二氧化硅包覆對納米多孔金增強熒光特性的調制

馬超 張玲

摘要：為了減弱金屬基底對表面增強熒光的淬滅效應，設計了增強效果更好的熒光增強基底。采用化學生長二氧化硅的方法對納米多孔金（NPG）表面進行修飾，避免熒光分子和NPG表面直接接觸引起的淬滅效應，在siO2@NPG表面分別組裝上羅丹明6G（R6G）和輻射中心波長為700nm的量子點（QD 700）。通過探測分析熒光光譜，可以得出：二氧化硅包覆的基底可以使表面增強熒光得到顯著的增強，并且二氧化硅厚度對熒光強度有調節作用;在基底增強量子點熒光信號的同時，量子點和NPG之間還出現非輻射的能量轉移現象，二氧化硅的厚度對能量轉移同樣有調節作用，厚度約為5nm時能量轉移現象最顯著。本實驗為基于熒光能量轉移的檢測以及設計更好的熒光增強基底提供了參考。

關鍵詞：納米多孔金（NPG）;siO2@NPG;量子點;表面增強效應;熒光共振能量轉移

中圖分類號：0484 文獻標志碼：A

引言

納米多孔金（nanoporous gold，NPG）具有獨特的納米孔道結構及大的比表面積，在物理、化學、生物及光學等領域表現出極大的應用潛力，已成為納米科學研究的熱點之一。NPG制作方法簡單，可以通過調節腐蝕條件靈活地改變其微觀納米結構，隨之其局域表面等離子體共振特性也發生變化，因此NPG被用于表面增強拉曼和表面增強熒光等靈敏檢測方面。當熒光分子與NPG表面直接接觸時，由于內部非輻射能量轉移的影響，納米金屬結構在增強熒光輻射的同時伴有淬滅效應。通過在NPG與熒光分子之間加入一層絕緣或半導體介質層，可在抑制淬滅效應的同時，對吸附其表面的生色團的熒光信號起到放大作用。現有文獻中常用的方法是在NPG表面組裝有機配體或包覆絕緣聚合物，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等，本文采用超薄的二氧化硅層作為絕緣隔層，有效減弱了熒光分子和NPG直接接觸引起的熒光淬滅，同時二氧化硅也大大增加了樣品對生物分子的吸附作用。實驗中利用硅酸四乙酯（TEOS）水解過程，在多孔金表面包覆二氧化硅，并通過控制反應時間調控二氧化硅厚度，進而改變熒光分子與NPG表面之間的間距。通過在NPG和SiO2@NPG薄膜上組裝上羅丹明6G（R6G）染料分子和輻射中心波長為700nm±5nm的量子點（QD700），研究了二氧化硅包覆對多孔金熒光增強特性的影響。

1實驗過程

1.1納米多孔金的制備

NPG的制備采用脫合金法。將厚度約為100nm的金銀合金Ag65Au35（原子百分比）固定在聚合物基底上，置于干燥箱中80℃煺火4 h。煺火完成后將合金薄膜浸入硝酸溶液（體積分數約為68%）中腐蝕1h，合金中的銀原子與酸發生反應融入硝酸，剩余金原子自主構造出尺寸分布均勻、雙聯通的納米孔狀結構，多孔金的孔徑大小可以通過腐蝕時間、環境溫度、硝酸體積分數等因素來控制。多孔金薄膜從硝酸中取出后用超純水清洗多遍，并浸泡若干小時以除去殘留的硝酸，取出晾干后置于干燥柜中待下一步使用。

1.2多孔金薄膜上二氧化硅包覆

采用化學生長的方法在NPG表面包覆二氧化硅。將制作好的NPG薄膜先浸入濃度為0.1 mol/L的十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）溶液中，浸泡1 h后，用超純水清洗幾遍以除去表面殘留的CTAB溶液。將40mL濃度為6mmol/L的CTAB溶液加入到100 mL的燒杯中，再加入20 mL乙醇（99.7%），用磁力攪拌攪勻，同時使混合液溫度保持在35℃左右。隨后向溶液中滴加25ul氨水（25%），將制作好的NPG薄膜插入混合溶液中，使其固定懸浮在溶液中并且完全浸入液面下。攪拌5 min左右，使溶液均勻并且溫度恒定。隨后向混合液中逐滴添加50ul正硅酸乙酯（TEOS）溶液，分5次添加（10ul/次），滴加過程中大力攪拌溶液。溶液添加完成后降低攪拌速度，溫和攪拌以保證混合液均勻，同時采用水浴加熱使溶液溫度穩定在35℃左右。反應過程中分別在5 h、10 h、15 h、20 h、25 h時各取出一片薄膜，隨著反應時間的延長，TEOS在弱堿性環境下緩慢水解生成二氧化硅，從而使NPG表面的二氧化硅厚度逐漸增加。樣品從反應液中取出后，先用乙醇溶液浸泡若干分鐘，除去多孔金孔道及二氧化硅表面吸附的多余的CTAB，然后用去離子水清洗幾遍后晾干并放入干燥柜保持干燥。

