。

熒光強(qiáng)度表示為

圖3 R6G分子直接吸附在納米銀立方體表面(a)；R6G均勻的分布在三層(b)；五層(c)；七層(d)和九層(e) PE層中的 示意圖, R6G均勻的分布在單層,三層，五層和七層PE層中的紫外透射光譜(f)；不同PE層數(shù)的 三明治基底對R6G(10-7 M)的熒光增強(qiáng)(g)

為了確認(rèn)中間層厚度均勻和不同基底R6G分子數(shù)相等，用玻璃代替金膜作為底板，鋪設(shè)PE層和R6G與四個基底(圖3(b)～(e))的方法相同。然后使用紫外-可見分光光度計進(jìn)行透光性測試(圖3(f))，發(fā)現(xiàn)透光性隨PE層數(shù)的增加等量變化，同時540 nm處的R6G特征峰高度相同，證明鋪設(shè)的PE層厚度均勻的同時R6G數(shù)目大致相等。對基底進(jìn)行最低濃度的熒光測試(圖3(g))，一方面這樣能夠有效判斷熒光增強(qiáng)基底的檢出限，另一方面這樣能夠盡可能的減少由于分子數(shù)過多導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)誤差，具體來說就是，由于一部分分子參與非輻射能量轉(zhuǎn)移，然而由于分子數(shù)過多，因此參與非輻射能量轉(zhuǎn)移的分子數(shù)量會發(fā)生飽和，造成不能準(zhǔn)確判斷不同基底的實(shí)際熒光增強(qiáng)能力，同時將濃度控制在10-4mol/L以下也可以避免分子之間距離過產(chǎn)生近的非輻射能量轉(zhuǎn)移。在調(diào)低物質(zhì)分子R6G濃度(10-7mol/L)后檢測發(fā)現(xiàn)擁有5層PE層的基底擁有最強(qiáng)的熒光。這證明納米銀立方體和金膜在中間層為10 nm時能夠提供最大的熒光增強(qiáng)。我們看到無PE層的R6G分子即使分子數(shù)目多，但熒光增強(qiáng)最弱，這是由于耦合電場最弱和熒光猝滅蓋過熒光增強(qiáng)導(dǎo)致的。

注：第一層(a);第二層(b);第三層(c);第四層(d);第五層(e)和吸附在納米銀立方體表面(f);不同R6G位置的三明治基底對R6G(10-4 mol/L)的熒光增強(qiáng)(g)。圖4 5層PE層三明治基底中R6G位于不同位置的示意圖

與拉曼增強(qiáng)不同，熒光猝滅效應(yīng)是構(gòu)建熒光增強(qiáng)基底無法回避的問題，從圖3(g)中看到單層的PE層已經(jīng)有一定程度的熒光增強(qiáng)能力了，其中有一部分R6G分子由于非輻射能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致了熒光強(qiáng)度不大，如果在這層PE層上下各插入幾層PE層，這樣就能夠減少與金屬發(fā)生非輻射能量轉(zhuǎn)移的R6G分子，從而得到進(jìn)一步的熒光增強(qiáng)。從已發(fā)表的文章我們知道，單獨(dú)的納米銀顆粒大約在5 nm左右有最強(qiáng)熒光，而單獨(dú)的銀膜大約在10 nm左右有最強(qiáng)熒光。其中最有價值的信息就是可以在合適的位置上獲得最強(qiáng)熒光。因此我們設(shè)計了一個實(shí)驗(yàn)：選取熒光增強(qiáng)效應(yīng)最強(qiáng)的5層PE層(Ag NCs-PAH-PSS-PAH-PSS-PAH-Au film)基底作為研究對象，最靠近金膜的PE層為第一層(1 L)，往上一層為第二層(2 L)，依次排序，將R6G分子放置在不同的PE(PAH或PSS)層中(圖4(a)～(e))、R6G分子先與納米銀立方體混合吸附后沉積在PE層上(圖4(f))，并檢測這六個基底的熒光增強(qiáng)性能。研究發(fā)現(xiàn)R6G分子分布在距離金膜三層PE層和距離納米銀立方體一層PE層的位置能得到最大的熒光增強(qiáng)(圖4(g))。也就是說向下距離金膜7 nm，向上距離納米銀立方體3 nm處能得到最大的熒光增強(qiáng)。這種通過更加精細(xì)化的構(gòu)建熒光增強(qiáng)基底的方法能夠給研究者們優(yōu)化基底提供思路，同時為發(fā)展性能優(yōu)異均衡的拉曼-熒光雙檢測器提供指導(dǎo)。

3 結(jié)論與展望

利用納米銀立方體/PE/金膜三明治結(jié)構(gòu)基底中中間層厚度可調(diào)控的特點(diǎn)，我們測試分析了納米銀立方體和金膜不同間距對熒光增強(qiáng)的影響，以及更加精準(zhǔn)的控制物質(zhì)分子所處的位置并了解了最強(qiáng)熒光增強(qiáng)基底的構(gòu)建方式。具體來說，由于使用的是層層鋪設(shè)的PE層，通過對PE層中R6G分子位置的調(diào)整，探索出了將物質(zhì)分子放置在第四層將能夠提供最強(qiáng)熒光。將該基底應(yīng)用在熒光檢測前，對不同中間層厚度的該基底進(jìn)行了理論計算發(fā)現(xiàn)，中間層厚度為8 nm時，能提供最大的場增強(qiáng)。據(jù)此改變目標(biāo)分子在中間層的位置，先將其充滿中間層，并改變中間層的層數(shù)來實(shí)現(xiàn)對中間層厚度的控制，發(fā)現(xiàn)中間層厚度為10 nm時能夠?qū)崿F(xiàn)最大的熒光增強(qiáng)。然后從實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象出發(fā)，結(jié)合PE層層層鋪設(shè)的特點(diǎn)，將目標(biāo)分子僅放置在一層PE層中并改變它的位置，最終發(fā)現(xiàn)位于距離納米銀立方體3 nm，距離金膜7 nm處能夠帶來最強(qiáng)的熒光增強(qiáng)性能。這些實(shí)驗(yàn)表明，通過改變基底組裝順序就能構(gòu)建進(jìn)一步增強(qiáng)熒光的檢測器。這種檢測器由于具有很好的點(diǎn)到點(diǎn)的重復(fù)性和樣到樣的重復(fù)性，進(jìn)行定性檢測之外也可通過標(biāo)準(zhǔn)曲線法實(shí)現(xiàn)定量檢測。