金属介质核壳结构纳米粒子的制备及其荧光增强特性

西安交通大学本科生毕业设计（论文）摘 要金属纳米颗粒(如金、银、铜)由于其独特的光电磁等性质，已经受到了广泛的研究。而金属/介质核壳结构的纳米粒子不仅具有单个金属核纳米粒子的物理和化学性能，而且表现出比金属纳米微粒更好的稳定性和分散性。通过对金属纳米粒子的表面包覆处理、调节核壳的化学成分和比例、控制粒子的尺寸和形状等，容易实现纳米微粒的物理化学尤其是光学特性的可裁剪性；这样极大地扩展了其应用范围。而表面增强荧光就是其中最具潜在应用的一例。本文主要目的是研究金属/介质核壳结构纳米粒子的制备及其荧光增强特性；其工作有：（1）制备了银Ag胶体及银核-二氧化硅壳AgSiO2核壳结构纳米微粒并对它们的光学特性进行了测定；（2）研究了AgSiO2对荧光素染料的荧光增强特性。首先采用化学还原法制备了银胶体；在此基础上，采用Stber法利用正硅酸乙酯（TEOS）水解、缩合实现对银胶体表面的SiO2 包覆。在对Ag和 AgSiO2颗粒进行的紫外-可见吸收谱的测试和分析中，观察到：随着壳厚度的增加，粒子的表面等离子共振吸收峰先红移后蓝移，而整个吸收谱的强度则一直在增加；这与有关文献结果相符。同时，探讨了TEOS浓度等制备条件对二氧化硅层厚度的影响。在荧光增强的研究中，发现适当浓度的AgSiO2对荧光素染料的荧光发射可以达到5倍的增强效果，而单独银纳米颗粒则达不到；对荧光增强效果与纳米颗粒的浓度、二氧化硅壳的厚度等因素的关系做了定量的研究，并对增强机理进行了探究。关键词：银胶体，二氧化硅，银-二氧化硅核壳纳米微粒，荧光素，表面增强荧光ABSTRACTMetal nanoparticles (e.g. gold, silver, copper) have been widely investigated due to their unique properties of optics and electromagnetics. Now, metaldielectric core-shell structure nanoparticles not also retain the physical and chemical characteristics of single metal cores but exhibit better stability and dispersibility than bare metal cores. Moreover, the tailored optical properties can be easily obtained via surface coating functionalization of metal particles and controlling of chemical constitution, size and shape of core and shell. Thus, the applications of nanoparticles have been greatly extended, of which the surface enhanced fluorescence is most potential one.The primary purpose of the present paper was to investigate the preparation and the fluorescence enhancement properties of metaldielectric core-shell nanoparticles. The work of the paper mainly includes two parts: the preparations of Ag colloids and AgSiO2 nanoparticles, and the study of fluorescence enhancement characteristics of AgSiO2 particles for fluorescein dye. Firstly, silver colloids were prepared by chemical reduction method, then directly coated with silica through the process of hydrolysis and condensation of tetraethyl orthosilicate (TEOS) to form AgSiO2 core-shell particles by means of the Stber method. The measurement results of UV-visible absorption spectra of silver and its