纳米金刚石颗粒的衬底增强效应研究*

翟陈婷，唐 军，郭 浩，赵苗苗，郭旭东，刘 俊

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，电子测试技术重点实验室，山西太原030051)

0 引 言

生物荧光标记对生物大分子的研究具有重要的作用［1］，需要荧光材料具有稳定的发光、良好的生物相容性、无毒等特性［2］。

荧光小球、罗丹明、紫药水等大分子荧光分子是比较常见的荧光标记分子，具有成本低、结构简单易操作、检测简单等特点［3～5］，比利时微电子研究中心首席科学家米诺·纳斯拉德克研究小组开发了一种非入侵式纳米科技探测平台，用于实时监测癌细胞内部的生物分子活动情况，实现了单细胞膜(单个细胞内)微区范围内癌症细胞发病迹象的检测［6］;Fu C C 等人［7］在不均匀环境中采用荧光探针的方法实现了活细胞中单粒子的定向检测，然后，由于Alexa Fluor 荧光分子的荧光微弱，导致检测系统复杂、分辨率低、灵敏度弱［8］。

金刚石氮空位(nitrogen－vacancy，NV)色心结构由于磁灵敏特性等优点，近年来被广泛地应用到生物荧光标记材料［9］，Dr.Ambika Bumb 研究小组采用nm 级荧光金刚石结构实现了对癌细胞的标定和靶向作用检测，然而需要进一步提高金刚石NV 色心结构的荧光信号相对强度，提高金刚石结构作为荧光标记结构的检测分辨率［10］。

表面拉曼(Raman)增强效应已被广泛地应用于增强分子结构的荧光和Raman 信号，实现对分子信息的高灵敏的检测表征。研究人员已经通过采用不同衬底结构、不同材料、不同纳米增强效应实现对Raman 和荧光信号的增强［11］，法国Oriane Mollet 小组采用纳米结构实现对Raman信号增强，本文采用纳米尖端结构实现了准单分子量级的信号增强检测［12］。

本文研究了不同衬底结构对金刚石NV 色心结构的荧光信号的影响效应，采用MEMS 加工工艺技术制备了不同折射率的Si，SiO2，金属三种衬底结构，结合溶胶凝胶工艺制备了纳米金刚石结构，并制备到三种衬底结构上，采用Raman 测试研究得到金属结构对荧光信号的增强效应最好，增强因子达到17.71 和15.82，光子寿命也得到了提高，具有明显的增强效应，可实现通过结合不同折射率结构来实现对荧光标记结构的荧光信号增强，提高荧光标记检测和识别的分辨率。

1 实 验

在标准千级洁净室环境中，温度为10 ℃，相对湿度为20%RH，采用MEMS 常规有机清洗方法准备了单抛(100)晶向、0.51 mm 厚度的n 型Si 片(硼掺杂)、氧化层厚度为(2 850±300)nm 的SiO2片，采用SB—5200DNT 超声清洗30 min去除片子表面灰尘，采用去离子水冲洗后氮气吹干备用。

利用英国Mantis 公司的Qprep Deposition System 沉积系统［13］，在Si 片上沉积120 nm 厚的Au 薄膜，设备真空度为10－8Torr，金靶材纯度为99.99%，工艺气体氩气纯度为99.99%。

实验所用纳米金刚石购买于华晶微钻有限公司，粒径尺寸为50 nm，纯度大于99.98%，NaSiO3·9H2O 粉末购买于上海国药集团(GR)，实验中采用NaSiO3·9H2O 实现对纳米金刚石结构的分散［14，15］，防止纳米颗粒团簇，并利用超声波振荡使颗粒分散得更加均匀。然后，将0.5 mL 的悬浮液滴在Si 片、SiO2片和Au 薄膜上，置于加热台80 ℃恒温加热60 min 至水分完全蒸干为止。

德国蔡司公司生产的SUPRA55 型扫描电子显微镜(SEM)被用于研究表征纳米金刚石颗粒的分散和尺寸特性;英国雷尼绍公司的InVia 型Raman 光谱仪表征测试了纳米金刚石NV 色性的发光光谱特性，激发光波长为514.5 nm，功率为5 mW，曝光时间为10 s。

当激光光子作用于纳米金刚石表面，发生非弹性散射，形成Raman 散射光，引起纳米金刚石中分子振动。特定的分子振动频率对应着纳米金刚石中特定的价键结构。发光光谱和Raman 光谱之间的关系［16］如式(1)所示

