Ag@SiO2复合纳米粒子对自组装染料单层的表面增强荧光

Ag@SiO2复合纳米粒子对自组装染料单层的表面增强荧光张若虎王著元宋春元杨晶崔一平*1东南大学先进光子学中心江苏省南京市 210096摘要：报导了一种使用Ag@SiO2核壳结构复合纳米粒子增强固体基底表面待分析物的荧光的新颖简单的方法。

制备了壳层厚度分别为约3 nm和约15 nm的Ag@SiO2纳米粒子，作为增强剂使用。

将增强剂滴加在自组装了孟加拉玫瑰红染料单层膜的固体基底表面上，与滴加之前进行比较，可以获得显著增强的荧光。

使用壳厚约3 nm的纳米粒子，最大增强因子约为27倍；使用壳厚约为15 nm的纳米粒子，最大增强因子约为11.7倍。

实验研究了壳层厚度和增强剂的表面密度对增强效果的影响。

实验结果表明本方法对基于荧光的表面分析具有潜在的应用价值。

关键词：物理电子学表面增强荧光荧光光谱表面等离子体共振Surface Enhanced Fluorescence from Fluorophore-assembledMonolayer Using Ag@SiO2 NanoparticlesRuohu Zhang, Zhuyuan Wang, Chunyuan Song, Jing Yang and Yiping Cui* Advanced Photonics Center, School of Electronic Science and Engineering Southeast University, Nanjing 210096, PR China*To whom correspondence should be addressed.Abstract A new and simple procedure to enhance the fluorescence of the analytes on the surfaces of a solid substrate is demonstrated based on Ag@SiO2 nanoparticles. Two kinds of silver-silica core-shell nanoparticles with shell thicknesses of ~ 3 nm and ~ 15 nm are prepared and used as enhancing agents, respectively. By simply pipetting drops of the enhancing agents onto the Rose Bengal monolayer-attached substrate surfaces, an enhancement of ~ 27 times is achieved using the Ag@SiO2 nanoparticles with ~ 3 nm shells while ~ 11.7 times is obtained using those with thicker shells, compared to the non-enhanced control sample. The effects of shell thickness and surface density of the enhancing agents on the enhancement are investigated experimentally. The results show that this method can be potentially helpful in fluorescence-based surface analysis.Keywords physical electronics; surface enhanced fluorescence; fluorescence spectroscopy; surface plasmon resonance1 概述荧光检测是医疗诊断和生物技术领域中最强有力的工具之一[1]。

在最近十几年间，表面增强荧光引起了人们的广泛兴趣并且在很多体系中实现[2-4]。

当荧光染料分子处于金属纳米结构表面附近，大约5到20 nm之间时[5-8]，荧光强度可能显著增加至高达上千倍[9]，同时伴随有荧光寿命减小及光稳定性提高等效应[10]。

关于表面增强荧光的增强机制，一般认为有两种效应存在[11-17]，即激发场的增强和等效量子效率的提高。

在表面增强荧光效应研究中使用的金属材料与在表面增强拉曼散射技术中使用的类似，一般为金和银贵金属[18-19]。

最近包括铜、锌、铝、镍、锡、铁和铬等其它金属材料也开始得到应用[20-26]。

不同的纳米结构先后被提出，如岛状膜、纳米球、纳米三角形、纳米棒、纳米球壳及不规则形状的金属纳米结构[9,27-32]，使得表面增强荧光的应用范围被大大扩展，包括DNA检测[8]、RNA传感[33]、免疫检测[34]和无标1作者简介：张若虎，男，博士生，从事生物光子领域的研究工作，zhangruohu1@;崔一平，男，博士，教授、博导，从事信息光电子、全光通信器件、生物光子等领域的研究工作，cyp@。

1记生物检测[35]等领域都已经成功应用了表面增强荧光技术。

然而，当前仍有一些潜在问题存在。

首先，金属纳米基底的表面积相对于普通基底有所增加，因此对增强因子的计算，其准确性值得商榷；第二，目前基于固体基底的表面增强荧光检测，都是需要在某一给定的金属纳米基底上进行，从而限制了其应用范围，比如某些检测可能需要在特定的基底上进行，或者某些待测样品与金属基底难以实现连接。

