金纳米棒胶体的表面增强荧光效应研究

董 军，王丽萍

(西安邮电大学 a.电子工程学院;b.纪委监察处，西安 710121)

引言

荧光光谱技术是一种灵敏度高、无损实时、方式多样的光谱检测技术，被广泛应用于生物细胞检测、生物检测等领域。[1]但随着实际测量环境对检测条件要求的提高，特别是对高信噪比、超低检测下线的荧光光谱信号检测应用等方面，传统荧光检测方法已经不能满足要求。因此，进一步提高荧光光谱强度，获取高强度荧光信号，已经成为众多科研工作者和工程技术人员的中心任务之一。[2]20世纪70年代，Drexhage等人[3]观察到贵金属表面对居于其附近荧光分子的辐射行为有较为显著的调制效应后，大量研究者通过物理抛光法[4]、磁控溅射法[5]、化学沉积法[6]等微纳样品制备技术，探索具有各种微观形貌的金属纳米结构衬底对荧光分子辐射光谱的调制行为。研究发现，金纳米棒在激发光的诱导下产生表面等离激元，使得其表面附近局域电磁场得到急剧增强，能够有效调制位于金纳米棒附近的荧光分子的电子跃迁速率，实现增强分子荧光辐射强度的目的。[7]特别的，当金纳米棒与DNA共轭嫁接后，可以实现DNA标记。[8]因此，金属胶体在生物医学、光谱传感等领域具有重要的应用价值。[9][10]研究表明，分子的荧光辐射强度与距离关联型很强，当荧光分子与金属纳米结构表面距离约为3-5nm时，衬底对其增强效果最为显著。[2]当分子与金属衬底直接接触时，由于二者发生无辐射驰豫能量传递，出现荧光猝灭现象。[11]因此，选择和制备合适的增强衬底对于研究荧光增强效应具有重要意义。

本文采用晶种法制备具有大长径比的金纳米棒胶体，选择Rh6G分子作为探针分子，利用激光光谱学方法，在532nm激光激发下，研究金纳米棒胶体对探针分子的荧光增强效应。

1 样品制备

样品制备所需药品如下:氯金酸(HAuCl4)、硼氢化钠(NaBH4)、盐酸(HCl)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和抗坏血酸(Vc)，均为国产分析纯试剂;实验用水均为去离子水。

金纳米棒采取晶种法制备，[12]即在硝酸银体系中，柠檬酸钠存在的条件下利用硼氢化钠还原氯金酸制得金种子，通过调节PH制备出具有良好分散性的金纳米棒。具体分以下步骤:第一步:量取40ml0.1M的CTAB放入烧杯中搅拌，滴加250ul2.5×10-4M的HAuCl4溶液;快速加入60ul0.1M的NaBH4溶液，当观察到反应液颜色由金黄色变为浅棕色时，继续搅拌2分钟，置于35℃环境温度下2小时，制得金种溶液。第二步:室温条件下取10ml 0.1M的CTAB溶液，滴加500ul2.5 ×10-4M的HAuCl4溶液，待溶液颜色变为黄棕色时，加入400ul0.01M的AgNO3溶液，再加入50ul0.1M抗坏血酸，当溶液变为透明状态时，滴加80ulHCl和10ul制备好的金种子，待溶液稳定后，在35℃环境温度下静置12h，除去紫色反应液。用去离子水水洗、分散、离心，反复进行三次，除去金纳米棒表面附着的CTAB分子，制备出长径比为6(长度约为30nm，直径约为5nm)的金纳米棒(见图1)。

图1 金纳米棒的透射电子显微镜表征图

2 结果与讨论

本实验选择532nm的连续激光作为激发光，利用激光光谱学方法，研究所制备金纳米棒胶体对Rh6G分子的荧光信号增强效应。光谱测试样品采取以下步骤:将制备好的金纳米棒与一定浓度的Rh6G分子溶液(5×10-6M)混合，并放入超声池振荡20分钟，确保金纳米棒与探针分子充分混合，制备得到待测样品。荧光信号的采集和记录系统采用美国海洋光学公司生产的USB4000-VIS/NIR摄谱系统，截止滤波片用于去除激发光及干扰光。532nm激光激发沉积在衬底表面Rh6G分子的荧光光谱图见图2。

