基于量子点和纳米金属颗粒的荧光增强研究 - 图文

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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

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师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。

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保密□， 在 年解密后适用本授权书。

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日期： 年 月 日

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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

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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 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 field 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 effectively 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 surface 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 to 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 the 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 maximum enhancement when the length of DNA is 11.9 nm, and its fluorescence

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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 system generally effective, to meet the requirements of high sensitivity in biological detection.

Key words: Metal-enhanced fluorescence Quantum dots Metal nano-particles

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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 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

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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)

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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。

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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、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

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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 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。

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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 absorption 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率提高[7]，增加荧光团的荧光强

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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，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

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银纳米颗粒金属增强荧光的研究与报道最多 [16-21]。

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

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光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，Γ是荧光物质的辐射衰减率，Knτ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。

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（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。

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1.2.6 等离子体共振以及金属增强荧光的应用

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1×10-4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。在生物检测探针的制备中，会用到一些荧光染料，例如荧光素、罗丹明等，它们具有较高的吸光系数以及合适的荧光量子产率。在一般实验中，获得较高荧光强度的方法是直接增大荧光物质的用量。但是在利用荧光素作为荧光标记物时，大幅度增加用量不仅不会提高荧光探针的荧光强度，反而会降低它。这是由于荧光素的斯托克斯位移非常小，容易发生同种物质间的非辐射能量转移，导致自淬灭作用 [31]。在高荧光强度生物探针的制备中，荧光素的自淬灭作用限制了它的应用。但是利用金属增强荧光作用在避免荧光素自淬灭作用的同时，大幅度增加它的荧光强度，这对制备高荧光强度探针有很重要的意义 [32]。

（3）金属增强荧光作用应用于荧光共振能量转移[33]。由于生物免疫分析中常用的生物分子尺寸一般比较大，例如DNA链、蛋白质络合物、抗原抗体分子等，若使用这些生物分子时，给体-受体之间的距离超出合适的值，对于有机小分子给体-受体，难以发生荧光共振能量转移。利用金属纳米颗粒可以通过增加供体-受体对之间的极限距离使之成为可能。

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（4）金属增强荧光作用可以用于疾病检测。许多恶性疾病，例如癌症一般到了晚期才能被发现检测出来，所以如何能提高检测体系的灵敏度，在未出现病理变化之前就将其可疑特征检测出来是很关键的。利用金属纳米颗粒与荧光物质之间的荧光增强作用可以为该检测提供一条新的解决途径。Fu [13]小组利用化学还原法制备出笼状金纳米颗粒，粒径在30 nm左右，纳米颗粒的壁厚度在3 nm到5 nm之间，通过测量与计算表明，它的等离子体共振吸收峰值在800 nm以上，并且可以在该笼状金纳米颗粒中加入荧光物质纳米颗粒，实现多维的光学信号，在医学检测中用作成像以及对比材料。棒状金属纳米颗粒以及一些复合纳米颗粒都可以在连接上特异性的结合物质后，实现医学检测的目的。

金属纳米颗粒的荧光增强作用可以有效地提高荧光物质的荧光强度。在应用中，它可以有效得增加生物检测系统的信号强度，从而达到更细微的检测效果与目的。这对于金属纳米颗粒在科研中的应用以及以荧光为基础构建的检测平台都具有很大的意义。

1.3 量子点的简介

量子点一般是由重金属内核（如硒化镉、碲化镉等）和惰性硫化锌外壳以及包被有特定的不同活性分子专门的覆盖层组成，如图1.4。它许多特殊的性质使它在生物领域、化学领域、医学以及它们的一些交叉学科上有极大的应用潜力。

图1.4 量子点的结构

Fig. 1.4 The structure of QDs

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1.3.1 量子点的光学特性

量子点作为一种新型的纳米荧光材料，它与传统的荧光染料相比有着很多的优点，例如很宽的激发光谱、较窄且对称的发射光谱、荧光强度高、光稳定性强等优点。这些优点使量子点在现在的生物化学检测中得到了非常广泛的应用。它优秀的光学特性主要表现在如下的几个方面：

（1）激发光谱很宽。量子点具有很宽的激发光谱，所以可以做到利用单个的激发光光源对多种不同发射光的量子点同时激发。利用这个特点，可以把不同发射光谱的量子点分别连接上不同的靶向基团，从而分别去结合不同的靶向物质，这样就可以做到在单一的激发光下形成多种颜色的成像[34]。