有人提出将染料单层固定在玻璃基底上，再将Ag纳米粒子吸附于其上的方式进行荧光增强，这样染料分子的量不会改变，保证了增强因子的准确性[36]。

在此基础上，有人在染料层和金属纳米粒子之间增加了隔离层，并在某一层厚处获得了约11倍的最大荧光增强[37]。

最近，有人将类似的结构应用于表面增强拉曼散射[38]。

这些工作表明，通过对结构进行某些调节，可以更加有效地实现对荧光的增强。

本文提出一种实现对固体基底表面上的待测物荧光进行增强的简单方法。

制备了两种具有不同壳厚的Ag@SiO2核壳结构复合纳米粒子。

染料单层直接连接在石英片表面，然后将Ag@SiO2纳米粒子滴加于其上。

尽管粒子的二氧化硅壳防止了“热点”的产生，染料的荧光仍然获得了显著的增强：使用薄壳粒子获得了约27倍的增强，使用厚壳粒子获得了约11.7倍的增强。

讨论了粒子的壳厚和表面密度对增强效果的影响。

2 实验部分2.1 试剂聚二甲基二烯丙基氯化铵（PDDA），分子量100000-200000和硅酸钠水溶液购自Sigma-Aldrich公司；γ-氨丙基三甲氧基硅烷（MPTMS）购自Alfa Aesar公司；孟加拉玫瑰红（RB）购自上海晶纯试剂有限公司；硝酸银购自上海申博试剂有限公司；二水合柠檬酸三钠购自江苏强盛试剂有限公司；石英片购自宜兴晶科光学仪器有限公司。

实验中所用的水均为超纯去离子水。

2.2 Ag@SiO2复合纳米粒子的制备Ag纳米粒子采用Lee报导的方法进行合成[39]。

简要步骤如下：硝酸银水溶液（500 mL，1 mM）在剧烈搅拌下加热至沸腾，加入柠檬酸三钠水溶液（10 mL，1%）。

混合溶液在搅拌下持续沸腾1 h后缓慢冷却至室温。

制得的银纳米粒子呈黄绿色。

壳厚约3 nm的Ag@SiO2纳米粒子采用Mulvaney等人报导的方法进行合成[40]。

15 mL纯化的银纳米粒子与MPTMS（0.1 mM，200 μL）的乙醇溶液混合后搅拌15 min，加入稀释的硅酸钠水溶液（3 mL），在90 ℃下继续搅拌反应1 h。

所获得的纳米粒子经过离心清洗两次后，重新分散于水中（15 mL）。

壳厚约15 nm的Ag@SiO2纳米粒子的制备方法与文献报道的方法相比做了少许改进[41]。

在剧烈搅拌下，将纯化的Ag@SiO2纳米粒子（5 mL）与异丙醇（20 mL）混合均匀后，加入TEOS（5 μL）和氨水（30 %，0.5 mL）。

混合溶液在室温下搅拌1 h后离心清洗两次，重新分散于水中（5 mL）。

2.3 样品基底的制备首先，石英片用浓硫酸（98 %）和双氧水（30 %）的混合溶液浸泡1 h以除去表面的有机物。

用水清洗后，石英片在PDDA溶液（1 %）中浸泡20 min，然后再次用水清洗。

石英片表面通过静电作用吸附上了一单层PDDA。

将RB溶液（0.5 mM）以0.2 mL/cm2滴加到石英片上。

密封保存过夜后，石英片用水反复冲洗以去除未连接的RB，用氮气小心吹干，密封保存备用。

2.4 Ag@SiO2纳米粒子的沉积Ag@SiO2纳米粒子的沉积步骤如下：纯化的纳米粒子溶液稀释5倍后以0.1 mL/cm2逐次滴加到自组装了RB单层膜的石英片上。

经过约4 h后，粒子在石英片上自然风干。

采用相同方法多次沉积可以调节粒子在石英片上的表面密度。

每个自组装了RB的石英片只有一半用于粒子沉积，另一半不做处理。

2.5 表征紫外-可见消光谱使用Shimadzu UV-3600 PC 紫外-可见分光光度计进行测量。

液体样品放置于1 cm 宽石英比色皿中，在纯水的对照下进行测量；固体样品采用空白石英片进行对照，测量时基片与入射光束相垂直。

荧光光谱使用Edinburgh FLS 920 稳态/瞬态荧光光谱仪进行测量，用氙灯作为光源，激发波长选择520 nm。

激发光从石英片的纳米粒子一侧入射，荧光从同一侧进行收集。

激发功率经测定为0.17 2mW，照射在样品上的光斑面积约为7mm2。

积分时间设定为0.1 s。

测量荧光时需引入对照基底以除去散射、反射背景的干扰。

测量自组装RB单层的石英片时，采用空白石英片做对照；测量沉积了Ag@SiO2纳米粒子的、自组装RB单层的石英片时，采用沉积了Ag@SiO2纳米粒子，但未组装RB的石英片做对照。

实验使用透射电子显微镜（Tecnai G2）对纳米粒子的尺寸、形状等进行表征，使用扫描电子显微镜（Quanta 200F）对沉积了Ag@SiO2纳米粒子的石英片的表面形态进行表征。

3 结果与讨论3.1 Ag@SiO2纳米粒子的制备对贵金属纳米粒子进行二氧化硅的包裹是一种常用的方法。

通过包裹，可以调控粒子的光学特性[42]，增加粒子的稳定性，改变粒子在不同溶剂环境中的溶解性，并且有助于对粒子表面做进一步的修饰以使粒子适合于生物应用[43,44]。

我们希望通过包裹实现对银表面-染料距离的控制。

据报道，最显著的增强现象出现在5-20 nm范围内，因此我们选择了3 nm和15 nm两种壳层厚度。

图1 三种纳米粒子的TEM图。