2 实验结果和讨论

2.1 纳米金刚石的形貌特性

图1 显示的是纳米金刚石颗粒的SEM 图，晶粒分布相对比较均匀。通过Smile View 软件统计［17］得出，90%以上的纳米金刚石的尺寸均小于60 nm，最可几粒径53 nm，平均粒径为54.2 nm。纳米金刚石沉积在Si 片、SiO2片和Au 片上，形成纳米金刚石薄膜，薄膜的附着性良好，没有开裂、分层现象，说明纳米金刚石具有良好的水分散性。

图1 纳米金刚石颗粒的SEM 图Fig 1 SEM image of diamond nanoparticle

2.2 不同衬底上金刚石NV 色心的Raman 和荧光特性

图2 (a)是纳米金刚石的发光光谱图。图中，曲线(1)、曲线(2)、曲线(3)分别是Si 片、SiO2片和溅射Au 薄膜的Si片上纳米金刚石的Raman 曲线。图2(b)对应的是Raman散射光强随材料不同而变化。

可以看到:在519.9 cm－1处出现了Si 的Raman 本征峰，在1 332 cm－1处出现金刚石的Raman 本征峰。在SiO2和溅射Au 薄膜的Si 片同样出现纳米金刚石的本征峰，且峰位没有发生漂移现象。

通过大量实验统计结果，得到在Si，SiO2和溅射Au 薄膜的Si 上的Raman 峰强度平均值为27.153，185.489，429.487 kcounts，可以看出:溅射Au 薄膜的Si 片上金刚石的Raman 峰强度约为是Si 和SiO2上的15.82 倍和2.32 倍。

理想的Raman 散射峰比较尖锐，实际上，由于尺寸、缺陷密度、杂质以及内应力等因素，Raman 峰会出现宽化，强度也会下降［18］。在1 332 cm－1出现金刚石本征峰，说明在1 332 cm－1有C—C 键的振动，在519.9 cm－1处有Si—Si 键振动。

图3(a)对应的是金刚石的荧光光谱图，图中曲线(1)、曲线(2)、曲线(3)分别代表Si 片、SiO2片和溅射Au 薄膜的Si 片上纳米金刚石发出的荧光。图3(b)纳米金刚石发出的荧光强度随材料的不同变化的荧光强度图。

图2 金刚石的发光光谱图和不同材料对应的Raman 散射光强图Fig 2 Luminescence spectra of diamond and Raman scattering light intensity corresponding to different materials

能够看到:纳米金刚石在550～800 nm 范围存在一个发光带。在发光带上出现了缺陷NV0(575 nm)的发光峰以及它的伴随峰(640 nm)。通过大量实验结果统计，Si 片、SiO2片和Au 薄膜上金刚石荧光强度分别是128.45，300.98，2 274.33 kcounts，荧光强度增加了2.34，17.71 倍。

产生荧光强度增加的原因可能有:一方面，Si 的折射率(n=3.4)高于金刚石(n=2.4)，而SiO2(n=1.45)和Au 薄膜(1.5～2.0)的折射率都低于金刚石，当激发光照射时，Si片上一部分光发生透射，引起光损耗，而SiO2和Au 薄膜发生全反射。另一方面，Au 薄膜表面的电子发生振动，形成表面电磁波增强了局域电场，加速了激发态的NV 色心释放光子，从而增强了荧光强度。局部表面等离子体增强效应使得电子在导带和色心缺陷之间发生转移，导带中电子浓度增加，使得纳米金刚石辐射的光子速率增加，最终导致金刚石荧光强度的增强［19］。

图3 金刚石的荧光光谱图和不同材料对应的荧光强度图Fig 3 Fluorescence spectra of diamond and fluorescence intensity corresponding to different materials

2.3 NV 色心的荧光寿命

根据之前的报道，可以得到块状金刚石NV 色心寿命约为14.4 ns，天然金刚石中NV 色心的寿命约为13 ns，合成金刚石中NV 色心的寿命为11.6 ns。块状金刚石可以看作介质中的一个偶极矩模型［20］，其自发辐射率Γ

其中，Γ0为自由空间中自发辐射速率(可视为常数)，n 为介质折射率。金刚石的折射率nd为2.4，块材金刚石寿命τb约为11.6 ns。纳米金刚石NV 色心有效的辐射到空气中和衬底中，衬底上纳米金刚石中NV 色心的荧光寿命［20］

