基于量子点和纳米金属颗粒的荧光增强研究

1、基于量子点和纳米金属颗粒的荧光增强研究 导读：就爱阅读网友为您分享以下“基于量子点和纳米金属颗粒的荧光增强研究”的资讯，希望对您有所帮助，感谢您对的支持! 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 言 1.1 前言 近些年来，生命科学取得了迅猛的发展，它在未来的时间里将与我们的生活联系越来越紧密，并且它与其他学科结合的需求也会更加强烈，将成为将来的科研重点。伴随着生命科学的飞速发展，人们对于生物检测技术的需求也日益强烈，需要有更精确，信号更强的生物检测技术来实现这个需求。这要求我们要将传统的检测技术与现有的技术相结合，并且结合诸如物理，生物，化学等多领域的知识与材料，开发出一些适

2、用范围更广，灵敏度更高的生物检测技术，来应对新时代科研的需要。 近些年来，纳米技术取得了飞速的发展，它是研究于纳米尺寸（1-100 nm）的物质和设备的设计方法、组成、特性的应用科学，随着测量与表征技术的显著提高，它已成为具有集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域。生物检测技术中所用到的材料就是属于纳米技术领域，其中量子点（Quantum dots，QDs）是很重要的一种荧光检测物质，它具有荧光激发谱宽、发射谱窄而对称、发射波长可调、抗光漂白性好等光学性质，不仅具有自己的特点并且还弥补了传统荧光物质的不足，所以它在多个领域中已得到了广泛的应用。 在量子点取得广泛应用的同时，纳米金属材料也在

3、的应用中展露了头角，由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等等 1，2 ，它在许多生物、物理、化学领域也得到了广泛的应用。纳米金属颗粒和量子点之间的等离子体共振效应，会对量子点的荧光强度产生增强的作用。人们可以利用荧光增强作用来更进一步的提高量子点作为荧光检测物质的灵敏度，从而适应生物检测领域更高更精准的需要。 本章将重点对量子点和纳米金属颗粒以及它们相互作用的研究概况进行简要介绍，主要包括量子点的特性以及应用，纳米金属颗粒的性质以及应用，量子点和纳米金属颗粒之间的等离子体共振效应、金属荧光增强效应以及它们的产生原理和在生物，化学检测领域的应用。 1 华 中 科 技 大 学

4、 硕 士 学 位 论 文 1.2 金属增强荧光作用 金属纳米粒子内部的等离子体共振作用，可以使其表面附近荧光物质的荧光强度显著增强，这一现象被称为金属增强荧光（MEF）3-6。一般情况下荧光团都是在自由空间中被检测的，即荧光团所辐射的能量可以被认为进入均匀的介质中。当金属纳米粒子出现在荧光团辐射能量的范围内时，该金属纳米颗粒的等离子体共振电磁场，可以改变它周围辐射介质对荧光的衰减率，从而增加共振能量转移的程度。荧光物质置于金属纳米颗粒附近合适的距离时，金属纳米颗粒的存在引起荧光物质总辐射衰减率增加，提高荧光团的荧光量子产率，缩短它的荧光寿命，如图1，Jablonski能级图描述了金属纳米颗粒在

5、金属增强荧光中的作用 5。这个结果是由有激发光激发的荧光团与金属纳米颗粒的表面等离子体电子之间的相互作用所导致 7。 图1.1 在自由空间条件(a)和金属颗粒、岛状离子或溶胶存在时(b)的Jablonski能级图 5 Fig 1.1 Classical Jablonski diagram for the free-space condition(a) and the modified form in the presence of metallic particles, islands or colloids(b) 5 1.2.1 金属纳米颗粒的等离子体共振效应 金属纳米颗粒由于具有量子效应、

6、小尺寸效应等特殊的性质，从而表现出不同于块状金属的光学、电学、磁学等性质，在这些性质中，其特殊的光学性质为人们所利用得最多。 金属纳米颗粒的一个很重要的光学性质是它的表面等离子体共振效应，它由于这个效应，可以在某些可见光区域表现出块状的金属材料无法观测到的吸收带。这是由于当有入射光照射它时，它的导带电子会摆动。在一般的颗粒中，其电子本身振荡频率主要由电子云的密度、有效电子质量、电荷分布形状以及尺寸所决定。图 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.2是金属纳米颗粒的等离子体共振的示意图 5。 金属纳米颗粒电磁场电子云 5图 1.2 金属纳米颗粒的等离子体示意图 Fig 1.2