（2）发射光颜色可调。对于同一组分的量子点，可以通过调节其粒径的大小，获得从蓝色到近红外一系列不同颜色的光，其波长范围几乎覆盖了整个可见光[34] 。因此，这使我们很方便地利用多种不同粒径的量子点在同一激发光的作用下产生多种光谱信号，为实现多通道的检测提供了条件 [35]。

（3）窄且对称的发射光谱。量子点具有非常窄并且对称的发射光谱，这一点可以保证在生物化学领域需要多通道检测的时候，不同的信号之间不会出现交叠的现象，从而使信号更加分明，提高了检测的灵敏度和效率 [36-39]。

（4）荧光量子产率高。由于量子点的结构中存在着多电子体系，所以它具有非常高的荧光量子产率，它在紫外可见光波段的吸收系数是普通的荧光物质的50倍

[35]

。由于这一优良的特性，当它被作用于生物体时，不会被生物体内部对光复杂的

吸收以及散射衰减很多，从而具有非常高的信噪比，为更精确的生物检测提供条件

[40-42]

。

（5）荧光发光稳定，发光寿命长。在生物检测中，对于某些应用以及反应，有

时候需要较长时间的观测与检验，这就需要量子点具有较长的发光时间 [43,44]。这一点在很多传统的荧光染料中无法实现，由于他们的发光寿命较短，例如罗丹明6G，量子点的抗光漂白能力要比它强约100倍 [36] 。传统的有机染料暴露在光源激发下数分钟就会发生明显的光漂白现象，而量子点在光源的激发下照射数小时，依然可以保持很强的光特性 [37] 。

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（6）便于与其他物质连接。量子点有非常好的表面可塑性，可以方便得对它表面修饰活性基团，例如巯基 [45,46]，羧基 [47]等等，便于与其他生物化学物质的连接。利用这个优点，可以利用量子点制备生物探针，使量子点与特定的靶向基团结合，然后将复合颗粒应用于生物体内，最终可以实现在体生物探针的作用 [48-50]。

除此之外，量子点的一些其他的生物化学特性也在引起着多方面科研工作者的关注。

1.3.2 量子点在生化实验中的应用

量子点刚刚问世的时候，由于荧光产率不高一直没有得到广泛的普及应用。随着制备技术的一步步完善，量子点的荧光量子产率得到了提高，并且人们对其基本理化性质也一步步地了解，逐渐掌握了量子点的一些应用方法与规律，之后将它应用于生物化学研究中的多个领域。

（1）生物检测中的荧光标记。量子点在生物检测中相比传统的荧光染料具有很多优点，例如具有很宽的激发波长带，这使得应用量子点时激发光的选择更加广泛，同时在多组检测的时候，可以利用同一激发光源来实现多种不同发射光的量子点同时激发 [51]；它还具有很窄并且对称的荧光发射峰，这使得量子点在生物检测中，信号之间不会发生交叠的现象[52]；它还具有很高的荧光量子产率，这使得它在生物检测中的信号强度非常强；它还具有良好的抗光漂白能力以及优秀的生物相容性[53]，这对于它应用于复杂的生物环境是一个很大的优势。

（2）量子点用于基因以及蛋白质编码[54-56]。近些年来，随着基因组学以及蛋白质组学的出现，人们需要一种新技术来筛选大量的蛋白质数据以及基因数据[57,58]。现在常用的识别DNA编码的方法是将能够识别基因片段的蛋白质酶结合在包含能够发射荧光的染料分子聚合物小球表面。当它和特定的基因片段结合后，这些含有荧光染料的小球在激发光的作用下会发荧光，从而识别基因片段。但是由于原有的荧光染料的荧光光谱较宽，因而在使用的时候很容易发生交叠，无法对很多不同的蛋白质酶进行标记编码。由于量子点的发射光谱由其粒径来确定，在发射荧光的时

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候只需要同一个激发光源的作用，而且量子点的荧光光谱非常窄，很少发生光谱交叠的情况，所以量子点就可以很好得解决这个问题 [59,60]。

