馬超 張玲

摘要：為了減弱金屬基底對(duì)表面增強(qiáng)熒光的淬滅效應(yīng)，設(shè)計(jì)了增強(qiáng)效果更好的熒光增強(qiáng)基底。采用化學(xué)生長二氧化硅的方法對(duì)納米多孔金（NPG）表面進(jìn)行修飾，避免熒光分子和NPG表面直接接觸引起的淬滅效應(yīng)，在siO2@NPG表面分別組裝上羅丹明6G（R6G）和輻射中心波長為700nm的量子點(diǎn)（QD 700）。通過探測分析熒光光譜，可以得出：二氧化硅包覆的基底可以使表面增強(qiáng)熒光得到顯著的增強(qiáng)，并且二氧化硅厚度對(duì)熒光強(qiáng)度有調(diào)節(jié)作用;在基底增強(qiáng)量子點(diǎn)熒光信號(hào)的同時(shí)，量子點(diǎn)和NPG之間還出現(xiàn)非輻射的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象，二氧化硅的厚度對(duì)能量轉(zhuǎn)移同樣有調(diào)節(jié)作用，厚度約為5nm時(shí)能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象最顯著。本實(shí)驗(yàn)為基于熒光能量轉(zhuǎn)移的檢測以及設(shè)計(jì)更好的熒光增強(qiáng)基底提供了參考。

關(guān)鍵詞：納米多孔金（NPG）;siO2@NPG;量子點(diǎn);表面增強(qiáng)效應(yīng);熒光共振能量轉(zhuǎn)移

中圖分類號(hào)：0484 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

納米多孔金（nanoporous gold，NPG）具有獨(dú)特的納米孔道結(jié)構(gòu)及大的比表面積，在物理、化學(xué)、生物及光學(xué)等領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的應(yīng)用潛力，已成為納米科學(xué)研究的熱點(diǎn)之一。NPG制作方法簡單，可以通過調(diào)節(jié)腐蝕條件靈活地改變其微觀納米結(jié)構(gòu)，隨之其局域表面等離子體共振特性也發(fā)生變化，因此NPG被用于表面增強(qiáng)拉曼和表面增強(qiáng)熒光等靈敏檢測方面。當(dāng)熒光分子與NPG表面直接接觸時(shí)，由于內(nèi)部非輻射能量轉(zhuǎn)移的影響，納米金屬結(jié)構(gòu)在增強(qiáng)熒光輻射的同時(shí)伴有淬滅效應(yīng)。通過在NPG與熒光分子之間加入一層絕緣或半導(dǎo)體介質(zhì)層，可在抑制淬滅效應(yīng)的同時(shí)，對(duì)吸附其表面的生色團(tuán)的熒光信號(hào)起到放大作用。現(xiàn)有文獻(xiàn)中常用的方法是在NPG表面組裝有機(jī)配體或包覆絕緣聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，本文采用超薄的二氧化硅層作為絕緣隔層，有效減弱了熒光分子和NPG直接接觸引起的熒光淬滅，同時(shí)二氧化硅也大大增加了樣品對(duì)生物分子的吸附作用。實(shí)驗(yàn)中利用硅酸四乙酯（TEOS）水解過程，在多孔金表面包覆二氧化硅，并通過控制反應(yīng)時(shí)間調(diào)控二氧化硅厚度，進(jìn)而改變熒光分子與NPG表面之間的間距。通過在NPG和SiO2@NPG薄膜上組裝上羅丹明6G（R6G）染料分子和輻射中心波長為700nm±5nm的量子點(diǎn)（QD700），研究了二氧化硅包覆對(duì)多孔金熒光增強(qiáng)特性的影響。

1實(shí)驗(yàn)過程

1.1納米多孔金的制備

NPG的制備采用脫合金法。將厚度約為100nm的金銀合金Ag65Au35（原子百分比）固定在聚合物基底上，置于干燥箱中80℃煺火4 h。煺火完成后將合金薄膜浸入硝酸溶液（體積分?jǐn)?shù)約為68%）中腐蝕1h，合金中的銀原子與酸發(fā)生反應(yīng)融入硝酸，剩余金原子自主構(gòu)造出尺寸分布均勻、雙聯(lián)通的納米孔狀結(jié)構(gòu)，多孔金的孔徑大小可以通過腐蝕時(shí)間、環(huán)境溫度、硝酸體積分?jǐn)?shù)等因素來控制。多孔金薄膜從硝酸中取出后用超純水清洗多遍，并浸泡若干小時(shí)以除去殘留的硝酸，取出晾干后置于干燥柜中待下一步使用。