7、Schematic illustration of plasmon oscillation for metal nano-particles 5 一些贵金属纳米颗粒，如金、银等，在可见光区域可以观察到很强的等离子体共振现象，而其他一些金属一般在紫外光区域内可以呈现较宽的弱吸收带，这种差异与其本身等离子体跃迁有关 8。金、银等金属纳米颗粒表面的等离子体共振吸收峰所对应的波长以及半峰宽都与粒子的尺寸、形状以及所处的环境有较大的关系。 金、银等纳米颗粒的小尺寸效应对其等离子体共振吸收峰有一定影响。当该金属纳米颗粒的尺寸小于所吸收的光波长时，在该纳米颗粒的电子云振荡中，表面的吸收度只与偶极子共振模式有

8、关9。金属纳米颗粒的形状也对它有着很大的影响，例如棒状金纳米颗粒，其表面等离子体共振变为两个谱带，并且这两个峰值的位置与该纳米颗粒的长宽比有着很大的关系；一些不规则形状的金属纳米颗粒的等离子体共振吸收峰表现得更为复杂，例如银纳米颗粒的等离子共振吸收峰所对应的波长主要集中在600 nm到700 nm之间，而五边形的银纳米颗粒的该峰值则在500 nm到550 nm之间 9, 10。类似的现象在金纳米颗粒中也存在，这些等离子体共振吸收峰大幅度的改变，并不能够通过改变其纳米颗粒的粒径来达到，只能通过改变其形状达到。 早在20世纪初，就有研究者对金属表面的等离子体共振理论进行了解释，Mie的理论在金属纳

9、米颗粒的尺寸大于20 nm时和实验得到的光谱可以较好的吻合。根据它的理论可以推断，一个均匀的球形金属纳米颗粒，其表面的等离子体共振吸收峰只有一个，并且随着该金属纳米颗粒尺寸的改变，吸收峰的位置也会随着改变；而当该金属纳米颗粒的形状为非球形时，其表面的等离子体共振吸收峰会分裂为两个甚至更多，如图1.3，表面等离子体共振吸收峰的数量以及位置都与其形状有着很大的关系，由其粒本身决定。 3 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 一个峰两个峰 图 1.3 不同形状金属纳米颗粒的等离子体共振吸收峰个数 Fig 1.3 The number of plasmon resonance absorpt

10、ion peak of metal nano-particles with different shapes 1.2.2 距离对金属增强荧光作用的影响 金属增强荧光作用是由激发态的荧光团与金属表面等离子体电子相互作用导致的 9。 从该作用的原理可以看出该荧光团的荧光增强性质对它与金属纳米颗粒表面的距离有明显的依赖性 7 ，如图1.2，该图是贵金属纳米颗粒表面的等离子体共振的示意图。当荧光团与该金属纳米颗粒之间的距离在5 nm以下时，荧光团受到激发光作用所发射出的荧光在这种条件下会以非辐射的形式将能量传递给金属纳米颗粒，并且荧光团的物质会回到基态，此时会表现出荧光淬灭效应，金属纳米颗粒会使荧光物

11、质丧失发出荧光的能力。 金属纳米颗粒与荧光物质的淬灭过程实际上是缩短了荧光物质激发态寿命的过程，一般分为动态淬灭与静态淬灭两种 10。动态淬灭所生成的复合物不能发射荧光，或者发出荧光所需要的激发光不同，从而导致了荧光物质无法发出荧光的现象，例如能量转移过程、电子转移过程等等。静态淬灭所产生的配合物不发光，表现为竞争作用。 当该荧光团的粒子与贵金属纳米颗粒之间的距离增加时，一般在6 nm到20 nm之间，它们之间的非辐射能量转移效果会被有效地移除，而该荧光团分子同样可以感应到贵金属纳米颗粒表面增强的电磁场，从而实现分子荧光的增强 5,6,8 。该增强作用的机理主要有两种，一方面是使激发光的激发效

12、率提高7，增加荧光团的荧光强 4 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 度。激发效率的提高导致荧光强度的增加，并不会影响该荧光团的荧光量子产率以及荧光寿命。另一方面是改变它的辐射衰减率 7。一般荧光现象很少能够改变荧光物质的辐射衰减率，更多的是给了该荧光物质一些非辐射衰减的途径而已。这种增强荧光强度的方式会影响荧光物质的量子产率以及荧光寿命。量子点与金属纳米颗粒之间的荧光增强作用中，这两种增强机制都同时存在着 10。所以，很多研究也发现，金属纳米颗粒在通过金属增强荧光作用增加量子点的荧光强度的同时，会在一定程度上减少量子点的荧光寿命。 当贵金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离进一步增大时