（3）量子点应用于电极修饰。化学修饰电极一般指的是通过共价结合、表面吸附等化学修饰的手段将功能性的物质引入电极表面固定，以便提高该电极用在生物检测领域时的灵敏度和信噪比，高选择性地进行反应 [61]。量子点由于具有优秀的表面效应、尺寸效应以及介电限域效应，并且具有导电性以及完整的表面结构，所以是一种良好的电极修饰材料 [62,63]。利用这一原理，很多人对量子点进行了研究，例如有些研究者采用了溶胶凝胶法制备了由聚乙烯吡咯烷酮（PVP）修饰的CdSe/ZnS量子点，并用它来修饰电极，研究血红蛋白的电化学性质，获得了良好的效果 [64]。

1.4 课题思路和主要工作

由于量子点具有优秀的光学性质，使得它在生物检测中得到非常广泛的应用，近些年来基于量子点所制备的生物探针在分析以及检测的领域中得到了广泛的应用。然而在实际应用中，有些需要通过量子点探针检测的生物信号非常弱，时常会被噪声所覆盖。此时就需要进一步地提高作为待检测物的量子点探针的荧光强度，因为探针的荧光强度作为生物检测中的信号指标，最后直接关系到整个检测平台的信号强弱以及信噪比的大小。在一定的激发波长下，量子点的荧光强度只和激发光的强度有关系，在生物检测中，大幅度地增大激发光强度会对生物体造成较大的损伤，在临床应用中会有很大的局限性。贵金属纳米颗粒由于其良好的稳定性、较低的生物毒性以及良好的光学性质，是作用于生物体内良好的材料之一，用它作为探针的时候一般不会对生物体造成损伤，在临床的应用中也有较大的前景。同时当金属纳米颗粒与量子点颗粒之间的距离在一定范围之内时，会对量子点的荧光产生增强的作用，使量子点探针所产生的信号得到显著的提升。所以，将这二者结合在一起的复合探针非常适合于解决基于量子点的生物检测体系中所存在的信号强度弱的问题，理论上这二者结合的复合探针不仅仅保留了原有生物探针中生物相容性好的优点，而且还会大幅度地提高该生物检测体系的信号强度，应用的前景非常广泛。基于此，本论文尝试将贵金属纳米颗粒与量子点荧光探针相结合，在液相溶液中以

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及基底表面分别制备基于量子点和金属纳米颗粒的复合荧光探针，同时检测它的荧光增强的效果。主要开展以下几个方面的研究工作：

（1）利用金纳米颗粒作为增强量子点荧光的材料，利用包被在金纳米颗粒表面的二氧化硅壳层的厚度来调节金纳米颗粒和量子点之间的距离，通过静电吸附或化学偶联来连接金纳米颗粒和量子点来制备复合纳米颗粒，使量子点的荧光增强效应达到最大。基于此建立一种能提高该检测体系信号强度的方法。

（2）利用银纳米颗粒作为增强量子点荧光的材料，将它固定于玻璃基底的表面，并利用银纳米颗粒与量子点之间的一对互补的DNA单链来调节它们之间的距离，通过化学偶联以及DNA的互补杂交来连接银纳米颗粒和量子点来制备基于玻璃基底表面的增强量子点荧光的检测平台，通过改变不同的DNA长度来使量子点的荧光增强效应达到最大。

（3）利用银纳米颗粒作为增强量子点荧光的材料，利用包被在银纳米颗粒表面的二氧化硅壳层的厚度来调节银纳米颗粒和量子点之间的距离，通过静电吸附或化学偶联来连接银纳米颗粒和量子点来制备复合纳米颗粒，使量子点的荧光增强达效应到最大。基于此建立一种能提高该检测体系信号强度的方法。

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2 基于金纳米颗粒的金属增强量子点荧光的分析

2.1 引言

量子点是一种新型的纳米荧光材料，具有很多传统荧光染料无法比拟的优点，在很多领域得到了广泛的应用。它的荧光强度直接关系到其应用，因此增强量子点的荧光将有可能提高检测的灵敏度。金纳米颗粒也是人们研究的一个热门材料，因其具有良好的生物相容性。

近期的一些研究发现，金属纳米颗粒可以通过金属增强荧光效应增强量子点的荧光[3-6]，从而可以提高基于量子点的检测系统的信号强度和信噪比。之前的一些研究已经证实了影响该效应的主要因素是量子点与金属纳米颗粒之间的距离 [7,65]。一些科研工作者开始研究基于基底表面的金属增强量子点荧光效应，但是实际应用中生物检测多在溶液中进行，因此在溶液中基于量子点金属增强荧光的研究非常重要。到目前为止，在溶液中基于量子点的金属增强荧光的研究相对较少 [66-70]。