1.2多孔金薄膜上二氧化硅包覆

采用化學(xué)生長的方法在NPG表面包覆二氧化硅。將制作好的NPG薄膜先浸入濃度為0.1 mol/L的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）溶液中，浸泡1 h后，用超純水清洗幾遍以除去表面殘留的CTAB溶液。將40mL濃度為6mmol/L的CTAB溶液加入到100 mL的燒杯中，再加入20 mL乙醇（99.7%），用磁力攪拌攪勻，同時(shí)使混合液溫度保持在35℃左右。隨后向溶液中滴加25ul氨水（25%），將制作好的NPG薄膜插入混合溶液中，使其固定懸浮在溶液中并且完全浸入液面下。攪拌5 min左右，使溶液均勻并且溫度恒定。隨后向混合液中逐滴添加50ul正硅酸乙酯（TEOS）溶液，分5次添加（10ul/次），滴加過程中大力攪拌溶液。溶液添加完成后降低攪拌速度，溫和攪拌以保證混合液均勻，同時(shí)采用水浴加熱使溶液溫度穩(wěn)定在35℃左右。反應(yīng)過程中分別在5 h、10 h、15 h、20 h、25 h時(shí)各取出一片薄膜，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長，TEOS在弱堿性環(huán)境下緩慢水解生成二氧化硅，從而使NPG表面的二氧化硅厚度逐漸增加。樣品從反應(yīng)液中取出后，先用乙醇溶液浸泡若干分鐘，除去多孔金孔道及二氧化硅表面吸附的多余的CTAB，然后用去離子水清洗幾遍后晾干并放入干燥柜保持干燥。

1.3熒光光譜檢測

采用靜電吸附的方式將熒光分子組裝到SiO2@NPG表面。首先探測沒有組裝熒光分子的NPG和SiO2@NPG本身的熒光光譜作為實(shí)驗(yàn)參照，然后將制備好的NPG及SiO2@NPG樣品置于R6G（10^-7mol/L）溶液中，浸泡2h，將R6G分子組裝在樣品上，清洗幾遍晾干后分別檢測相應(yīng)的熒光信號(hào)。將制得的NPG及SiO2@NPG分別浸泡在QD700水溶液中，溶液濃度為50 nmol/L，浸泡12 h，使量子點(diǎn)充分組裝在樣品表面，取出后用超純水清洗幾遍，用吸水紙將樣品表面的水除去，保持樣品表面濕潤的條件下檢測熒光光譜。檢測時(shí)，采用功率約為1 mW、中心波長為532nm的激光作為激發(fā)光源，用熒光光譜儀進(jìn)行探測。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

將制作完成的NPG和SiO2@NPG樣品分別用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）進(jìn)行形貌表征。圖1（a）為金銀合金薄膜去合金腐蝕1 h后得到的NPG樣品的掃描電鏡（SEM）圖，圖中顯示了NPG獨(dú)特的雙連續(xù)的納米孔道結(jié)構(gòu)，經(jīng)陜速傅里葉變換后得到該多孔金的孔徑約為30nm。圖1（1））為Sio2包覆20 h后得到的Sio2@NPG樣品的TEM圖，此時(shí)Sio2厚度約為5nm，且在多孔金表面以及孔道內(nèi)壁的分布相對(duì)較均勻。

利用能譜儀（EDS）探測不同反應(yīng)時(shí)間下SiO2@NPG樣品中硅元素和金元素相對(duì)含量的變化情況，如圖2（a）所示，隨著反應(yīng)時(shí)間的延長硅元素與金元素的質(zhì)量百分比的比值逐漸增加，說明隨著反應(yīng)時(shí)間的延長多孔金表面包覆的二氧化硅厚度逐漸增加。隨后利用熒光光譜儀分別檢測NPG和不同厚度二氧化硅殼層的SiO2@NPG樣品本身的激光激發(fā)光譜信號(hào)，如圖2（b）所示，二氧化硅的包覆對(duì)多孔金本身的激發(fā)光譜信號(hào)有一定的影響。