13、，一般是大于20 nm左右，此时该荧光物质已经脱离了金属纳米颗粒由于等离子体共振所产生的磁场，所以这二者之间并没有特殊的作用存在，宏观上面表现为该金属纳米颗粒对荧光物质的荧光基本无影响。 1.2.3 不同金属纳米颗粒的荧光增强特点 目前研究中报道过可以应用于荧光增强的金属纳米颗粒主要有以下几种：银、金、铜、铝、锌、铬和铂等 11-15。不同金属纳米颗粒的选择一般取决于荧光物质的荧光波长区域。例如金、银、铜等金属纳米颗粒主要应用于增强荧光在可见光以及近红外区域荧光物质的荧光强度；铝纳米颗粒主要应用于增强荧光在紫外以及蓝光区域的荧光物质的荧光强度；锌纳米颗粒主要应用于增强荧光在蓝光到红光区域荧光物

14、质的荧光强度；铬纳米颗粒主要应用于增强荧光在510 nm到620 nm区域的荧光物质荧光强度；铂纳米颗粒主要应用于增强荧光在绿光到红光区域的荧光物质荧光强度。 由于以上各种金属的纳米颗粒、纳米薄膜、溶剂等都会对光有一定的吸收以及散射作用，所以应用于金属荧光增强的荧光材料有时会受到金属纳米材料种类的限制，在实际应用中较好的方法是根据荧光物质的荧光波长来选择合适的金属纳米颗粒，以达到增强效果的最大化。在以上的各种金属纳米颗粒中，银纳米颗粒的吸收波长较短，应用范围可以覆盖整个可见光以及近红外区域，满足绝大多数荧光探针的需要，而且它价格低廉、制备容易、稳定性强且荧光增强的效果较好，所以基于 5 分类号

15、 学号 密级 学校代码10487 硕士学位论文 基于量子点和纳米金属颗粒的荧光增强研究 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Engineering Studies on Metal-enhanced Fluorescence Based on Quantum Dot and Nano-particles I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师

16、指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适

17、用本授权书。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着生命科学的发展，待研究的样品也越来越复杂，所以对生物检测技术的要求也越来越高。人们需要一种高灵敏度的检测方法来提高检测的灵敏性和正确性。 量子点作为一种新型的荧光标记物，它具有传统荧光染料无法比拟的优点，近些年已经在生物检测以及生物分析领域得到了广泛的应用。金属纳米颗粒由于其良好的稳定性以及较低的毒副作用，也是生物医学领域研究和应用的热门材料。并且金属纳米颗粒通过等离子体共振效应在一定条件下能

18、有效地增强量子点的荧光，从而提高基于量子点的生物检测体系的灵敏度。基于此，本论文设计并建立了一种基于纳米金属颗粒来增强量子点荧光的方法并研究其在生物检测中的应用。 论文的主要工作包括在金或银的纳米颗粒表面包被二氧化硅，通过控制二氧化硅的厚度来调节金属纳米颗粒和量子点之间的距离，复合颗粒由量子点和金属纳米颗粒通过静电或偶联进行结合。实验表明二氧化硅厚度在10 nm时量子点的荧光增强效应最大，增强效应为1.8倍。另外将银纳米颗粒沉积在三氨丙基乙氧基硅烷（APTES）修饰的玻璃基底表面，利用一对分别偶联在银纳米颗粒或量子点上的单链DNA将银纳米颗粒与量子点连接，通过控制DNA的长度来调节银纳米颗粒与

19、量子点之间的距离。实验表明DNA的长度在11.9 nm时量子点的荧光增强效应最大，增强效应达到1.4倍。实验分别在水溶液以及玻璃基底的表面进行，在不同环境下评价荧光增强的效果，从而使该方法普遍有效，满足生物检测中高灵敏度的需要。 关键字：金属增强荧光 量子点 金属纳米颗粒 III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the development of life science, the sample we are studying is more and more complex, which makes higher request for the