coated nanoparticles indicated that there were red-shifts first and then blue-shifts of the surface plasmon resonance absorption peak of AgSiO2 particles with the increasing shell thickness, but the increasing intensity of total absorption bands all along. The observation was in good agreement with previous literatures. The influence of experimental conditions such as TEOS amount on the silica layer thickness was also studied. During the research of fluorescence enhancement, up to a five-fold increase in the fluorescence emission intensity of fluorescein in the presence of proper concentration of AgSiO2 nanoparticles was observed; however single silver colloids did not achieve such significant enhancement effect. And quantitative studies of the relationship between the enhanced effect and concentrations of nanoparticles and silica shell thickness were given as well. Finally, the mechanism of fluorescence enhancement was discussed.KEY WORDS: silver colloids，silica，AgSiO2 core-shell nanoparticles，fluorescein，surface enhanced fluorescence目录前言1第1章 基本理论与实验原理 31.1 基本理论概述 31.1.1 金属及其核壳纳米微粒31.1.2 金属表面增强荧光81.2 实验原理和方法总结13 1.2.1 金属及其核壳纳米微粒的制备 13 1.2.2 研究方法 17第2章 实验部分18 2.1 试剂与仪器18 2.2 纳米颗粒的制备19 2.2.1 制备Ag 纳米颗粒 19 2.2.2 制备AgSiO2 核壳纳米微粒 19 2.3 AgSiO2的荧光增强的研究21第3章 实验结果与讨论23 3.1 Ag纳米胶体的制备结果和讨论23 3.2 AgSiO2核壳结构的制备结果和讨论28 3.3 AgSiO2的荧光增强效应37结论 45致谢 46参考文献 47附录 50附录1：外文文献翻译 50附录2：外文文献原文 5865前 言纳米微粒主要是指尺寸在 1100nm 范围的固体颗粒或粉末，是一种介于原子、分子与宏观物体之间的颗粒材料，属于介观范畴。纳米微粒的形态不仅包括球形，还有纳米线、棒、三角板等。当粒子的尺寸进入纳米范围时，就会表现出与块状物体的不同物理化学特性，主要有以下方面1：1. 表面效应表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒径减小而急剧增大后引起的性质上的变化。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，纳米微粒表现出巨大比表面积，表面能变大。其物理和化学性质不仅取决于物质本身，而且还与表面原子状态有关。高的表面能使原子表面有很高的化学活性，极不稳定，容易与其它物质结合。如：很小的纳米金属微粒熔点很低，化学活性强，故可作催化剂。2. 量子尺寸效应当粒子尺寸达到纳米量级时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。能级间距与组成纳米粒子的原子数N 的关系很早就由Kubo给出：=4EF/3N, EF为费米能级。对于块体或大粒子物体，由于N几乎趋于无穷，故0，即能级连续；而对于包含有限原子数的纳米粒子，N的数值在102 107，因此能级发生分裂，能级间有一定的距离。而当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能量或超导带态的聚集能时，这时量子效应就比较显著，导致纳米微粒光电磁热等性质与宏观物体有着显著的不同。