周子昂，孫銘明，王 強

(首都師范大學 化學系、初等教育學院，北京 100048)

0 引言

近年來，納米光子學相關領域發(fā)展迅速，研究者主要目標集中于開發(fā)有實際應用能力的下一代光學器件。中科院李家方研究員認為下一代光學器件需要滿足更小體積、更高集成度、更快的響應速度和更低的能耗等條件[1]。這種投入實際應用的器件還應該滿足制作成本低的特點。發(fā)展和利用等離子體光學結構的器件來獲得遠超當前光學器件的性能，最終實現(xiàn)下一代光學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[2]證實了金屬熒光增強的存在。二十世紀八十年代以來，納米技術迎來非常大的發(fā)展，使用金屬納米顆粒(主要是金、銀和銅)來構建電磁增強基底。其中由于不同的材料，不同的形貌導致增強能力有較大差異[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遠強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)生更強的等離激元共振，邊角處的電磁場也遠遠強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]。

從增強的機理看，無論是局域等離激元LSP還是表面等離激元SPP，本質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一步的加強。因此，將局域等離激元LSP和表面等離激元SPP組合，物質分子既能得到LSP共振產(chǎn)生的增強又能得到SPP共振產(chǎn)生的增強就能實現(xiàn)進一步的熒光增強。從器件的組裝上看，就是將納米顆粒沉積在金屬膜上，物質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構來獲得擁有自然界所不具備的超常電磁場增強效應的復合材料并據(jù)此制造出高靈敏的傳感器，核心是納米顆粒/中間層/金屬膜三明治結構。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)對上述三明治結構在拉曼增強領域的性能做出報道，該基底實現(xiàn)了拉曼檢測極低的檢出限和良好的重復性。雖然拉曼增強和熒光增強都是由電磁場增強引起的，但表面等離激元增強熒光的基底卻要在增強拉曼基底的基礎上做出改變，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。熒光光譜的強度與物質分子吸收的光子數(shù)量有關，而納米顆粒邊角處增強的電磁場能夠提高基態(tài)電子的激發(fā)效率，熒光光譜強度也就提高了。然而不同于拉曼光譜，納米顆粒與物質分子相隔較近時(一般認為小于1 nm)，由于物質分子的非輻射能量會直接轉移給納米顆粒導致熒光猝滅[9-11]，當大部分物質分子都與納米顆粒相隔較近導致基底檢測出來的熒光減弱而非增強[12-14]。熒光光譜除了強度以外，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分子的結構和物質相互作用動力學過程。例如在催化劑的熒光檢測中強度表示的是電子與空穴的復合率，熒光強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分子結構及其中各分子間相互作用動力學過程不可或缺的手段。

熒光增強基底可以直接在目前熒光的化學或生物傳感器的應用領域使用，諸如納米催化材料、物質定性和定量分析等領域[18-20]。而憑借著等離激元結構增強熒光的基底(傳感器)具有更高的靈敏度、更好的選擇性和更低的檢出限，在一些復雜的進口產(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的檢測能力的熒光增強基底，比如蝴蝶結形納米天線基底熒光能力最強達到1340倍[12]，因此使用熒光增強基底進行單分子檢測成為研究者們進一步拓展熒光分析法的目標[26-32]。表面等離子體激元增強熒光提高熒光強度與熒光穩(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，構建了銀納米立方體/PE/金膜三明治結構并將其用于拉曼檢測，為了盡可能消除熒光猝滅、探究場增強基底最強熒光增強能力，通過改變物質分子與納米顆粒和金屬膜之間的位置獲得具有潛在應用前景的最強熒光增強光譜。

1 實驗部分

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。反應結束后，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(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，然后重復上述的操作鋪設更多層PAH與PSS。鋪設結束后，形成不同層數(shù)PE層的PAH-(PSS- PAH)n-金膜基底。直接用氮氣干燥，放置備用。

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，應避免外界干擾。

2 結果與討論

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。最強吸收峰(456 nm)的位置表示檢測的納米銀顆粒的平均粒徑，當峰的最大值位于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)證實實現(xiàn)了拉曼增強基底的點到點的重復性和樣到樣的重現(xiàn)性，因此也能保證制備出的熒光增強基底實現(xiàn)點到點的重復性和樣到樣的重現(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。而三明治結構的電磁場分布與強度也與PE層的厚度有關，而且據(jù)理論計算發(fā)現(xiàn)，8 nm時電磁場最強。這表明要得到一個高效的熒光增強的基底則必須鋪設均勻且合適厚度的PE層，為了得到最佳熒光增強的基底和探究影響熒光增強的因素，以便為下一步發(fā)展新型基底提供理論依據(jù)和指導，我們設計了以下幾個實驗。

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層的三明治結構電場分布(c)～ (f)

如圖2(a),(b)基底結構與拉曼基底一致，PE層可以通過不同層數(shù)的鋪設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時電磁場強度最強，厚度再增加時，電磁場強度減弱(圖2(c)～(f))。根據(jù)J.J.Mock的實驗確認，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分子將遠遠超過鋪在PAH層上的。如果使用這種鋪設方法，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等的中間層厚度進行探究，有可能錯過最佳熒光增強厚度。

熒光強度表示為

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(g)

為了確認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，證明鋪設的PE層厚度均勻的同時R6G數(shù)目大致相等。對基底進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)過多導致的實驗誤差，具體來說就是，由于一部分分子參與非輻射能量轉移，然而由于分子數(shù)過多，因此參與非輻射能量轉移的分子數(shù)量會發(fā)生飽和，造成不能準確判斷不同基底的實際熒光增強能力，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移。在調(diào)低物質分子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。我們看到無PE層的R6G分子即使分子數(shù)目多，但熒光增強最弱，這是由于耦合電場最弱和熒光猝滅蓋過熒光增強導致的。

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(g)。圖4 5層PE層三明治基底中R6G位于不同位置的示意圖

與拉曼增強不同，熒光猝滅效應是構建熒光增強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能力了，其中有一部分R6G分子由于非輻射能量轉移導致了熒光強度不大，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)生非輻射能量轉移的R6G分子，從而得到進一步的熒光增強。從已發(fā)表的文章我們知道，單獨的納米銀顆粒大約在5 nm左右有最強熒光，而單獨的銀膜大約在10 nm左右有最強熒光。其中最有價值的信息就是可以在合適的位置上獲得最強熒光。因此我們設計了一個實驗：選取熒光增強效應最強的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(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。這種通過更加精細化的構建熒光增強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。

3 結論與展望

利用納米銀立方體/PE/金膜三明治結構基底中中間層厚度可調(diào)控的特點，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的影響，以及更加精準的控制物質分子所處的位置并了解了最強熒光增強基底的構建方式。具體來說，由于使用的是層層鋪設的PE層，通過對PE層中R6G分子位置的調(diào)整，探索出了將物質分子放置在第四層將能夠提供最強熒光。將該基底應用在熒光檢測前，對不同中間層厚度的該基底進行了理論計算發(fā)現(xiàn)，中間層厚度為8 nm時，能提供最大的場增強。據(jù)此改變目標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時能夠實現(xiàn)最大的熒光增強。然后從實驗中的現(xiàn)象出發(fā)，結合PE層層層鋪設的特點，將目標分子僅放置在一層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處能夠帶來最強的熒光增強性能。這些實驗表明，通過改變基底組裝順序就能構建進一步增強熒光的檢測器。這種檢測器由于具有很好的點到點的重復性和樣到樣的重復性，進行定性檢測之外也可通過標準曲線法實現(xiàn)定量檢測。