20、technology of biological detection. We all need a new method of detection with higher sensitivity to improve the detection efficiency. As a new type of fluorescent markers, quantum dots have many advantages which conventional fluorescent dyes can not compare, and they have been widely used in the fi

21、eld of biological detection and analysis in recent years. On the other hand, metal nano-particles are also popular materials in the field of biomedical research and application due to their good stability and low toxicity. And they can enhance the fluorescence intensity of QDs in some situation effe

22、ctively through the effect of plasmon resonance. This thesis mainly focuses on building up a method to enhance the fluorescence intensity of quantum dots based on metal nano-particles and studying its application in biological detection. The main work of the thesis contains coating silica on the sur

23、face of gold and silver nano-particles and adjusting the distance between metal nano-particles and quantum dots by controlling the thickness of silica, the complex nano-particles are composed of quantum dots and metal nano-particles through electrostatic adsorption and chemical coupling; according t

24、o the result of the experiment, the fluorescence of quantum dots gets the maximum enhancement when the thickness of silica is 10 nm, and its fluorescence intensity is equal to 1.8 times of the same amount of quantum dots. The other part of the experiment contains depositing silver nanoparticles on t

25、he surface of glass base which modified by APTES, and combining quantum dots and silver nano-particles by DNA, adjusting the distance between silver nano-particles and quantum dots by controlling the length of DNA. The result of experiment indicates that the fluorescence of quantum dots gets the max

26、imum enhancement when the length of DNA is 11.9 nm, and its fluorescence IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the development of life science, the sample we are studying is more and more complex, which makes higher request for the technology of biological detection. We all need a new method of d

27、etection with higher sensitivity to improve the detection efficiency. As a new type of fluorescent markers, quantum dots have many advantages which conventional fluorescent dyes can not compare, and they have been widely used in the field of biological detection and analysis in recent years. On the

28、other hand, metal nano-particles are also popular materials in the field of biomedical research and application due to their good stability and low toxicity. And they can enhance the fluorescence intensity of QDs in some situation effectively through the effect of plasmon resonance. This thesis main

29、ly focuses on building up a method to enhance the fluorescence intensity of quantum dots based on metal nano-particles and studying its application in biological detection. The main work of the thesis contains coating silica on the surface of gold and silver nano-particles and adjusting the distance

30、 between metal nano-particles and quantum dots by controlling the thickness of silica, the complex nano-particles are composed of quantum dots and metal nano-particles through electrostatic adsorption and chemical coupling; according to the result of the experiment, the fluorescence of quantum dots

31、gets the maximum enhancement when the thickness of silica is 10 nm, and its fluorescence intensity is equal to 1.8 times of the same amount of quantum dots. The other part of the experiment contains depositing silver nanoparticles on the surface of glass base which modified by APTES, and combining q

32、uantum dots and silver nano-particles by DNA, adjusting the distance between silver nano-particles and quantum dots by controlling the length of DNA. The result of experiment indicates that the fluorescence of quantum dots gets the maximum enhancement when the length of DNA is 11.9 nm, and its fluor

33、escence IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 intensity is equal to 1.4 times of the same amount of quantum dots. The experiments we carried out are in aqueous solution and on the surface of glass base respectively, thus the result of the system can be evaluated in different enviroment, so that can make the sy

34、stem generally effective, to meet the requirements of high sensitivity in biological detection. Key words: Metal-enhanced fluorescence Quantum dots Metal nano-particles V 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘 要 . III Abstract . IV 1 绪言 1.1 前言 . (1) 1.2 金属增强荧光作用 . (2) 1.3 量子点的简介 . (10) 1.4 课题思路和主要工作 . (13) 2

35、 基于金纳米颗粒的金属增强量子点荧光的分析 2.1 引言 . (15) 2.2 实验部分 . (16) 2.3 结果与讨论 . (19) 2.4 本章小结 . (31) 3 基于基底表面的金属增强量子点荧光的分析 3.1 引言 . (33) 3.2 实验部分 . (34) 3.3 结果与讨论 . (36) 3.4 本章小结 . (49) 4 基于银纳米颗粒的金属增强量子点荧光的分析 VI 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.1 引言 . (50) 4.2 实验部分 . (51) 4.3 结果与讨论 . (53) 4.4 本章小结 . (61) 5 全文总结 5.1 本文研究内容