如：低温下，导电的金属在小纳米微粒的条件下可以变成绝缘体，比热可以出现反常变化。3. 小尺寸效应由于粒子尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米粒子的尺寸与德布罗意波长、光波波长、电子平均自由程、磁单畴大小、超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；导致声、光、电、磁、热力学等物理性质呈现出新的特性。例如：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；光吸收显著增加；声子谱发生改变；强磁性纳米粒子尺寸为单磁畴临界尺寸时具有很高的矫顽力；纳米粒子的熔点远远低于块状金属；等离子体共振频率随颗粒尺寸改变等；金属纳米粒子的电导率下降甚至转变为绝缘体；纳米颗粒的硬度和强度随尺寸的减小而增大等等。此外，纳米微粒还具有宏观量子隧道、库仑阻塞、介电限域等物理效应。金属纳米微粒是纳米材料的一个重要分支，由于其独特的物理化学特性尤其是光学性质表面等离子体共振(surface plasman resonance, SPR)，已经在众多领域对其开展了研究，而且进入了实际应用阶段。其中又以贵金属纳米颗粒(如金、银、铜等)的研究最为引人注目。但是，金属纳米粒子属亚稳态材料，它对周围环境（温度、振动、光照、磁场和气氛等）特别敏感，其化学稳定性较差，容易发生团聚，给制备、保存和应用带来不便；同时，一般的金属纳米颗粒尺寸有限，而且在具体的应用中，如荧光增强或淬灭中，荧光团与纳米颗粒表面的距离不可控；在基于荧光的生物、医学应用中，使用单独的金属纳米颗粒也是不可行的。表面处理或包覆的主要目的有：增加金属纳米胶体的物理化学稳定性，防止颗粒间的聚集效应；对其物理特性尤其是光学性质进行剪裁；实现对纳米颗粒间及纳米颗粒与周围物质、环境（如荧光染料、生物分子等）距离的可调性，为定量研究特别是荧光增强方面的研究提供了可控的染料与金属表面的距离；有利进一步开展研究（例如对纳米粒子进行自组装、与染料分子或生物分子组成的拉曼增强、荧光增强探测体系等）；扩展了其功能与应用范围。这样使得核壳结构的纳米颗粒在生物探测、医学诊断和治疗、高灵敏度传感器、防止光降解、增强光致发光性能、光子晶体、功能材料设计、表面增强拉曼和荧光等方面有着广泛的应用前景。本文研究的主要目标在于探索该类核壳纳米微粒具体就是 Ag 及AgSiO2 的制备及其荧光增强特性；掌握金属银纳米颗粒制备及表面包覆二氧化硅的化学方法，比较详细地探讨核壳纳米微粒尺寸、浓度等参数对荧光素荧光增强的影响，并对增强原因加以解释说明。以此，为进一步探索和实际应用提供可靠而有价值的实验依据。第1章 基本理论与实验原理1.1 基本理论概述金属纳米颗粒具有不同于块状金属的光学、电学性质，尤其以金、银等贵金属纳米粒子为代表，其线性和非线性光学性质更加显著。这些纳米颗粒在外界电磁场作用下产生的表面等离子体共振，使得粒子周围的电磁场被极大增强。基于这一特性的实际应用也迅速发展，其中表面增强拉曼光谱和表面增强荧光光谱尤为瞩目。以下就金属及其核壳纳米微粒的特性和金属表面增强荧光予以概述。1.1.1 金属及其核壳纳米微粒1. 金属纳米微粒：金属纳米微粒由于其尺寸一般在10100nm 范围，因而其量子效应显著，电子能级发生改变。图1-1 显示了由金属原子、纳米微粒到块体金属的能级变化示意图：图1-1 金属原子、金属纳米微粒和块状金属的能级示意图2金属转变为纳米微粒时，其能级由准连续变为分裂状态。电子能级的变化也导致了其在光、电等性质方面产生特殊性质。局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR）就是金属纳米颗粒最为重要的性质。金属纳米粒子的表面等离子体共振是描述其导带电子在电磁场作用下集体振荡的一个物理概念。金属，如金、银、铜等，可看作自由电子体系，由导带电子决定其光学和电学性质。在Drude-Lorentz模型中，这些金属被视为等离子体。若等离子体内部受到某种电磁场扰动而使其一些区域电荷密度不为零，就会产生静电回复力，自由电子就会发生集体振荡。当外界电磁场的频率和等离子体振荡的本征频率相同时，就会产生共振（如图1-2），从而产生对外界电磁场的强烈吸收并使粒子周围的电磁场得到极大增强局域场增强。表面等离子体共振频率和宽度与金属颗粒的尺寸、形状、介电常数和周围介质的介电常数有关3。这就可以通过改变这些条件，达到对等离子共振峰进行调节的目的，以此来满足实际应用的需要。图1-2 金属纳米粒子的等离子振荡示意图3金属球纳米微粒与外场的相互作用中，不仅存在共振吸收，还有散射（Mie 散射）。吸收与散射共同构成了纳米颗粒的总消光特性。对球形纳米颗粒，当颗粒尺寸较小时，散射相对于吸收较小；随着颗粒尺寸的增大，散射对总的消光的贡献逐渐增加。