金属纳米颗粒是比较常见的结构, 随着纳米科学的发展, 人们可以合成各种不同形状和尺寸的纳米颗粒, 目前报道的颗粒类型主要有: (1)纳米棒^[14], Khatua等^[15]制备了宽25 nm, 长39~60 nm金纳米棒, 其中25 nm× 47 nm的结构在633 nm的光源激发下可以使结晶紫荧光增强最大值达到110倍。 (2)纳米球, 王静静等^[16]制备了纳米银球, 在0.4%的全血溶液中加入0.9 mL银胶后, 荧光强度增强5.3倍。 Khan等^[17]将纳米球和荧光材料混合后, 荧光强度明显增强。 (3)其他形状的纳米结构, Khan等^[17]通过改变PH, 合成正方体, 六面体等多种金属纳米结构, 且不同形状的纳米结构可以实现不同波段的荧光增强。

Core/shell结构具有很高的水溶性, 在近些年的研究中得到广泛应用。 Core/shell是指在纳米球核表面包裹一层纳米量级的球壳或者颗粒, 常见的结构有: (1)金属球核表面包裹介电球壳, 如Ag@Si O2[18], Au@Si O2[19], 将荧光分子掺杂在介电球壳内, 控制球壳厚度调节金属与荧光团的距离。 Zhang等^[20]研究发现Ag球核约为60 nm、 SiO₂层厚度为25 nm时可获得最强的荧光增强; (2)介电核表面包裹金属球壳, 如NaYF₄:Yb, Er @SiO₂@Au^[21], Fuji等用理论计算了不同厚度Au包裹下该复合结构的辐射衰减率、 非辐射衰减率、 局域电场增强因子, 发现在Au厚度为7.5 nm时, 局域电磁场增强因子最大, 荧光增强效果最好。

在玻璃、 石英等衬底上生长薄膜, 控制薄膜厚度实现荧光增强最优化。 尹永琦^[22]在Si衬底上生长ZnO纳米棒再沉积Ag薄膜, 发现Ag薄膜生长时间为10 min的结构使得R6G荧光增强47倍。 Saboktakin等^[23]利用电子束蒸发在玻璃基底上生长Au薄膜, 在薄膜上刻蚀出2 mm的周期性纳米小孔, 将荧光纳米颗粒NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺组装在小孔内。 当Au薄膜厚30 nm, 孔径为110 nm时荧光强度增强35倍。

周期性金属光栅也是一种常见的增强荧光结构。 Lu等^[24]在200 nm的银膜上生长10 nm的金薄膜后, 刻蚀出宽410 nm、 深20 nm、 周期为830 nm的光栅结构。 在光栅表面生长Si₃N₄隔离层抑制金属表面的发光猝灭, 最后生长NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺荧光层。 当NaYF₄颗粒直径为30 nm时, NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺在绿光、 红光波段的荧光强度分别增强16倍和39倍。

荧光光谱法具有检测成本低、 仪器设备轻便、 样品处理简单、 通用性好、 不需要设计专门的探针以及灵敏度高等优点, 被广泛应用在各类食品的检测中^{[25, 26, 27, 28]}。 同时, 该方法要求被检测的分子体系必须有较高的光子发射率, 而大部分荧光材料的量子产率低、 荧光寿命长。 金属纳米结构的LSPR可以改变分子辐射、 非辐射衰减, 因此可以在荧光分子体系中引入金属纳米结构, 从而获得荧光量子产率的提高和荧光辐射速率的提升^[19]。

赵进辉等^[29]将纳米银粒子(AgNPs)和乳化剂(OP-10), 添加到土霉素(OTE)与铕粒子(Eu)生成的配合物中, 形成AgNPs+OP-10+OTE+Eu体系(1), 体系(1)中Eu³⁺的荧光特征峰比OTE+Eu体系增强8倍, 加入鸭肉提取物后建立了OTE浓度与617 nm处荧光峰面积之间的线性回归方程, 实现鸭肉中OTE残留量的快速测定。 该小组^[30]也用类似方法, 通过AgNPs增强荧光强度, 实现鸡蛋蛋清中土霉素含量的测量。 Hu等^[31]利用纳米Au颗粒实现赭曲霉毒素检测, 赭曲霉毒素对Au颗粒在液体中的分散特性有很大影响, 导致纳米Au的LSPR波长发生红移或者蓝移, 改变体系的荧光光强。 Li等^[32]采用类似的办法实现了对牛奶中三聚氰胺的检测。