Au纳米颗粒TEOS+氨水CdSe/Zns量子点二氧化硅巯基乙酸钠APTESNH2+COOH静电吸附或EDC偶联

图 2.1 制备复合颗粒的原理图

Fig 2.1 The principium of the preparation of complex nano-particles

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本章将利用金纳米颗粒来增强量子点的荧光。同时将利用二氧化硅作为隔层，通过调整二氧化硅的厚度来控制纳米颗粒之间的距离，然后在二氧化硅的表面修饰氨基，再将它与表面带有羧基的量子点反应，形成一种可以回收的，具有荧光增强作用的复合颗粒。实验的原理图如图2.1所示。

2.2 实验部分

2.2.1 原料与仪器

醋酸锌（Zn(Ac)2）、醋酸镉（Cd(Ac)2）、硒粉（Se）购自Acros Organics公司。十六胺（HDA）、对（三甲基硅烷基）硫（(TMS)2S）、三辛基氧膦（TOPO）、三辛基膦（TOP）、巯基乙酸钠、1-乙基-3-(3-二甲胺基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、三氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）购自Sigma-Aldrich公司。氯金酸、柠檬酸三钠、正硅酸四乙酯（TEOS）购自国药集团化学试剂有限公司。其它化学试剂均为分析纯。

实验中的荧光检测装置是荧光分光光度计（LS-55，PerkinElmer，USA），在室温下使用。吸收光谱由紫外可见分光光度计（UV-2550，Shimadzu，Japan）在室温下测得。Au纳米颗粒、QDs等的粒径以及zeta电位是由纳米粒度仪（ZS90，Malvern，UK）根据动态光散射（DLS）原理在25 oC下测得。实验中用到的超纯水由Milli-Q system（Millipore，USA）制得。 2.2.2 金纳米颗粒的制备

首先合成一定尺寸、一定浓度的金纳米颗粒作为Au Seed溶液，在后续的实验中作为原料。将50 mL，1 mM的四氯金酸溶液，倒入到一个100 mL的圆底烧瓶中，在油浴锅中加热至沸腾并且剧烈搅拌，快速地加入5 mL，38.8 mM的柠檬酸钠溶液，继续加热15分钟，冷凝回流。反应结束之后，将溶液冷却至室温，放入锥形瓶中保存，取少量测量其紫外-可见吸收光谱和粒径分布。

将125 mL，0.296 mM的四氯金酸溶液倒入到一个200 mL的圆底烧瓶中，在油浴锅中加热煮沸并剧烈搅拌。向反应体系中加入1.125 mL的上一步合成的Au Seed溶液和0.56 mL，38.8 mM的柠檬酸钠溶液，继续加热30分钟。再向反应体系中加

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入5 mL，38.8 mM的柠檬酸钠溶液，继续加热60分钟，冷凝回流。反应结束之后，将溶液冷却至室温，放入锥形瓶中保存，取少量测量其紫外-可见吸收光谱、粒径分布和Zeta电位。

2.2.3 二氧化硅包被金纳米颗粒

取15 mL上一步合成的金纳米颗粒，放入到一个100 mL的圆底烧瓶中，向其中加入50 mL的异丙醇，室温下充分搅拌直至混合均匀。向反应体系中加入1.25 mL氨水。在接下来6个小时内，将3 mL，100 mM TEOS的异丙醇溶液分6次等量地加入到反应体系中，间隔相同的时间，以确保生成的Au@SiO2的粒径较为均匀 [66] 。继续搅拌18个小时，使之充分反应。反应完成后，将溶液放入锥形瓶中保存，取少量测量其紫外-可见吸收光谱、粒径分布和Zeta电位。进行表征的样品需要通过14000 rpm的离心作用并将纳米颗粒重新分散到水溶液中。 2.2.4 二氧化硅表面修饰氨基

取20 mL的Au@SiO2纳米颗粒溶液，倒入一个50 mL的圆底烧瓶，剧烈搅拌。向其中加入200 μL APTES，室温下反应12小时。反应结束后，向其中缓慢地滴加1:10稀释后的盐酸直至溶液的pH值到5左右。再将样品在14000 rpm的转速下离心10分钟，倒掉上清液，用少量水溶解沉淀，重复离心和溶解的步骤三遍。最后一遍离心得到的沉淀用3 mL的水溶解，取少量测量其紫外-可见吸收光谱、粒径分布和Zeta电位。