图1-3为金纳米球粒子的散射系数（Csca）和吸收系数（Cabs）的比值随金纳米球直径的变化曲线：图1-3 Csca/ Cabs随纳米粒子直径的的变化4图1-4 Mie理论计算的半径分别为30nm和100nm Au纳米球的消光率5图1-4是采用Mie理论计算的半径为30nm和60nm的Au纳米微粒的消光谱；由图可见，当颗粒的尺寸较小时，消光特性主要表现为吸收；而当微粒尺寸增大时，散射则成为主要，而且消光谱的带宽变宽和峰值红移也取决于Mie散射。当然，吸收与散射各有个的用途，对于不同应用场合，可以选择不同尺寸的纳米颗粒，来选择性地侧重利用散射或吸收。例如，在光热吸收材料、光热法医学治疗等应用中，主要利用纳米颗粒的吸收特性，一般选择尺寸小的颗粒（对于典型的Au纳米颗粒，约为10-50nm）；而在生物成像和探测、光学探测、医学诊断等应用中，主要利用其等离子散射，故纳米粒子尺寸也较大（典型的Au纳米粒径约80nm或更大）。等离子共振吸收和散射最终导致了纳米粒子周围的电磁场的极大增强。图1-5就直观地显示了这种局域场增强效应。这样，在实际应用中，用于激发的外场在纳米粒子周围相对其它自由空间的场得到增强；这种增强对于需要较强外场激发的荧光光谱尤为重要，因为激发光波场的增强能提高荧光发射强度，达到增强荧光的效果。图1-5 Mie理论计算的半径为30nm和60nm的Ag纳米球电场 |E|2 的等值线分布图52. 金属核介质壳纳米结构：金属纳米粒子由于具有较高的表面能，粒子间的相互作用较强；一般来说，用常规的水溶液化学还原法制备的金、银纳米胶体久置后即会发生团聚和沉淀，最终失去胶体的特性。所以，在实际应用中，应对其进行表面处理。表面处理或包覆的主要目的有：增加金属纳米胶体的物理化学稳定性，克服胶体间的团聚；改善、调节其化学、物理特性，尤其是光学特性；实现对纳米颗粒间及纳米颗粒与周围物质、环境（如荧光染料、生物分子等）距离的可调性等。但对金属纳米表面处理的提前是不能破坏其主要的特性，所以选择合适的表面包覆材料也是很重要的。本文限于讨论金属纳米颗粒的无机材料的包覆。在这方面用的包覆材料有氧化物（如TiO2、Al2O3、SiO2等）、有机聚合物及生物大分子等。在此次研究中，我们采用二氧化硅-SiO2对Ag纳米胶体进行包覆。SiO2具有高的物理强度、良好的化学惰性和对可见光范围的透明性等特性，被广泛地用来对纳米粒子的表面包覆。3. 理论方法：金属纳米颗粒的研究由来已久，早在十六世纪就有金纳米颗粒出现。而有明确记载的发现或研究则是在1856年，Michael Faraday发现含有小的金颗粒的玻璃和溶液呈现红宝石颜色，并将其归因于金颗粒的存在；但未能对其进行定量的研究。后来，随着Ostwald，Svedberg，Zsigmondy等人建立了胶体科学，对金属纳米颗粒的制备和研究逐渐发展起来。1904年，J.C.Maxwell-Garnett第一次尝试理论上对金属粒子表现出的颜色予以解释，但局限于波长远大于粒子尺寸的情形。对均匀介质中的金属球形粒子比较完整的理论解释由Gustav Mie在其1908年的论文中给出，后来被称为米氏散射理论(Mie scattering theory)。随后Kerker，Aden等人将其推广到核壳结构的复合纳米微粒6 , 7；此后，又有对任意形状、介质的纳米颗粒的研究以及各种散射、吸收和消光的数值计算方法，如准静态近似法(Quasi-static approximation)、改进的长波长近似(Modified long-wavelength approximation, MLWA)、离散偶极子近似(Discrete dipole approximation, DDA)、多重多极子法(Multiple multipole methods, MMP)、时域有限差分法(Finite-difference time-domain methods, FDTD)、T矩阵法(T-matrix methods)5。作为基本理论，这里简要介绍一下Mie散射理论6。Mie理论是均匀球体在平面单色光波照射、给定的边界条件下，对经典麦克斯韦电磁场方程的严格求解。其基本思想构造满足电磁场波动方程的球谐矢量本征函数（M, N; Momn, Memn, Nomn, Nemn）： （1-1） （1-2）然后将电磁场（E, H）包括入射平面波（Ei, Hi）、散射场（Es, Hs）、粒子内部场（E1, H1），用这些矢量本征函数展开，如下：入射平面波： (1-3) (1-4)球内部场： (1-5) (1-6)散射场： (1-7) (1-8)上面展开式中：。结合具体边界条件，求得展开系数，就可以得到散射截面Csca、消光截面Cext和吸收截面Cabs： (1-9) (1-10) （1-11）对于展开式中系数的物理意义，解释如下：an和bn其实是代表等离子体的电极子和磁极子对消光和散射截面的贡献。