36、与结论 . (62) 5.2 本论文的不足及建议 . (63) 致 谢. (错误！未定义书签。) 参考文献. (65) VII 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 言 1.1 前言 近些年来，生命科学取得了迅猛的发展，它在未来的时间里将与我们的生活联系越来越紧密，并且它与其他学科结合的需求也会更加强烈，将成为将来的科研重点。伴随着生命科学的飞速发展，人们对于生物检测技术的需求也日益强烈，需要有更精确，信号更强的生物检测技术来实现这个需求。这要求我们要将传统的检测技术与现有的技术相结合，并且结合诸如物理，生物，化学等多领域的知识与材料，开发出一些适用范围更广，灵敏度更高的生物

37、检测技术，来应对新时代科研的需要。 近些年来，纳米技术取得了飞速的发展，它是研究于纳米尺寸（1-100 nm）的物质和设备的设计方法、组成、特性的应用科学，随着测量与表征技术的显著提高，它已成为具有集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域。生物检测技术中所用到的材料就是属于纳米技术领域，其中量子点（Quantum dots，QDs）是很重要的一种荧光检测物质，它具有荧光激发谱宽、发射谱窄而对称、发射波长可调、抗光漂白性好等光学性质，不仅具有自己的特点并且还弥补了传统荧光物质的不足，所以它在多个领域中已得到了广泛的应用。 在量子点取得广泛应用的同时，纳米金属材料也在的应用中展露了头角，由于具有

38、表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等等 1，2 ，它在许多生物、物理、化学领域也得到了广泛的应用。纳米金属颗粒和量子点之间的等离子体共振效应，会对量子点的荧光强度产生增强的作用。人们可以利用荧光增强作用来更进一步的提高量子点作为荧光检测物质的灵敏度，从而适应生物检测领域更高更精准的需要。 本章将重点对量子点和纳米金属颗粒以及它们相互作用的研究概况进行简要介绍，主要包括量子点的特性以及应用，纳米金属颗粒的性质以及应用，量子点和纳米金属颗粒之间的等离子体共振效应、金属荧光增强效应以及它们的产生原理和在生物，化学检测领域的应用。 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 度

39、。激发效率的提高导致荧光强度的增加，并不会影响该荧光团的荧光量子产率以及荧光寿命。另一方面是改变它的辐射衰减率 7。一般荧光现象很少能够改变荧光物质的辐射衰减率，更多的是给了该荧光物质一些非辐射衰减的途径而已。这种增强荧光强度的方式会影响荧光物质的量子产率以及荧光寿命。量子点与金属纳米颗粒之间的荧光增强作用中，这两种增强机制都同时存在着 10。所以，很多研究也发现，金属纳米颗粒在通过金属增强荧光作用增加量子点的荧光强度的同时，会在一定程度上减少量子点的荧光寿命。 当贵金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离进一步增大时，一般是大于20 nm左右，此时该荧光物质已经脱离了金属纳米颗粒由于等离子体共振所产

40、生的磁场，所以这二者之间并没有特殊的作用存在，宏观上面表现为该金属纳米颗粒对荧光物质的荧光基本无影响。 1.2.3 不同金属纳米颗粒的荧光增强特点 目前研究中报道过可以应用于荧光增强的金属纳米颗粒主要有以下几种：银、金、铜、铝、锌、铬和铂等 11-15。不同金属纳米颗粒的选择一般取决于荧光物质的荧光波长区域。例如金、银、铜等金属纳米颗粒主要应用于增强荧光在可见光以及近红外区域荧光物质的荧光强度；铝纳米颗粒主要应用于增强荧光在紫外以及蓝光区域的荧光物质的荧光强度；锌纳米颗粒主要应用于增强荧光在蓝光到红光区域荧光物质的荧光强度；铬纳米颗粒主要应用于增强荧光在510 nm到620 nm区域的荧光物质

41、荧光强度；铂纳米颗粒主要应用于增强荧光在绿光到红光区域的荧光物质荧光强度。 由于以上各种金属的纳米颗粒、纳米薄膜、溶剂等都会对光有一定的吸收以及散射作用，所以应用于金属荧光增强的荧光材料有时会受到金属纳米材料种类的限制，在实际应用中较好的方法是根据荧光物质的荧光波长来选择合适的金属纳米颗粒，以达到增强效果的最大化。在以上的各种金属纳米颗粒中，银纳米颗粒的吸收波长较短，应用范围可以覆盖整个可见光以及近红外区域，满足绝大多数荧光探针的需要，而且它价格低廉、制备容易、稳定性强且荧光增强的效果较好，所以基于 5 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 银纳米颗粒金属增强荧光的研究与报道最多 1