2.2.5 水溶性量子点的合成

要合成水溶性的CdSe/ZnS量子点，首先需要制备油溶性的量子点。根据已有的文献 [42] 作为参考，以Cd(Ac)2、Zn(Ac)2、(TMS)2S及Se粉做为原料，TOPO作为分散剂，采用先制备量子点的CdSe内核再进一步包被ZnS外壳的方法来制备核壳式的油溶性的CdSe/ZnS量子点，分散于氯仿中。

取2 mL油溶性CdSe/ZnS量子点，分别放入两支7 mL的离心管中，向其中各加入5 mL的甲醇，充分震荡直至混合均匀，在7000 rpm的转速下离心5分钟，倒

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掉上清液，重复离心3遍，将多余的杂质去除干净，最后一遍离心得到的沉淀用1 mL的氯仿溶解。将两支离心管内纯化后的CdSe/ZnS量子点合并在一起，倒入一只10 mL的离心管中，向该离心管内加入0.5 g的巯基乙酸钠粉末，用锡纸包住，放入摇床，高速振荡12小时。

将样品取出，向其中加入2 mL的水和500 μL的NaOH（20%, w/w）的水溶液，充分震荡，直至混合均匀。将此样品静置20分钟，溶液分为3层。将上层的样品等量放入4支7 mL的离心管；中层的样品等量放入6支1.5 mL的离心管；下层的样品丢弃。将十支离心管都分别加入过量丙酮，在9000 rpm的转速下离心5分钟。倒掉上清液，将沉淀用少量水溶解，再加入过量丙酮进行离心，离心分离重复5遍。最后取2 mL水，将10支离心管中的沉淀溶解并合并。此时溶液应该是澄清透明并且无浑浊的，如果不是，继续用丙酮离心分离。最后将该样品在4 ℃的冰箱中保存，取少量稀释30倍测量其荧光光谱、紫外-可见吸收光谱、粒径分布和Zeta电位。表征完毕之后，根据Peng小组 [41] 报道的公式，以及测量结果，计算出量子点的浓度。 2.2.6 金纳米颗粒对量子点的淬灭实验

取3支7 mL的离心管，各加入水溶性的CdSe/ZnS量子点1 mL。在第一个离心管内加入2 mL异丙醇；在第二个离心管内加入0.2 mL金纳米颗粒溶液和1.8 mL异丙醇；在第三个离心管内加入1 mL的Au@SiO2纳米颗粒溶液和1 mL异丙醇。充分振荡直至充分混匀，最后利用荧光分光光度计测量这三组样品的荧光光谱。 2.2.7 量子点与Au@SiO2纳米颗粒的连接

将3 mL含有表面氨基化的Au@SiO2颗粒的水溶液倒入一个25 mL的圆底烧瓶，剧烈搅拌。向溶液中加入经过1:10稀释的氨水溶液，直至溶液的pH值到6.5-7.0。再向溶液中加入150 μL，0.2 M的PBS缓冲液以稳定pH值。接着向溶液中加入100 μL的水溶性的CdSe/ZnS量子点以及含有3×10-5 g EDC的水溶液。在室温下继续反应30分钟。反应结束后，将溶液在14000 rpm的转速下离心10分钟，上清液倒入另外一支离心管，合并上清液；将离心分离后的沉淀用少量水溶解，继续重复离心3遍，确保多余的杂质被去除干净，最后一遍的沉淀用3 mL的水溶解。利用荧光分光

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光度测量其荧光光谱。

2.3 结果与讨论

2.3.1 金纳米颗粒的表征

先测量利用Seeded-Growth法制备的金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱。金纳米颗粒的溶液会对可见光有一定程度的吸收，在确定量子点发射光谱峰值所对应波长的时候，可以根据金纳米颗粒溶液的吸收光谱来判断最后样品自吸收作用的强弱。金纳米颗粒溶液如果在量子点荧光峰值所对应的波长有较强吸收，最后样品中金纳米颗粒会吸收一部分量子点的荧光，所得实验结果就不够准确，即使金纳米颗粒对量子点的荧光有增强作用，它的荧光仍然会被溶液吸收一部分，影响检测效果；反之，金纳米颗粒如果在该波长点没有吸收或者吸收非常弱，量子点发出的绝大多数荧光能够被检测到，此时评价金纳米颗粒对量子点的荧光增强作用较为精准。