例如a1和b1即为偶极子振荡的贡献，一般准静电场近似即取该两项；an、bn则代表更高阶的电四极子、磁四极子、电八极子等的贡献。由Mie理论，只要知道了微粒球的半径和折射率、外部介质的折射率及入射波长这些参数，就可以计算出消光截面和散射截面。对于核壳结构的球形微粒，对其进行稍加推广，就可以得到展开系数an和bn，进而得到Csca和Cext 。1.1.2 金属表面增强荧光1. 荧光的基本理论：荧光指某些物质受紫外光或可见光照射激发后能发射出比激发光波长较长的光。荧光分析法是利用物质吸收光所产生的荧光光谱对物质特性进行分析测定的方法。早在1575年西班牙的植物学家N.Monardes就第一次记录了荧光现象；在1867年，Goppelsrder首次进行了荧光分析工作，应用铝-桑色素配合物的荧光进行了铝的测定分析8。到20世纪，随着计算机、激光技术、光电技术等的发展，各种荧光分析仪器被应用于实验；从而荧光分析法也得到迅速发展，产生了诸如同步荧光测定、导数荧光测定、时间和空间荧光分辨测定、荧光免疫测定、荧光探针技术、单分子荧光检测等众多荧光分析方法；并且在材料分析检测、环境科学、分析化学、生物医学等领域得到广泛的应用。荧光发生的物理过程同分子、原子的激发和辐射类似，包括激发吸收和辐射。图1-6 荧光激发和发射过程的Jabloski图（左）和位能图（右）9图1-7 Jabloski 简图图1-6详细的显示了荧光（包括磷光）的产生过程（Jabloski图和位能图），图1-7则为其简图。从两个图中可以看出，要想提高荧光的发射强度，至少有两个途径：a 增加激发强度，提高吸收，从而提高辐射跃迁率（图1-7中的）；b 降低无辐射跃迁率（图1-7中的knr）。后面将会看到，在金属纳米颗粒周围的荧光分子至少会通过途径a得到荧光发射的增强。荧光物质都具有两个特征光谱：激发光谱(excitation spectrum)和荧光光谱(fluorescence spectrum)。前者与物质的吸收有关，后者则与辐射跃迁有关。（1）激发光谱：是物质受光激发时所发射出的某一波长处的荧光强度随激发光波长变化的关系，它反映了不同波长的激发光引起的荧光相对效率。（2）荧光光谱：是在一定波长光激发下，物质所发射的荧光强度随其波长变化的关系。表征荧光的主要参数还有荧光的分子消光系数、量子产率和荧光寿命以及荧光淬灭效应（一般来说，荧光分子自身、溶剂、纳米微粒、杂质、温度、pH值、氢键等因素都可以导致荧光淬灭）。要想获得荧光增强，就要通过增加激发强度、提高量子产率、减小淬灭效应等途径达到。2. 金属表面增强荧光：金属纳米粒子由于其特殊的局域表面等离子共振，使得其周围的电磁场得到极大增强；这就为增强荧光提供了一种途径，即在纳米粒子周围的荧光染料的激发强度得到巨大增强；同时，对有些荧光染料，还可能提高其量子产率。但，必须指出的是在荧光增强的同时，由于染料与金属纳米微粒的相互作用（主要是无辐射跃迁），淬灭效应也得到增强。所以，增强与淬灭相互竞争，共同导致荧光增强或淬灭。金属纳米微粒表面与荧光染料的相互作用一般有三个过程10：首先，激发光场与纳米粒子相互作用；然后粒子周围的场与染料的作用；最后，染料反过来又与粒子产生作用。其实，这只是简单的描述；实际上金属表面与荧光团的相互作用和荧光增强（或淬灭）机理比较复杂，迄今为止还没有一个统一的理论来解释实验现象的。关于表面金属增强荧光（Metal-Enhanced Fluorescence, MEF）早在20世纪60年代就由K H. Drexhage发现。美国Maryland大学的Joseph R. Lakowicz和Chris D. Geddes等人一直致力于这方面的研究。他们早期的研究结果11, 12发现金属纳米粒子表面可以增加荧光物种的荧光量子产率，降低其荧光寿命，提高荧光物种的光学稳定性和辐射衰减率等。他们还定量的指出，对于粒径约40nm的银岛膜（Silver island films , SiFs）当荧光物质与粒子表面的距离减小到 5nm时，荧光染料的能量大多无辐射转移给粒子表面，表现为淬灭。当距离在7-10nm是，增强非常明显。在增强的距离范围内，增强机理主要有：（1）激发效率提高。金属粒子内部的自由电子在一定频率的外界电磁场作用下产生的表面等离子体共振可极大地增强粒子周围的电磁场。这种表面局域电磁场增强使靠近粒子表面上的分子活化，激发效率Em极大地提高（图1-8），从而增强荧光发射强度。这一机理的特点在于荧光强度大幅度增加，而相应的荧光团的荧光量子产率和荧光寿命不会受到多大影响。（2）荧光团内在的辐射衰减速率增加。激发态的荧光团回到基态过程中，辐射衰减速率m增大（图1-8），这就提高了荧光团的量子产率，减小了荧光寿命，从而达到增强荧光。这种增强机理在低量子产率的荧光物质上表现的尤为突出。下面我们对增强机理（2）作个简单的分析。图1-8为金属粒子（胶体）存在和不存在时分子荧光的Jabloski简图：图1-8 无金属粒子（左）和有金属粒子或胶体（右）的Jabloski简图由图1-8，。