金屬納米粒子表面等離子激元(LSPR)特性及其在熒光增強(qiáng)方面的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、貴金屬納米粒子特別是金,銀納米粒子，由于其含有豐富的自由電子，導(dǎo)致其在外界的刺激下，會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特的表面等離子體共振(LSPR)性質(zhì)。該性質(zhì)使其在分子檢測(cè)(SERS)，熒光增強(qiáng)(MEF)方面具有非常大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。此外，自然界中存在很多可以發(fā)熒光的分子，這些分子被廣泛的應(yīng)用于化學(xué)，生命科學(xué)，材料科學(xué)，光子晶體學(xué)和藥物化學(xué)等領(lǐng)域。但是這些熒光分子存在發(fā)光效率比較低下，熒光壽命較短等局限性，使其在現(xiàn)代工業(yè)和醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用受到限制。而貴金屬

2、納米粒子所具有的LSPR特征可以通過局部電磁場(chǎng)的增強(qiáng)來影響熒光分子的發(fā)光效率，改變熒光分子中電子的躍遷概率，從而解決了很多分子發(fā)光效率低，熒光壽命短的難題。同時(shí)，研究表明，熒光分子和金屬納米粒子之間不僅有增強(qiáng)作用，同時(shí)具有淬滅的效果，而決定淬滅和增強(qiáng)關(guān)系的，不僅依賴于金屬納米材料的LSPR特征峰和熒光分子的吸收和發(fā)射峰位的匹配程度，還依賴與所選金屬納米粒子和熒光分子的距離。由于增強(qiáng)和淬滅兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象與分子和納米粒子的距離以及金屬納米粒子

3、的LSPR特征峰和熒光分子的吸收，發(fā)射峰的匹配程度密不可分，許多研究課題組通過不同的方法，去研究決定增強(qiáng)和淬滅的因素，然而報(bào)道的增強(qiáng)倍數(shù)也不盡相同，同時(shí)，許多研究成果都避免不了熒光增強(qiáng)效果不佳，熒光增強(qiáng)器件的可重復(fù)性差等問題，總體而言，制備靈敏度高，可重復(fù)性好的的大面積均勻的熒光增強(qiáng)器件或制劑然仍是一個(gè)挑戰(zhàn)。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴使用時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)金屬納米粒子的表面等離子特征（LSPR）進(jìn)行理論模擬和分析，主要

4、涉及不同形貌的金屬納米粒子的散射，吸收，消光光譜的模擬分析，相應(yīng)納米材料和結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)的模擬分析，不同介質(zhì)下的金屬材料和結(jié)構(gòu)的光譜和電磁場(chǎng)性質(zhì)的模擬分析，通過理論方法優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案以及解釋實(shí)驗(yàn)過程中遇到的現(xiàn)象，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果給予強(qiáng)有力的理論證據(jù)。⑵主要在體相體系中，我們合成了不同形貌的Au納米粒子，通過在這些不同LSPR峰位的納米粒子中選擇適合的Au納米結(jié)構(gòu)，在其上包覆不同厚度的二氧化硅（SiO2）層，形成Au@SiO2結(jié)構(gòu)，并在此結(jié)構(gòu)上修飾

5、了一層APTES分子，利用FITC熒光探針與該體系相作用，形成穩(wěn)定的熒光增強(qiáng)制劑。在此基礎(chǔ)上，研究金屬納米粒子的特征峰和熒光分子的匹配度以及對(duì)熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)效果，以及熒光分子和金屬納米粒子的距離對(duì)熒光強(qiáng)度的增強(qiáng)效果。通過理論和實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金屬納米粒子的LSPR峰位和熒光分子的吸收，發(fā)射峰位越匹配，熒光增強(qiáng)效果越佳，同時(shí)發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)和淬滅之間存在一個(gè)最佳的距離。通過調(diào)節(jié)這些影響因素，可以得到近10倍的體相增強(qiáng)效果。⑵基于上述的研究成果，發(fā)現(xiàn)

6、在體相體系中，二氧化硅層厚度，金屬納米粒子溶液的濃度，熒光制劑的濃度，這些因素的控制和可重復(fù)性相對(duì)比較困難。因此我們采用自組裝的技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于固體表面的熒光增強(qiáng)基底。首先，合成了一種新的金屬納米粒子Au@Ag納米棒，通過調(diào)節(jié)Ag層的厚度來調(diào)控該結(jié)構(gòu)的LSPR特征峰，使其與結(jié)晶紫（CV）熒光分子的吸收，發(fā)射峰匹配度最大。利用自組裝的方法將最佳匹配度的Au@Ag納米棒均勻組裝到SiO2基片上，利用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）調(diào)節(jié)CV熒光