3.02.5Absorbance2.01.51.00.50.0400450500550600650700

图2.2 Au seed溶液的紫外-可见吸收光谱

Fig 2.2 The UV-Vis absorption spectra of Au seed solution

Wavelength(nm)图2.2和图2.3分别是通过Seeded-Growth法合成金纳米颗粒的过程中，Au Seed溶液和金纳米颗粒溶液的紫外-可见吸收光谱。从图中可以看到，它们的吸收光谱峰值都在530 nm到540 nm之间，在大于550 nm的波长范围，样品的吸收强度均随着波长的增加明显下降，而当波长增加到575 nm左右时，样品的吸收强度非常小。实验中用到的量子点发射荧光在590 nm左右 [42]，所以当金纳米颗粒和量子点混合时，

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不会由于自吸收作用影响量子点的荧光强度，这是进行后续实验的前提。

1.501.25Absorbance1.000.750.500.250.00400450500550600650700

图 2.3 Seeded-Growth法合成的金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱

Fig 2.3 The UV-Vis absorption spectra of Au nano-particles through Seeded-Growth method

Wavelength(nm)另外，还可以通过金纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱来评价该纳米颗粒的形状规则程度。已有研究指出[71]，球形的金纳米颗粒的吸收光谱峰值所对应的波长一般在520 nm到550 nm之间，通过改变金纳米颗粒的长宽比，使之变成椭圆、棒状的金纳米颗粒时，可以增大吸收光谱峰值所对应的波长，棒状金纳米颗粒的吸收光峰值所对应的波长有时可以到达650 nm以上。从图2.2和图2.3可以看出，样品吸收光谱的峰值所对应的波长都是位于530 nm到540 nm之间，所以可以推测合成的Au seed溶液以及金纳米颗粒溶液中粒子的形状都是规则的球形。

图2.4 Au seed溶液的粒径分布图

Fig 2.4 The particles size distribution of Au seed solution

图2.4和图2.5分别是通过Seeded-Growth法合成金纳米颗粒的过程中，Au seed溶液和金纳米颗粒溶液的粒径分布图。从图中可以看出，Au seed溶液中金纳米颗粒的粒径在8 nm左右，而通过Seeded-Growth法合成的金纳米颗粒的粒径在25 nm左

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右。所以可以看出，反应中金纳米颗粒的粒径有一个明显增加的过程，也正如这种方法本身的含义，新合成的金纳米颗粒被“种”在了原先合成的、作为“种子”的金纳米颗粒的外层。并且通过粒径分布的比较，可以看出最后合成的金纳米颗粒的粒径具有较高的均一性。

图 2.5 Seeded-Growth法合成的金纳米颗粒的粒径分布图

Fig 2.5 The particles size distribution of Au nano-particles through Seeded-Growth method

图 2.6 Seeded-Growth法合成的金纳米颗粒的Zeta电位图

Fig 2.6 The Zeta potentials of Au nano-particles through Seeded-Growth method

由于后续实验需要对金纳米颗粒进行包被二氧化硅修饰，所以先对它的Zeta电位进行表征，作为后续实验的对比。图2.6是通过Seeded-Growth法合成的金纳米颗粒的Zeta电位图。从图中可以看出，它的Zeta电位主要集中在-40 mV到-50 mV之间，带负电是因为柠檬酸钠的作用。另外可以观察到该金纳米颗粒的Zeta电位很强，通过表面电荷的作用可以在水溶液中保持稳定。有研究表明[68]，当一个纳米颗粒溶液Zeta电位的绝对值大于25 mV时，该纳米颗粒可以在水溶液中稳定地保存。另外，还可以观察到该溶液的Zeta电位分布不是非常集中，可能跟它本身的合成方法有一定关系，所以在后续实验中用二氧化硅包被它，可以弥补这一缺点。

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2.3.2 Au@SiO2及其表面氨基化的表征

为了使金纳米颗粒与量子点连接并相隔一定距离，我们在金纳米颗粒表面上包被了二氧化硅及对包被的二氧化硅表面进行了氨基化修饰。

0.240.22 Au@SiO2 Au@SiO2-NH2Absorbance0.200.180.160.140.12400450500550600650700Wavelength(nm)

图 2.7 Au@SiO2纳米颗粒（实线）和APTES修饰的Au@SiO2纳米颗粒（虚线）的紫外-可见

吸收光谱

Fig 2.7 The UV-Vis absorption spectra of Au@SiO2 (solid line) and Au@SiO2 nano-particles

modified by APTES (dotted line)