我们令自由空间中，辐射衰减率为，量子产率为Q0 ，荧光寿命为0 ，则有： （1-12） （1-13）其中 knr 是非辐射衰减率。当存在金属纳米粒子时，量子产率为Qm，荧光寿命为m，增加的辐射衰减率为m，有： （1-14） （1-15）由以上公式可见，当存在金属粒子时， 增大为 +m（m0），所以有：QmQ0 ；m0 。即量子产率提高，荧光寿命减小；最终提高了荧光物质的辐射跃迁率和光稳定性，从而增强荧光并降低淬灭效应。后来，Lakowicz等发现，除了以上的增强机理外，还有一种新的增强机理：表面等离子体耦合发射（surface plasmon coupled emission，SPCE）。如图1-9：图1-9 辐射衰减率增加（上）和SPCE（下）两种增强机理图解13他们最近的研究发现，金属表面的等离子也可以发射耦合的荧光团的特征荧光光谱结构，从而对荧光增强产生贡献。金属增强荧光的机理较为复杂，研究者们正在通过各种手段建立比较完善统一的理论，来解释实验和为实际应用奠定基础。最近，有研究者14 ,15将金属纳米颗粒用二氧化硅包覆，以此来控制荧光团和金属表面的距离；这样可以减小无辐射跃迁，更好地进行定量的研究。同时，这种核壳结构的纳米微粒也更加拓宽了基于荧光增强的实际应用范围。可以预见，核壳纳米微粒将成为荧光增强方面的发展趋势。所以，本文主要研究AgSiO2核壳纳米结构在荧光增强方面的特性，来为进一步研究和实际应用提供实验积累。1.2 实验原理和方法总结1.2.1 金属及其核壳纳米微粒的制备1. 金属纳米颗粒的制备：金属纳米颗粒已经广泛地被研究；其制备方法众多，且比较成熟。由于制备金属/介质核壳结构的纳米粒子一般的方法是先制备出金属纳米粒子，而且粒径单一、分散性好的金属纳米粒子的制备是成功对其表面处理（如包覆SiO2）的前提。所以在此总结了金属纳米粒子的制备方法。金属纳米粒子的制备方法主要有物理法和化学法两种。物理法主要采用从上而下的方法，即将较大较粗的物质磨碎，如物理磨碎法、高能球磨法、喷雾法等。物理法制备的纳米材料的特点是纳米颗粒的纯度高，颗粒粒度分布窄，但对技术设备要求高，形状单一，大多为球形。化学法有很多种，不但可制备不同形状、不同结构及不同粒度分布的纳米颗粒，而且化学法容易对纳米粒子表面进行包覆处理。实验中一般多用化学方法。限于篇幅，主要罗列了方法名称，具体有：（1） 固相法：包括机械合金化法、固相配位化学反应法等；（2）气相法：主要有惰性气体蒸发冷凝法、激光加热蒸发法、高频感应加热、等离子体法、电子束照射法、气相化学反应法等；（3）液相法：制备金属纳米粒子液相法合成纳米粒子常伴随着化学反应，也叫湿化学法。具体有溶胶-凝胶法、反相微乳液法、液相化学还原法、辐射合成法、电解法等。制备银纳米颗粒的方法有16：微乳液法（microemulsion method）、模板法（template method）、相转移法（phase transfer）、化学还原法（chemical reduction）、光化学法（photochemical method）、超声波还原法（ultrasonic-assisted reduction）、微波合成法（microwave-assisted synthesis）、电化学法（electrochemical method）、生物化学还原法（biochemical method）及辐射法（irradiating reduction）等。下面主要介绍微乳液法和基于水溶液的化学还原法。微乳液法制备银纳米颗粒一般采用反相微乳液（即反相胶束法，Reverse Micelles）法(油包水型，W/O，water-in-oil microemulsions)制备纳米银颗粒。较多用的是在AOT(琥珀酸二辛酯磺酸钠，Sodium bis-(2-ethylhexyl) sulfosuccinate )为表面活性剂的反相微乳液中合成纳米银颗粒；一般是先将AOT的钠盐转变成AOT酸的形式，再用弱酸性阳离子交换树脂将其转变成Ag(AOT)的形式，然后，以AOT为乳化剂、烷烃或环烷烃为油相，用水合肼N2H4H2O或硼氢化钠NaBH4 还原AOT反胶束水核中的Ag(AOT)。该方法制得的银纳米溶胶非常稳定，粒子间不易团聚，稳定性好，粒子形状可调，粒径分布较窄；但银纳米粒子的平均粒径较小，不易制备粒径较大的颗粒。化学还原法一般指在水溶液中进行的还原反应（Aqua-solution chemical reduction）。该方法在常压、常温(或温度稍高，一般低于100)状态下金属盐的水溶液在介质的保护下，被还原剂还原而制得银纳米颗粒，一般还要在反应体系中加入分散剂（稳定剂或保护剂）。金属盐通常为氯化物、硫酸盐或硝酸盐等可溶性盐，或者这些盐类的配合物(例如氨的配合物)。