根据图2可知，当Rh6G分子溶液中掺入金纳米棒胶体后，分子荧光强度约为未掺入金纳米棒胶体时辐射强度的1.9倍，很明显，金纳米棒的引入，对探针分子的荧光辐射强度有显著的增强效应。

图2 532nm激光激发下Rh6G分子荧光光谱图

根据局域电磁增强机理，分析金纳米棒对Rh6G分子的荧光辐射增强作用机理:探针分子的荧光辐射来源于自由态的荧光辐射，即光子辐射来源于激发态和基态间的电子跃迁。当Rh6G分子掺入金纳米棒后，金纳米棒在外光场激发下，其表面将会产生表面等离激元共振，从而形成强局域电磁场。[13]因此，居于金纳米棒表面附近Rh6G分子的电子跃迁将会受到调制，即金纳米棒与罗丹明分子可以与所形成的表面等离激元共振发射，将有助于提升分子的荧光辐射效率，从而获得荧光增强作用。[14]如前所述，当荧光分子与金属纳米棒间的距离较小时，激发态的荧光分子将能量转移给金纳米棒，无辐射衰减速率增加，荧光猝灭。[15]因此，处于局域场中的荧光分子在光学力的作用下，被吸引到金属纳米颗粒的间隙处，受到的局域场强度最大，从而有效地实现了荧光辐射的增强效应。

结论

本文通过晶种法，制备出长径比为6的金纳米棒胶体，利用激发光谱学方法，在532nm激光激发下，研究所制备衬底对Rh6G分子的荧光增强效应，结果表明，所制备金纳米棒对罗丹明6G分子的荧光辐射强度具有明显的增强作用。根据局域场增强机理，金纳米棒表面的强电磁场分布是获得荧光增强效应的关键因素。利用金纳米棒胶体体系，可以获得荧光增强效应，这为制备高增强效应的光谱传感衬底提供了实验依据。

[1]Fort E，Gresillon S.Surface enhanced fluorescence[J].J Phys D:Appl Phys 2008，41(1):013001(1-31).

[2]Huang C J，Dostalek J D，et al.Long-Range Surface Plasmon-Enhanced Fluorescence Spectroscopy Biosensor for Ultrasensitive Detection of E.coli O157:H7[J].Anal Chem 2011，83:674-677.

[3]Drexhage K.Influence of a dielectric interface on fluorescence decay time[J].J Lumin 1970，(1-2):693-701.

[4]Geddes C，PARFENOV A，et.al.Roughened Silver Electrodes for Use in Metal-enhanced Fluorescence[J].Spectrochemica Acta A，2004，60(8-9):1977-1983.

[5]Zhang J，MATVEEVA E，et.al.，Metal-enhanced fluoroimmunoassay on a silver film by vapor deposition[J].J Phys Chem B，2005，109(16):7969-7975.

[6]董军，李绪强，等.具有分形结构Ag纳米衬底的荧光增强效应[J].光电子·激光，2012，23(6):1126-1129.

[7]Li M，Cushing S K，et al.Plasmon-enhanced optical sensors:a review[J].Analyst，2015，140，386-406.

[8]FU Y，ZHANG J，et al.，Plasmon enhanced fluorescence from single fluorophore end-linked to gold nanorods[J].J Am Chem Soc 2010，132(16):5540-5541.

[9]Dong J，QU S X，et al.Simultaneous SEF and SERRS from silver fractal-like nanostructure[J].Sensors and Actuators B:Chemical，2014，191:595-599.

[10]Zheng H R，Xu L M，et al.Fluorescence enhancement of acridine orange in a water solution by Au nanoparticles[J].Sci China Phys.Mech.Astron.，2010，53(10):1799-1804.

[11]Anger P，Bharadwaj P，et al.Enhancement and quenching of single-molecule fluorescence[J].Phys Rev Lett，2006，96:113002.

[12]Chen H，Shao L，et al.Gold nanorods and their plasmonic properties[J].Chem Soc Rev 2013，42(7):2679-2724.

[13]Hutter E，Fendler J H，Exploitation of Localized Surface Plasmon Resonance[J].Adv Mater，2004，16(19):1685-1706.

[14]Bauch M，Toma K，et.al.Plasmon-Enhanced Fluorescence Biosensors:a Review[J].Plasmonics，2014，(9):781-799.

[15]Cheng D M，Xu Q H，Separation distance dependent fluorescence enhancement of fluorescein isothiocyanate by silver nanoparticles[J].Chem Commun，2007，(3):248-250.