图2.7是Au@SiO2纳米颗粒和用APTES处理后的Au@SiO2纳米颗粒的紫外-可见吸收光谱图。从图中可以看到，包被二氧化硅和表面氨基化修饰都没有改变金纳米颗粒吸收峰值的波长。所以，Au@SiO2纳米颗粒以及APTES处理后的样品都不会对量子点的荧光强度有影响。

图 2.8 Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位图 Fig 2.8 The Zeta potentials of Au@SiO2

从Zeta电位上可以直接看出包被二氧化硅和表面氨基化修饰的效果，因为表面

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基团的修饰会直接影响到纳米颗粒的Zeta电位。图2.8是Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位图；图2.9是利用APTES对Au@SiO2处理之后的样品的Zeta电位图。从图中可以看出，经过了包被二氧化硅处理之后，样品的表面的Zeta电位是负的，大约在-50 mV左右，峰形状发生了改变可以证明金纳米颗粒表面包被了一层二氧化硅，因为未经修饰的二氧化硅在水溶液中的Zeta电位是负的。再对比图2.8和图2.6可以看出，经过了表面包被二氧化硅的处理，Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位均一性得到了提高，基本上都是在-50 mV左右，而不像金纳米颗粒的Zeta电位较分散，所以表面包被二氧化硅的过程改良了金纳米颗粒在水溶液中的分散性。从图2.9中可以看到经过APTES的修饰处理后，Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位为+50 mV，对比图2.8可以发现，修饰后纳米颗粒的Zeta电位发生了很大的变化。APTES可以使Au@SiO2纳米颗粒的外表面带有了氨基，而表面带有氨基的纳米颗粒在水溶液中的Zeta电位是正的。另外，还可以观察到，修饰有氨基的Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位集中度很高，说明经APTES修饰后，纳米颗粒表面基团分布较均匀。

图 2.9 APTES修饰的Au@SiO2纳米颗粒的Zeta电位图

Fig 2.9 The Zeta potentials of Au@SiO2 nano-particles modified by APTES

图2.10是APTES修饰之后的Au@SiO2纳米颗粒的粒径分布图。从图中可以看出，纳米颗粒的粒径集中在45 nm左右，并且集中度很高。对比图2.5可以看出包被二氧化硅外壳之前，金纳米颗粒的粒径集中在25 nm左右，所以可以计算出，在经过了包被二氧化硅以及表面氨基修饰之后，纳米颗粒的粒径增加了20 nm左右，二氧化硅壳的厚度为10 nm左右。

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图 2.10 APTES修饰的Au@SiO2纳米颗粒的粒径分布图

Fig 2.10 The particles size distribution of Au@SiO2 nano-particles modified by APTES

2.3.3 水溶性量子点的表征

对我们合成的水溶性量子点分别进行了荧光光谱，紫外-可见吸收光谱，Zeta电位，粒径分布四个方面的表征。

180Fluorescence Intensity(a.u.)1501209060300500550600650700

图 2.12 水溶性CdSe/ZnS量子点的荧光光谱图

Fig 2.12 The fluorescence emission spectra of water-soluble CdSe/ZnS QDs

Wavelength(nm)0.150.120.090.060.030.00Absorbance500550600650700

图 2.13 水溶性CdSe/ZnS量子点的紫外-可见吸收光谱图

Fig 2.13 The UV-Vis absorption spectra of water-soluble CdSe/ZnS QDs

Wavelength(nm) 24

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对水溶性CdSe/ZnS量子点进行了一系列的表征，如图2.12至图2.15，依次是水溶性CdSe/ZnS量子点的荧光光谱，紫外-可见吸收光谱， Zeta电位和粒径分布图。首先在图2.12中可以看出，在激发光作用下，量子点的荧光集中在590 nm左右，并且其单色性、荧光强度都有较高的水平；在图2.13中可以发现量子点在570 nm以下都具有很强的吸收，具有很宽的激发波长带；在图2.14中可以观察到CdSe/ZnS量子点的Zeta电位主要集中在-60 mV，由于通过巯基乙酸钠的作用，CdSe/ZnS量子点的表面带有羧基，通过它表面的羧基用EDC化学偶联或静电吸附将量子点与氨基化的Au@SiO2纳米颗粒结合；在图2.15中可以观察到，量子点的粒径主要集中在5 nm到7 nm之间，比Au@SiO2的粒径要小很多，所以通过连接得到的复合颗粒应该是图2.1所示的结构。