其中，fs为衬底所占的体积比(取为1/2)，ns为衬底的折射率。Si，SiO2和Au 的折射率分别取3.42，1.45，1.8时，理论计算得到Si 衬底、SiO2衬底和Au 衬底上纳米金刚石NV 色心寿命分别约为12.59，22.73，19.89 ns。纳米金刚石中的氮和杂质的含量能够影响NV 色心的荧光寿命，金刚石纳米颗粒的尺寸和色心所处的位置和环境也会对寿命产生影响，因此，得到的寿命有差别。

3 结 论

本文采用不同折射率的材料与纳米金刚相互耦合，实现了对纳米金刚石NV 色心的荧光信号增强，基于金属表面等离子体增强效应使得纳米金刚石微弱的Raman 和荧光信号分别提高15.82，17.71 倍，使得纳米金刚石NV 色心中辐射的光子速率增加，荧光强度大幅度增强，能实现应用于提高NV 色心作为荧光载体对生物活细胞的活动轨迹的高灵敏、高分辨率检测和标定识别。

［1］ 陈中举，张燕玲，黄金瑛.荧光标记生物大分子及其应用［J］.国外医学:生物医学工程分册，2004，12(6):348－352.

［2］ Liu K K，Wang C C，Cheng C L，et al.Endocytic carboxylated nanodiamond for the labeling and tracking of cell division and differentiation in cancer and stem cells［J］.Biomaterials，2009，30(26):4249－4259.

［3］ 刘海波，庄峙厦，陈成祥.纳米荧光小球标记在蛋白质微阵列检测中的应用研究［J］.分析化学，2006，34(9):1227－1230.

［4］ 颜范勇，陈立功，闫喜龙，等.罗丹明类荧光染料的合成及应用［J］.化学进展，2006，18(2/3):252－261.

［5］ 刘 萍，邓承雨，金振国，等.无标记增强型检测Hg2+的荧光DNA 传感器［J］.分析试验室，2013，32(5):61－64.

［6］ 张钧炜，何巨骉.纳米金刚石颗粒有望提前检测出癌症迹象［J］.超硬材料工程，2013(4):61.

［7］ Fu C C，Lee H Y，Chen Kowa，et al.Characterization and application of single fluorescent nanodiamonds as cellular biomarkers［J］.Virtual Journal of Biological Physics Research，2007，13(4):727－732.

［8］ 贾书勤，张凤兰，丁 卫.红外荧光素Alexa Fluor 647 标记的2 型腺相关病毒保持天然的感染活性［J］.中国生物化学与分子生物学报，2008，24(12):1152－1157.

［9］ Staudacher T，Shi F，Pezzagna S，et al.Nuclear magnetic resonance spectroscopy on a(5－nanometer)3sample［J］.Science，2013，339(6119):561－563.

［10］国际生物公司推出检测早期癌症的纳米金刚石产品［J］.磨料磨具通讯，2014(8):33.

［11］Oriane Mollet，Aurelien Cuche，Drezet A，et al.Leakage－radiation microscopy of surface plasmon launched by a nanodiamond－based tip［J］.France Diamond and Related Materials，2011，20(7):995－998.

［12］Tang jun，Guo Hao，Chen Meng，et al.Wrinkled Ag nanostructured gratings towards single molecule detection by ultrahigh surface Raman scattering enhancement［J］.Sensors and Actuators B，2015，218:145－151.

［13］翟 超.大面积有序纳米结构制备技术［D］.太原:中北大学，2014.

［14］毛建锋.纳米金刚石分散及应用研究［D］.太原:中北大学，2005.

［15］曹建华.金刚石微粉高精度分级技术研究［D］.保定:华北工学院，2001.

［16］刘晓迪.NV 色心耦合和能量转移机制［D］.合肥:中国科学技术大学，2013.

［17］Chai Penglan，Liu Jun，Tang Jun，et al.Base effects on fluorescence and surface－enhanced Raman scattering of crystal violet adsorbed on Au nanoparticles surface［J］.Journal of Nanoscience and Nanotechnology，2013，13(2):1011－1016.

［18］叶永权，匡同春，雷淑梅等.金刚石(膜)的拉曼光谱表征技术进展［J］.金刚石与磨料磨具工程，2007，161(5):17－21.

［19］Karmenyan A V，Perevedentseva E，Veres M，et al.Simultaneous photoluminescence and SERS observation of nanodiamond at laser deposition on noble metals［J］.Plasmonics，2013，8(2):325－333.

［20］Inam F A，Gaebel T，Bradac C，et al.Enhanced spontaneous emission from nanodiamond colour centres on opal photonic crystal［J］.Quantum Physics，1911(2):1－16.