有机物和重金属是水体污染的两个重要方面^[33], 会对摄入者产生巨大的危害^[34], 必须通过检测手段防止生物摄入超标准的水源。 Praveeen等^[7]以复合纳米粒子Gd₂O₃:Eu@MPA为供体, 金纳米粒子(AuNR)为受体, 形成复合纳米结构(Gd₂O₃:Eu@AuNR), 并将三硝基甲苯(TNT)修饰在复合纳米粒子表面。 在水溶液中测得整个体系的荧光强度与TNT浓度有关, 浓度值为40 nmol· L^-1时荧光强度增强4倍, 这是因为TNT破坏AuNR-LnNP体系的能量共振转移效应, TNT浓度小于11.88 nmol· L^-1体系输出的荧光强度与浓度呈良好的线性。 Cheng等^[19]在六角介孔硅胶中装入Au和Ag纳米颗粒, 形成复合纳米材料HMS-Ag(Au), 再用罗丹明衍生物(R)将HMS-Ag(Au)纳米结构官能化, 形成尺寸大约为300 nm的HMS-Ag(Au)-R复合纳米结构。 如图3, 该结构的相对荧光强度与Hg²⁺浓度呈线性关系, 且纳米Ag(Au)浓度为2%Wt时, 获得最强的增强效果, 分别可现实荧光强度增强4.58倍和2.93倍, 由于纳米Ag和Au的等离子体共振波长的不同, 导致相似结构获得不同的增强效果; 在一定范围内EF与Hg²⁺浓度呈良好的线性关系, 从而实现Hg²⁺浓度的测量。

图3

Fig.3

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	图3 相对荧光强度与Hg2+浓度关系曲线[19]Fig.3 Relative fluorescence intensity as afunction of concentration of Hg2+

生物成像主要有X射线成像^[35]、 核磁共振成像^[36]、 生物光学成像^[37]、 放射性核素成像^[38]、 生物组织质谱成像^[39]、 荧光成像^[40]等。 荧光成像因具有高灵敏度、 高选择性、 所得信息丰富等优点成为迅速发展的成像技术之一。 贵金属由于具备较好的生物相容性、 无毒性^[41], 以及存在表面等离子体共振增强荧光强度现象, 而被广泛应用于生物成像领域。

Au NPs的理化性质与细胞膜的生物学效应密切相关, Wang等^[42]解释了Au NPs进入细胞内的两种途径: 受体介导细胞摄粒作用和吞噬细胞内化作用。 Liu等^[43]用胰蛋白酶修饰金纳米簇, 用半胱胺修饰金纳米颗粒, 设计了基于肝素介导的两种结构能量转移的荧光传感器, 如图4(a)所示。 胰-金结构带负电, 胺-金结构带正电, 库伦引力确保两种结构能发生荧光共振能量转移。 加入带负电的肝素, 使纳米粒子聚集, SPR吸收峰红移; 并且拉开了两种结构的距离, 使量子效率显著增加, 增强荧光强度。 在图4(b)中, 将叶酸固定在胰蛋白酶— 金纳米簇表面, 改善纳米簇的特异性和亲和性, 将形成的FA-try-AuNCs结构注入荷瘤小鼠体内, 如图5所示。 图5(b)和(c)表明: 正常裸鼠注入FA-try-AuNCs结构5 min后荧光强度达到最强, 肿瘤裸鼠在注入30 min后荧光强度达到最强。 图5(a)和(c)表明FA-try-AuNCs结构可以在裸鼠体内扩散, 随着AuNCs浓度减小, 荧光增强效果减弱; 12 h后荧光几乎消失, 可能是因为FA-try-AuNCs结构自身的降解以及被裸鼠代谢。 该结构可以实现特异性活体荧光成像^[43]。 Chandirasekar等^[44]将AuNCs吸附在荧光素表面, 通过被动扩散进入细胞体内, 实现生物成像应用。 AuNCs浓度为100 μ L· mL^-1时荧光增强效果最好, AuNCs浓度超过100 μ L· mL^-1, 荧光增强效果不再随浓度增加而增强。