42、6-21。 上文提到金属增强荧光作用一般有两种途径：金属纳米颗粒表面等离子共振产生的磁场会使激发光的激发效率提高；贵金属纳米颗粒使荧光物质的辐射衰减率增大。在上述多种能使荧光物质的荧光强度得到增强的金属纳米颗粒中，不同种类的金属纳米颗粒增强荧光的机理也并不相同。金、银、铜、铝四种纳米颗粒在增强周围荧光物质的荧光时，一般通过增大荧光物质的辐射衰减率来实现，所以这些金属纳米颗粒在增强荧光物质荧光的同时，一般会伴随着该荧光物质荧光寿命的缩短 11-13。锌、铬、铂三种金属纳米颗粒在增强周围荧光物质的荧光时，一般通过提高激发光的激发效率来实现，所以这些金属纳米颗粒在增强荧光物质荧光的同时，对荧光物质的

43、荧光寿命一般无影响 14,15。 不同尺寸、形状的同种金属纳米颗粒对荧光物质的荧光增强作用也不相同，因为改变金属纳米颗粒的尺寸、形状都会改变它表明的等离子体电子的分布，从而影响到与荧光物质的作用效果。例如Lukomska小组 22制备了两种不同粒径的银纳米颗粒，在石英基底的表面与荧光素（FI）作用，实验结果表明，粒径较大的银纳米颗粒的荧光增强能力比粒径较小的银纳米颗粒的荧光增强能力强50%，且对荧光素的荧光寿命缩短效果也更明显。有研究者 23通过建立数学模型计算出金纳米颗粒的粒径为20 nm到25 nm时，可以使荧光染料获得最大的荧光增强效果，并通过实验得到了证实。Lakowicz小组 18也

44、对不同形状的银纳米颗粒的金属增强荧光效果做了比较，实验结果表明不同形状的银纳米颗粒的荧光增强效果差距很大，光滑的碎片状的银可以增大荧光素荧光强度高达500倍，而粗糙的银电极只能使荧光素的荧光强度增加100倍。 1.2.4 荧光物质对金属增强荧光作用的影响 当金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离保持一定时，荧光物质的荧光量子产率不同，金属增强荧光作用的效果也不相同。金属纳米颗粒可以通过增大荧光物质的辐射衰减率导致荧光物质的荧光量子产率增加。一些研究 24指出，将金属增强荧光效应作用于荧光量子产率很低的荧光物质时，可以实现荧光强度的大幅度增加。荧 6 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 光

45、物质量子产率的公式可以解释这一现象，如公式1-1所示 24。 Q0? （1-1） ?Kn?公式中Q0是荧光物质的荧光量子产率，是荧光物质的辐射衰减率，Kn是荧光物质的非辐射衰减率。所以，当荧光物质的荧光量子产率非常低时，非辐射衰减率会远远大于辐射衰减率，此时利用金属增强荧光作用可以大幅度提升荧光物质的辐射衰减率，从而将荧光量子产率提高很多倍；反之如果荧光物质的荧光量子产率本身较高时，它的非辐射衰减率不会远远大于辐射衰减率，此时再利用金属增强荧光作用大幅度增大荧光物质的辐射衰减率，并不会使荧光物质的荧光量子产率得到很大的提升。理论上说，当荧光物质的荧光量子产率越接近1时，通过增加辐射衰减率越不能

46、大幅度增加荧光物质的荧光量子产率，能量转移淬灭起主要作用。 1.2.5 金属增强荧光的研究现状 人们最早发现金属表面特殊的荧光性能可以追溯到上个世纪七十年代，那时Drehage指出金属表面附近荧光物质辐射衰减率会发生变化。在之后的二十年里，人们并没有给它以相应的重视，直到1999年Lakowicz 3 小组才开始它做研究，大多数的研究都是基于二维的银表面进行的，用得最多的是银岛膜（SIF）以及银胶粒膜。他们利用葡萄糖还原硝酸银，然后进一步将银纳米颗粒沉积在硅烷化处理的玻璃表面，此时可增强10倍左右的荧光信号 9 。而后如果对反应条件进行处理，可以更进一步地增加荧光增强的效果15 。 以上所报道

