荧光增强因子与荧光素/金纳米棒的摩尔浓度比的关系
表面增强荧光可能是提高荧光检测灵敏度的有效途径, 在生物传感器、生物荧光影像等生物医学工程领域有潜在的应用前景. 过去, 主要使用固态的粗糙金属表面或具有纳米结构的超薄光滑金属表面为表面增强荧光的金属基质. 例如, 由半径为20 nm的银椭球形胶体纳米颗粒形成的银岛薄膜.
最近, 基于金属纳米颗粒溶胶的表面增强荧光研究方兴未艾. 理论上, 当荧光发色团不直接吸附于纳米颗粒表面, 而距纳米颗粒有一定的临界距离时, 金属表面的等离共振激元通过跨空间作用显著增强其荧光. 这个临界距离为3~5nm. 金属纳米颗粒的独特优点就是其表面等离共振激元性质可由纳米颗粒的形貌、尺寸和组成等调控, 并且纳米颗粒表面可修饰生物兼容性的功能化基团. 这些纳米颗粒表面增强荧光效应的研究大多数均基于各向同性的球形纳米颗粒; 只有少数研究关注各向异性纳米颗粒的表面增强荧光, 例如, 纳米星和纳米棒. 再者, 各向异性的金属纳米颗粒可表面增强更宽的荧光光谱范围. 例如, 各向同性的球形纳米颗粒只在510nm处有一个表面等离激元共振吸收峰; 各向异性的金纳米棒有两个等离共振激元吸收峰, 即在510 nm处的横模和在620 nm处的纵模, 并且通过改变金纳米棒的纵横比可调控其等离共振激元横模和纵模的频率.
为了达到金属纳米基质表面增强荧光的距离要求, 实验设计时往往在金纳米棒表面包裹结构致密的绝缘层. Bardhan等人在长46 nm, 宽13 nm的金纳米棒表面包裹一层5~11nm的血清蛋白, 发现该金纳米棒增强了其表面的近红外荧光发色团的荧光9倍, 其中血清蛋白用于锚定近红外荧光发色基团和填充金纳米棒与荧光发色基团之间的空间. 带正电的聚烯丙基胺盐酸盐(PAH)和带负电的聚苯乙烯磺酸钠(PSS)可通过静电作用逐层交替沉积形成聚合物多层结构. 相对于单层血清蛋白, 聚合物多层的结构可能更致密.
东南大学学习科学研究中心邓慧华等人合成了表面包裹聚合物自组装多层的金纳米棒, 纵横比为2~2.5. 发现未修饰聚合物层的金纳米棒对荧光素有明显的猝灭效应, 并随着加入金纳米棒的浓度增大, 猝灭程度越大. 表面包裹聚合物自组装多层后, 金纳米棒增强了吸附于其聚合物表面的荧光素分子的荧光强度; 随聚合物层数增加, 荧光增强效应增大. 修饰3层聚合物的金纳米棒的荧光增强因子可达102级.