图4

Fig.4

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	图4 (a) 基于表面等离子体共振能量转移的肝素选择性检测示意图[43]; (b) 叶酸修饰胰蛋白酶-金纳米簇用于体内肿瘤成像示意图[43]Fig.4 (a) Schematic illustration for selective detection of heparin based on surface plasmon enhanced energy transfer between cyst-Au NPs and try-AuNCs[43]; (b): Schematic illustration for the application of folic acid modified try-AuNCs for in vivo cancer imaging[43]

图5

Fig.5

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图5 基于近红外的荧光成像系统的海拉细胞株荷瘤裸鼠和正常裸鼠的活体肿瘤成像[43] (a): 荧光探针FA-try-AuNCs原位注射入荷瘤小鼠瘤内; (b): 皮下注射正常裸鼠左前肢区; (c): 皮下注射荷瘤小鼠的左前肢区; 红圈和绿圈表示肿瘤和注射区域Fig.5 In vivo time-denpendence tumor imaging of Hela tumor-bearing nude mice and normal nude mice by the NIR fluorescence imaging system (a): The FA-try-AuNCs fluorescence probe was intratumorally injected into the tumor-bearing mice; (b): The left forelimb region of the normal nude mice; (c): Tumor-bearing mice; The red cyde and green cycle indicate the tumor site and infection site respectively

李曜均等^[45]在玻片上先沉积纳米Ag颗粒, 再通过控制转速沉积不同厚度的CdS量子点, 设计了CdS照明器件。 将玻片与9个395 nm的激发光源组装, 得到发光效果不同的器件, 如图6。 对比图6(a)和(b), 纳米Ag颗粒对量子点有明显的荧光增强效果; 并且, 随着量子点厚度增加, 荧光增强效果更明显, 且发射波长红移, 这主要是因为荧光增强效果受到Ag颗粒与量子点距离的影响。 He等^[46]将纳米Ag薄膜运用在有机光电器件中, 并在薄膜厚度为4 nm时, 发现器件荧光强度最强。

图6

Fig.6

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	图6 不同器件的发光效果[44]Fig.6 Photoluminescence of different device

频率转换一直是光学领域的研究热点, 随着NaYF₄和NaGdF₄等上转换材料的出现, 使得荧光上转换技术成为近年的研究热点。 由于荧光上转换效率低, 难以发展应用, 近些年诸多学者从理论和实验两方面证实了贵金属纳米材料增强荧光上转换现象^{[47, 48]}。 Luu等^[49]将NaYF₄:Tm:Yb纳米粒子嵌入甲基丙烯酸甲酯并生长在金纳米柱表面, 在近红外光源激发下, 产生可见光波段的荧光。 Lee等^[50]设计了金属纳米盘— 绝缘层— 金属薄膜(MIM)带隙等离子激元结构, 如图7所示, 在石英基底上生长厚为200 nm的银薄膜, 再生长厚度为60 nm的SiO₂层, 并嵌入NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺纳米颗粒作为荧光上转换层, 银纳米盘厚度为30 nm, 顶层厚度为60 nm, 表面嵌入四甲基庚二酮纳米材料作为荧光下转换层。 在石英基底上直接生长荧光上转换层作为参考, 用波长为970 nm激发, 发现MIM结构的荧光光谱在539和659 nm处比参考样品分别增强174和115倍。 荧光增强主要是因为: (1) 银薄膜增强反射光, 使得上转换层的吸收增强; (2)能量传递速率增加; (3)纳米银盘的表面等离子体共振增强NaYF₄:Yb³⁺, Er³⁺纳米颗粒中电子的跃迁。 Feng等^[51]采用金纳米棒增强荧光上转换纳米颗粒NaYF₄:Yb, Er的上转换效率, 金纳米棒层的厚度为8 nm时, 荧光增强因子达到最大值10.6。 此外, 金属球壳结构增强NaYF₄上转换效率也有报道^[52]。

图7

Fig.7

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	图7 带隙等离子激元结构[50]Fig.7 Schematics of surface plasmon gap mode stuucture