常用的还原剂有：柠檬酸钠、硼氢化钠、鞣酸（单宁酸）、水合肼、次亚磷酸钠、葡萄糖、抗坏血酸（维生素C）、甲醛、乙二醇、维生素B2、甲酸钠、过氯化氢、双氧水等。常用的分散剂有PVP(聚乙烯吡咯烷酮)、PVA(聚乙烯醇)、柠檬酸盐、明胶等。在所有的方法中，水溶液中的化学还原法相对比较简单、易操作，制备的纳米颗粒尺寸范围比较大。P.C. Lee和D.Meisel17较早用该方法选用不同的金属银盐（包括Ag2SO4、AgNO3）和不同的还原剂（H2+PVA、NaBH4+PVA、Sodium citrate）下制备了银纳米颗粒；并用类似的方法制备了金纳米颗粒。Zeena S. Pillai和Prashant V. Kamat18比较详细地探讨了在柠檬酸钠做还原剂的条件下，银纳米粒子的形成过程、柠檬酸根离子所起的作用及对银纳米颗粒尺寸的控制作用；该文总结出：柠檬酸根离子在银纳米粒子的形成过程中起到了还原剂、配位剂、稳定剂的作用，银纳米颗粒的形成过程是先还原出较小的纳米簇，然后生长成较大的纳米颗粒，并且柠檬酸钠的加入量、加入方法、反应时间等对银纳米颗粒的尺寸影响很大；通过该方法可以制得吸收带宽、直径较大的银纳米颗粒（60-100nm），而采用硼氢化钠作还原剂或辐射分解法制备的银纳米颗粒则较小（5-20nm）而且颗粒的吸收带较窄。银纳米颗粒的制备方法很多，比较常用的就是微乳液法和液相化学还原法。根据对颗粒尺寸、分布状况、形状、分散性、稳定性等的不同要求，可以选择合适的方法。分散性良好、稳定度高的银纳米颗粒的制备是成功合成复合纳米颗粒的重要条件。本文将采用水相化学还原法制备银纳米胶体。2. 核壳复合结构纳米粒子的制备：这里主要介绍金属纳米核/二氧化硅壳复合粒子的制备方法。核壳结构的纳米颗粒的制备通常是在金属核的表面沉积二氧化硅壳层而达到包覆效果。连接核壳方法有通过耦合剂的作用，把核和壳连接起来；也有通过核、壳表面的正负电荷吸引实现二者相连的。目前，核壳结构复合颗粒制备的方法主要有：化学沉积法、微乳液/反相微乳液法、LbL（Layer-by-Layer）自组装法、溶胶-凝胶法、离子注入法、离子交换法等。而制备Ag（Au）SiO2纳米复合颗粒的方法多为表面包覆或吸附，如化学沉积法、溶胶-凝胶法、反相微乳液法等。各种方法一般都互相渗透，但其核心都包括：二氧化硅源（如正硅酸乙酯-TEOS、硅酸盐等）的水解缩合形成二氧化硅、硅胶的形成和Stber19生长过程等。下面结合典型而具体的制备实例加以介绍和总结。Luis M. Liz-Marzn等人20在1995年就以正硅酸乙酯(TEOS)为二氧化硅源合成了金核二氧化硅壳AuSiO2的复合结构。1996年，Liz-Marzn等21首次使用了硅烷耦合剂(3-aminopropyl)trimethoxysilane（APS）对金纳米颗粒进行表面改性，使其由疏玻性转变为亲玻性；然后利用硅酸钠在金纳米表面先聚合一层薄SiO2壳（2-4nm），再将其移到乙醇的水溶液中并加入TEOS和氨水，通过Stber生长法，得到不同厚度的SiO2层。如图1-10所示：图1-10 不同SiO2层厚度的AuSiO2纳米颗粒21随后Liz-Marzn和Thearith Ung等22用同样的方法在10nm左右的Ag纳米颗粒上制得了AgSiO2复合结构，其过程如图1-11所示：图1-11 在APS下AgSiO2合成示意图23文章还研究了溶液pH值、试剂浓度、沉积时间等对二氧化硅沉积的影响，得出了最优条件；同时，本文中，作者用类似的方法制备了空心二氧化硅壳、金银合金核/二氧化硅壳的纳米粒子。Liz-Marzn等人的方法在制备Ag（Au）SiO2核壳结构的纳米颗粒中得到了广泛使用，但该方法在反应中使用了硅烷偶联剂，使得制备过程比较繁琐，而且偶联剂、反应过程的pH值对壳的尺寸影响较大。因此，需要继续探索、优化核壳复合颗粒的制备方法。2000年Vishwas V. Hardikar和Egon Matijevic24用维生素C还原硝酸银制得60nm左右的银纳米颗粒，然后在银胶体的异丙醇溶液中加入TEOS和催化剂氨水进行水解缩合而制得核壳复合颗粒；作者还详细探讨了TEOS的量、纳米银粒子的表面积、催化剂等实验条件与二氧化硅层厚度、颗粒的分散性等的关系，如表1-1。表1-1 SiO2包覆Ag粒子的实验条件242002年Xia25等以异丙醇(iso-propanol)为溶剂使用溶胶-凝胶法直接在Au纳米颗粒（约50nm）表面沉积二氧化硅；并通过控制TEOS的浓度、反应时间、催化剂的量等参数，二氧化硅层厚度可从几十到几百纳米之间变化；该方法不需要硅烷偶联剂而使用了异丙醇；壳层的具体形成过程是：TEOS水解形成二氧化硅溶胶，然后成核、沉积在纳米颗粒表面。而在2003年Christina Graf26等人发展了使用具有两亲性的非离子型表面活性剂PVP（Polyvinyl Pyrrolidone）对纳米粒子表面修饰后包覆SiO2的方法；该方法对Au、Ag纳米颗粒等大多数胶体粒子包覆SiO2具有普适性。