图 2.14 水溶性CdSe/ZnS量子点的Zeta电位图

Fig 2.14 The Zeta potentials of water-soluble CdSe/ZnS QDs

图 2.15 水溶性CdSe/ZnS量子点的粒径分布图

Fig 2.15 The particles size distribution of water-soluble CdSe/ZnS QDs

2.3.4 样品对量子点的淬灭实验

在将修饰有氨基的Au@SiO2纳米颗粒与量子点连接之前，需要先插入一个实验

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来验证合成的纳米颗粒是否对量子点有淬灭作用，同时也验证上一步根据吸收光谱来所得的结论，即所用的金纳米颗粒以及Au@SiO2纳米颗粒对量子点的荧光强度的影响很小。

Fluorescence Intensity(a.u.)8006004002000 CdTe CdTe+Au CdTe+Au@SiO2450500550600650Wavelength(nm)

图2.11 CdSe量子点（实线），CdSe量子点和金纳米颗粒的混合溶液（虚线），CdSe量子点和

包被有二氧化硅的金纳米颗粒的混合溶液（点线）的荧光光谱图

Fig 2.11 The fluorescence emission spectra of CdSe QDs（solid line），the mixed solution of CdSe QDs and Au nano-particles(dotted line), the mixed solution of CdSe QDs and Au nano-particles which

wraped by silica(dots)

图2.11是验证金纳米颗粒和Au@SiO2纳米颗粒对量子点淬灭作用的实验结果。从图中可以看到，金纳米颗粒和Au@SiO2纳米颗粒都对量子点的荧光没有明显的减弱作用。所以与量子点连接所用的Au@SiO2纳米颗粒不会对量子点的荧光产生淬灭作用。

2.3.5 金纳米颗粒与量子点连接的表征

首先需要研究一下有多少量子点连接到了Au@SiO2纳米颗粒的表面。可以通过测量经离心分离之后得到的上清液的荧光光谱来计算，同时对比与反应前等量的量子点在相同体积溶剂中的荧光强度。如图2.14，图中虚线是将100 μL的量子点定容至3 mL所得到的溶液的荧光光谱图，实线是将Au@SiO2纳米颗粒与量子点连接后，通过离心分离得到的上清液的荧光光谱图。从图中可以观察到，离心分离后溶液的

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荧光峰值强度要远远低于等量的QDs溶解于等体积水的荧光强度。所以通过离心分离的作用后，只有很少量的QDs留在了上清液中，大部分的QDs已经连接在Au@SiO2纳米颗粒的表面。比较两者峰值的大小，离心后溶液峰值的强度仅有反应前等量量子点峰值的1/12，所以可以推断92%的量子点都连接在Au@SiO2纳米颗粒的表面。

Fluorescence Intensity(a.u.)180160140120100806040200500550600 Supernatant QDs650700Wavelength(nm)

图 2.16 反应前等量的QDs的溶液（虚线）和离心分离之后的上清液（实线）的荧光光谱图 Fig 2.16 The fluorescence emission spectra of QDs solution with the same amount of reaction(dotted

line) and supernatant after centrifuging（solid line）

在对反应效率进行评价之后，接下来对复合颗粒金属增强荧光的效果进行评价。将通过离心分离之后的沉淀重新溶解于水，测量其荧光，观察其在590 nm的峰值强度，再将它与等量的量子点的荧光强度做对比。对比部分可以利用图2.14中所得到的数据，用量子点的荧光峰值强度减去离心分离后上清液的荧光强度，该数值就是等量量子点的实际的荧光强度。

图2.17中的实线是Au@SiO2纳米颗粒与水溶性的CdSe/ZnS量子点结合后，所得样品的荧光光谱图；虚线和图2.12一样，是与反应等量量子点的荧光光谱；图中的点线是与反应等量量子点的荧光强度的0.92倍，由于之前分析得出有92%的量子点连接到了Au@SiO2纳米颗粒的表面，所以用它做对照。从图2.17中可以看到，样品在590 nm处依旧有很强的发射峰，所以可以确定与Au@SiO2纳米颗粒的结合没有改变量子点发射峰值所对应的波长。进一步地对比图2.17中的实线与虚线可以发现，通过与Au@SiO2纳米颗粒的结合，复合颗粒的荧光强度大大地增强了，对比图

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