1.3熒光光譜檢測

采用靜電吸附的方式將熒光分子組裝到SiO2@NPG表面。首先探測沒有組裝熒光分子的NPG和SiO2@NPG本身的熒光光譜作為實驗參照，然后將制備好的NPG及SiO2@NPG樣品置于R6G（10^-7mol/L）溶液中，浸泡2h，將R6G分子組裝在樣品上，清洗幾遍晾干后分別檢測相應的熒光信號。將制得的NPG及SiO2@NPG分別浸泡在QD700水溶液中，溶液濃度為50 nmol/L，浸泡12 h，使量子點充分組裝在樣品表面，取出后用超純水清洗幾遍，用吸水紙將樣品表面的水除去，保持樣品表面濕潤的條件下檢測熒光光譜。檢測時，采用功率約為1 mW、中心波長為532nm的激光作為激發光源，用熒光光譜儀進行探測。

2實驗結果與討論

將制作完成的NPG和SiO2@NPG樣品分別用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）進行形貌表征。圖1（a）為金銀合金薄膜去合金腐蝕1 h后得到的NPG樣品的掃描電鏡（SEM）圖，圖中顯示了NPG獨特的雙連續的納米孔道結構，經陜速傅里葉變換后得到該多孔金的孔徑約為30nm。圖1（1））為Sio2包覆20 h后得到的Sio2@NPG樣品的TEM圖，此時Sio2厚度約為5nm，且在多孔金表面以及孔道內壁的分布相對較均勻。

利用能譜儀（EDS）探測不同反應時間下SiO2@NPG樣品中硅元素和金元素相對含量的變化情況，如圖2（a）所示，隨著反應時間的延長硅元素與金元素的質量百分比的比值逐漸增加，說明隨著反應時間的延長多孔金表面包覆的二氧化硅厚度逐漸增加。隨后利用熒光光譜儀分別檢測NPG和不同厚度二氧化硅殼層的SiO2@NPG樣品本身的激光激發光譜信號，如圖2（b）所示，二氧化硅的包覆對多孔金本身的激發光譜信號有一定的影響。

為了研究包覆二氧化硅后對NPG光學特性的調制，分別在NPG和SiO2@NPG表面組裝熒光分子R6G（10^-7mol/L），所得熒光光譜如圖3（a）所示。圖3（1））為峰值在552nm處的熒光信號的絕對強度隨二氧化硅鍍膜時間的變化趨勢，可以看出二氧化硅的包覆使R6G的熒光信號得到明顯的增強，超薄的二氧化硅作為絕緣隔層對NPG表面增強熒光有顯著的增強作用。在0～1 5 h內，隨著二氧化硅厚度的增加熒光信號也逐漸增加，在15 h處熒光信號達到最強，與沒有鍍二氧化硅的NPG相比增加了約13倍，15h以后由于二氧化硅厚度過大反而使表面增強熒光減弱，二氧化硅厚度的改變對NPG增強熒光有一定的調制作用。

圖4所示為組裝上QD700的QD@NPG及QD@SiO2@NPG系統的熒光光譜信號。如圖4（a）所示，表面沒有二氧化硅的NPG（圖中Oh對應的曲線）對量子點的熒光信號幾乎沒有增強作用，NPG本身的激發光譜信號強度也非常弱。包覆SiO2殼層后量子點的熒光信號（700nm處）得到顯著的增強，同時NPG本身的激發光譜信號（570 nm）強度與沒有組裝量子點的相比也呈現大幅增強。量子點熒光增強主要源于NPG基底局域表面等離子體共振增強作用引起的表面增強熒光效應，而NPG的激發光譜信號增強主要是，處于激發態的量子點通過非輻射能量轉移的形式將部分能量轉移給NPG，增加了NPG表面等離子體激元，從而使本身的激發光譜增強。

為了進一步研究二氧化硅厚度對系統能量轉移的影響，利用Origin軟件對熒光光譜曲線分別進行高斯曲線分峰擬合，計算出570nm和700 nm兩個峰位處的光譜信號的絕對強度，同時計算出圖2（b）中基底（NPG和SiO2@NPG）的激發光譜信號強度，計算結果如表1所示。表1中570 nln和700 n/n兩峰位處分別對應QD@SiO2@NPG系統中NPG和量子點光譜信號的絕對強度，565nm表示沒有組裝量子點時SiO2@NPG的激發光譜強度。計算結果對應的折線圖如圖4（b）所示，對比570nm和565nm兩條折線可以得出，表面組裝量子點后NPG的激發光譜有明顯的增強，并且隨SiO2厚度的增加呈現出先增加后減弱的趨勢，在20 h（SiO2約5nm）時達到最強，此時相應的量子點熒光強度（700nm對應折線）卻有所減弱，說明此時能量轉移現象最強。SiO2厚度繼續增加（大于5 nm），NPG的激發光譜開始逐漸減弱，相應的量子點的熒光信號又出現明顯的增強，這是由于二氧化硅的厚度太大阻礙了供體和受體之間的能量轉移，能量轉移減弱使激發態的量子點輻射出的熒光信號強度大大增加。實驗結果得出NPG表面包覆二氧化硅不僅可以增強量子點熒光信號的強度，而且二氧化硅的厚度對QD@SiO2@NPG系統內的能量轉移現象也有調節作用。

3結論

二氧化硅包覆能有效提高NPG的熒光增強特性，提高NPG對熒光物質的檢測靈敏度，且絕緣層的添加能在一定程度上促進量子點與金屬之間的能量轉移，為基于熒光能量轉移的檢測及設計更好的熒光增強基底提供了參考。