在总结直接包覆SiO2方法的基础上，Liz-Marzn等人后来27, 28也采用直接包覆的方法在TEOS/ethanol/water体系中，采用各种催化剂（氨水、胺类物质等）实现了对Au和Ag纳米颗粒的SiO2包覆，并研究了不同SiO2厚度下，Ag（Au）SiO2纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱特性，得到随着SiO2壳厚度的增加，粒子的等离子共振吸收峰先红移后蓝移而吸收强度一直增加的结论（在文献21中，他们已经应用Mie散射理论对AuSiO2核壳纳米颗粒的光学性质做过详细的计算，从理论计算与实验上得到了以上结论）。在金属核/SiO2壳纳米粒子的制备方法的发展过程中，逐渐由比较繁琐的使用耦合剂对金属粒子预处理和使用硅酸盐进行二氧化硅层预包覆的方法发展到：在TEOS/ethanol（或iso-propanol）/water体系中，TEOS在氨水（或其它胺类物质）的催化作用下水解、缩合，即采用Stber法直接在金属纳米颗粒表面沉积二氧化硅层形成核壳结构。本文将在此基础上进行AgSiO2核壳结构纳米微粒的合成。1.2.2 研究方法金属纳米粒子具有如线性和非线性光学、光致发光、增强局域电磁场、拉曼和荧光增强等性质。为研究这些性质，目前的方法主要有：X射线衍射（X-ray diffraction ，XRD）、X射线光电子能谱学（X-ray photoelectron spectroscopic，XPS)、透射电子显微镜(Transmission electron microscopy，TEM)、紫外可见光谱(Ultraviolet-visible spectroscopy)、拉曼光谱（Raman spectrum）、荧光光谱（Fluorescence spectrum）、傅里叶变换红外光谱学（Fourier transform infrared spectroscopy , FTIR) 、光致发光(Photoluminescence, PL)等。本文所用的主要实验方法为紫外可见吸收光谱和荧光光谱法。第2章 实验部分2.1 试剂与仪器主要实验试剂见表2-1，所用试剂均未进一步纯化；实验用水均为电阻13.0M的去离子水。主要实验仪器见表2-2。表2-1 实验试剂名称规格型号公司与产地硝酸银AR上海化学试剂公司柠檬酸钠AR天津市百世化工有限公司无水乙醇AR中国医药公司 安徽异丙醇AR天津市富宇精细化工有限公司正硅酸乙酯AR西安化学试剂厂氨水AR西安化学试剂厂荧光素AR上海山浦化工有限公司表2-2 实验仪器名称型号公司与产地电子分析天平AE240Mettler-Toledo 瑞士恒温加热磁力搅拌器85-2杭州仪表电机有限公司高速离心机TGL-16C上海安亭科学仪器厂低速离心机80-2江苏姜堰市新康医疗器械有限公司精密pH试纸5.0-9.0上海经济区试剂公司U-v分光光度计Lambda 750PerkinElmer 美国荧光分光光度计LS 55PerkinElmer 美国2.2 纳米颗粒的制备2.2.1 制备Ag 纳米颗粒1. 制备部分：银纳米颗粒的制备采用P.C. Lee 17所用的化学还原法，即硝酸银（silver nitrate）的水溶液在柠檬酸钠（sodium citrate）的还原下，生成银原子，进而生长为银纳米胶体颗粒。具体制备过程如下：（1）在烧杯中加入浓度约5.0mM（毫摩尔每升，mmol/L）硝酸银水溶液数毫升，然后加水到总体积约40-100mL；并加热至沸腾。（2）当硝酸银水溶液开始沸腾时，立即在1-2分钟内将适量的浓度约为40.0mM的柠檬酸钠水溶液逐滴地加入烧杯中，整个过程中保持用磁力搅拌器不断用力搅拌。（3）然后将反应混合物沸腾一段时间（记为tb，以加完柠檬酸钠后算起。注：凡未另加说明，全文均用tb来代表该时间）后再冷却到室温。实验中，硝酸银和柠檬酸钠的用量可控制在： (2-1)其中nnitrate和ncitrate分别为硝酸银和柠檬酸钠的摩尔数。溶液混合后开始，沸腾时间 tb可以在5-20分钟之间。2. 测定银纳米颗粒的U-v吸收谱：利用U-v分光光度计对Ag纳米颗粒样品进行吸收谱的测定。由于采用该还原法制备的Ag胶体有一定的粒径分布、吸收带较宽，且久置后容易分层，胶体间会发生团聚。所以，测试了放置不同时间后的样品的吸收谱。2.2.2 制备AgSiO2 核壳纳米微粒1. 制备部分：AgSiO2核壳纳米粒子的制备是在Ag胶体制备成功的基础上进行的。制备过程就是在正硅酸乙酯/异丙醇/水体系中（TEOS/iso-propanol/water），TEOS在氨水催化触发作用下水解、缩合，即采用Stber法直接在Ag纳米胶体表面沉积二氧化硅层形成AgSiO2。在制备前，所用的均为原始的银纳米颗粒，并在约500rmp的低速离心机上离心过后取上层银胶体。具体制备流程如图2-1所示：图2-1 AgSiO2纳米颗粒的制备