47、的都是基于基底表面的。而基于液相系统的金属增强荧光研究相对较少，Lakowicz 13小组在2004年报道了基于金属增强荧光作用的液相传感器；而后该小组制作的纳米泡可以使罗丹明800的荧光强度增加20倍 14 。 现有的一些关于金属增强荧光的研究通常是将金属纳米颗粒与荧光物质人为地隔开一定距离，并探讨距离对金属增强荧光效果的影响。常用的隔离方法有利用二氧化硅、DNA、生物大分子以及多层膜作为中间的隔层。 7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 （1）利用二氧化硅作为金属纳米颗粒与荧光物质之间的隔层。常用的方法是在金属纳米颗粒表面覆盖一层二氧化硅，再将标记染料荧光物质的生物分子与二氧

48、化硅键合 25；还可以利用核壳式的纳米颗粒，将二氧化硅包被在金属纳米颗粒的表面，再将荧光物质分别掺杂于二氧化硅内或者连于二氧化硅的表面。用这种方法时，金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离通过二氧化硅的厚度进行调节。 （2）利用确定链长的DNA序列作为金属纳米颗粒与荧光物质之间的隔层。DNA的链长可以通过碱基对数目有效控制，所以它在控制距离方面有较大的优势。例如Ginger小组 26将银纳米颗粒与单链DNA化学结合，并与经荧光分子标记的互补单链DNA杂化，此时荧光分子与银纳米颗粒表面的距离是精确的DNA的链长，可以通过不同长度的DNA调节纳米颗粒之间的距离。Ray小组 27也做了许多这方面的研究，他

49、将分别键合了银纳米颗粒的两个互补DNA序列杂化，形成了双体银纳米颗粒的结构，对连接在DNA链上的荧光分子的荧光强度增加了13倍。 （3）利用生物大分子作为金属纳米颗粒与荧光物质之间的隔层。Geddes小组 28将吸附了染料靛青绿（ICG）的人血清蛋白分子与银纳米颗粒结合，结合后人血清蛋白在染料荧光分子与三角形银纳米颗粒之间形成了蛋白质单层结构，此结构增强了低荧光量子产率的染料靛青绿荧光强度16倍以上。 （4）利用多层膜结构作为金属纳米颗粒与荧光物质之间的隔层。Lakowicz小组 29利用LB膜技术将中性的双亲硬脂酸沉积于银岛膜与荧光物质之间，金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离通过LB膜的层数来

50、控制，LB膜技术不仅能精确控制膜的厚度，还能使荧光物质相对金属纳米颗粒的定向明确。该小组 30还利用聚苯乙烯磺酸盐和聚烯丙胺盐酸盐作为隔膜进行了类似的实验，聚电解质膜的厚度非常精确，结果表明当金属纳米颗粒与荧光物质之间距离为9 nm时，可获得6被的荧光强度增强；当距离增大到30 nm时，荧光增强倍数减小到1.5倍。 国内的主要一些研究才刚刚起步，具有很大的发展空间。国内也有研究者制备不同粒径的核壳式银纳米颗粒，可以显著地增强罗丹明6G的荧光强度，基于量子点的荧光增强体系也有许多研究者正在着手研究。 8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.2.6 等离子体共振以及金属增强荧光的应

51、用 近些年来，随着荧光检测技术在生物检测以及医学诊断领域应用的越来越广泛，以等离子体共振为基础的金属增强荧光已经逐渐成为了生物检测中的一个重要工具，开始在很多方面得到应用，例如检测DNA内源荧光、制备生物探针、用于高效荧光共振能量转移、疾病检测等。 （1）金属增强荧光作用可用于检测DNA及其他生物分子的荧光。DNA分子的荧光量子产率一般在110-4以下，荧光寿命也较短。DNA分子荧光强度非常弱的原因是它的非辐射衰减率远远大于辐射衰减率。因此，将DNA分子置于金属纳米颗粒附近一定距离时，会大幅度地提升DNA分子的辐射衰减率，从而大大提高DNA分子的荧光量子产率。Lakowicz小组 24利用此方法将待测的DNA溶液置于两片银岛膜之间，使DNA的荧光强度增加了80倍，理论上进一步调整两银岛膜之间的距离，可以使DNA的荧光增加2000倍。实验结果也表明，DNA分子的荧光寿命大幅度缩短了。在实际应用中，该方法同样可以应用于RNA的检测。 （2）金属增强荧光应用于制备高荧光强度生物探针。在生物检测探