為了研究包覆二氧化硅后對(duì)NPG光學(xué)特性的調(diào)制，分別在NPG和SiO2@NPG表面組裝熒光分子R6G（10^-7mol/L），所得熒光光譜如圖3（a）所示。圖3（1））為峰值在552nm處的熒光信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度隨二氧化硅鍍膜時(shí)間的變化趨勢，可以看出二氧化硅的包覆使R6G的熒光信號(hào)得到明顯的增強(qiáng)，超薄的二氧化硅作為絕緣隔層對(duì)NPG表面增強(qiáng)熒光有顯著的增強(qiáng)作用。在0～1 5 h內(nèi)，隨著二氧化硅厚度的增加熒光信號(hào)也逐漸增加，在15 h處熒光信號(hào)達(dá)到最強(qiáng)，與沒有鍍二氧化硅的NPG相比增加了約13倍，15h以后由于二氧化硅厚度過大反而使表面增強(qiáng)熒光減弱，二氧化硅厚度的改變對(duì)NPG增強(qiáng)熒光有一定的調(diào)制作用。

圖4所示為組裝上QD700的QD@NPG及QD@SiO2@NPG系統(tǒng)的熒光光譜信號(hào)。如圖4（a）所示，表面沒有二氧化硅的NPG（圖中Oh對(duì)應(yīng)的曲線）對(duì)量子點(diǎn)的熒光信號(hào)幾乎沒有增強(qiáng)作用，NPG本身的激發(fā)光譜信號(hào)強(qiáng)度也非常弱。包覆SiO2殼層后量子點(diǎn)的熒光信號(hào)（700nm處）得到顯著的增強(qiáng)，同時(shí)NPG本身的激發(fā)光譜信號(hào)（570 nm）強(qiáng)度與沒有組裝量子點(diǎn)的相比也呈現(xiàn)大幅增強(qiáng)。量子點(diǎn)熒光增強(qiáng)主要源于NPG基底局域表面等離子體共振增強(qiáng)作用引起的表面增強(qiáng)熒光效應(yīng)，而NPG的激發(fā)光譜信號(hào)增強(qiáng)主要是，處于激發(fā)態(tài)的量子點(diǎn)通過非輻射能量轉(zhuǎn)移的形式將部分能量轉(zhuǎn)移給NPG，增加了NPG表面等離子體激元，從而使本身的激發(fā)光譜增強(qiáng)。

為了進(jìn)一步研究二氧化硅厚度對(duì)系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)移的影響，利用Origin軟件對(duì)熒光光譜曲線分別進(jìn)行高斯曲線分峰擬合，計(jì)算出570nm和700 nm兩個(gè)峰位處的光譜信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度，同時(shí)計(jì)算出圖2（b）中基底（NPG和SiO2@NPG）的激發(fā)光譜信號(hào)強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果如表1所示。表1中570 nln和700 n/n兩峰位處分別對(duì)應(yīng)QD@SiO2@NPG系統(tǒng)中NPG和量子點(diǎn)光譜信號(hào)的絕對(duì)強(qiáng)度，565nm表示沒有組裝量子點(diǎn)時(shí)SiO2@NPG的激發(fā)光譜強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果對(duì)應(yīng)的折線圖如圖4（b）所示，對(duì)比570nm和565nm兩條折線可以得出，表面組裝量子點(diǎn)后NPG的激發(fā)光譜有明顯的增強(qiáng)，并且隨SiO2厚度的增加呈現(xiàn)出先增加后減弱的趨勢，在20 h（SiO2約5nm）時(shí)達(dá)到最強(qiáng)，此時(shí)相應(yīng)的量子點(diǎn)熒光強(qiáng)度（700nm對(duì)應(yīng)折線）卻有所減弱，說明此時(shí)能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象最強(qiáng)。SiO2厚度繼續(xù)增加（大于5 nm），NPG的激發(fā)光譜開始逐漸減弱，相應(yīng)的量子點(diǎn)的熒光信號(hào)又出現(xiàn)明顯的增強(qiáng)，這是由于二氧化硅的厚度太大阻礙了供體和受體之間的能量轉(zhuǎn)移，能量轉(zhuǎn)移減弱使激發(fā)態(tài)的量子點(diǎn)輻射出的熒光信號(hào)強(qiáng)度大大增加。實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出NPG表面包覆二氧化硅不僅可以增強(qiáng)量子點(diǎn)熒光信號(hào)的強(qiáng)度，而且二氧化硅的厚度對(duì)QD@SiO2@NPG系統(tǒng)內(nèi)的能量轉(zhuǎn)移現(xiàn)象也有調(diào)節(jié)作用。

3結(jié)論

二氧化硅包覆能有效提高NPG的熒光增強(qiáng)特性，提高NPG對(duì)熒光物質(zhì)的檢測靈敏度，且絕緣層的添加能在一定程度上促進(jìn)量子點(diǎn)與金屬之間的能量轉(zhuǎn)移，為基于熒光能量轉(zhuǎn)移的檢測及設(shè)計(jì)更好的熒光增強(qiáng)基底提供了參考。