CN103286312A

CN103286312A - 一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒及其制备方法

Info

Publication number: CN103286312A
Application number: CN201310165126XA
Authority: CN
Inventors: 刘勇; 武培怡
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-05-08
Filing date: 2013-05-08
Publication date: 2013-09-11

Abstract

本发明属于纳米材料制备领域。本发明提供了一种以球形银纳米粒子为共增强荧光和表面增强拉曼的基底，通过将银纳米粒子置于具有良好的表面增强拉曼活性的金纳米粒子壳层的内部，同时将荧光染料分子置于两者之间，调节银纳米粒子与染料分子和金纳米粒子之间的距离来达到在核壳结构里共增强荧光和表面增强拉曼的方法。通过Stober方法改变相应的实验参数在银纳米粒子表面包覆不同厚度的二氧化硅来达到调节银纳米粒子和染料分子及金纳米粒子之间的距离，制备的多层核壳微球的荧光和表面增强拉曼信号进一步增强，水溶性好，性质均一、稳定，在生物成像，安全检测及催化等领域具有潜在的应用前景。本方法中原料来源广泛，且制备方法简单易操作，易于批量化、规模化生产，具有良好的工业化生产基础和广阔的应用前景。

Description

一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒及其制备方法

技术领域

本发明属于纳米材料制备技术领域，通过Stober方法在银纳米粒子表面包覆不同厚度的二氧化硅来调节荧光染料和具有表面增强拉曼活性的金纳米粒子与其之间的距离，得到具有表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒。

背景技术

近年来，等离子纳米结构广泛应用于太阳能电池，光催化，基于光谱的免疫检测和数据存储方面，当局域表面等离子和入射光产生共振时，等离子纳米结构的电场得到极大的增强，同时增大了纳米结构表面的分子和光的相互作用，从而产生表面增强荧光及表面增强拉曼。表面增强荧光可以增强光的稳定性，强度，减少光“眨眼”现象。表面增强拉曼具有很高的灵敏性，对样品无损及水的干扰小等优点，它们在化学及生物样品的快速灵敏检测，分子成像，细胞，组织及动物水平上的疾病检测得到了广泛的应用。目前，在荧光及表面增强拉曼方面常用的等离子纳米粒子是金和银，这主要是由于它们在可见及近红外区域有很强的增强作用。虽然单个胶体纳米粒子在许多领域显示出潜在的应用。但是单个粒子表面的电磁场弱，因此在应用过程中存在灵敏度低的问题。聚集的纳米粒子由于在粒子之间的间隙处（热点）电磁场浓缩，在此处荧光尤其是拉曼信号强度呈指数形式增加，聚集纳米结构因此在金属增强荧光和金属增强拉曼方面成为研究热点。也正基于此，各种纳米制造技术如：湿法化学还原，电迁移，平板印刷及气相沉积法得到很大的发展，并形成了各种聚集结构，比如：金银纳米聚集，金银复合基板，金银二聚体和三聚体，规则阵列等来调控表面增强荧光及表面增强拉曼检测来实现单分子检测。尽管在“热点”处电场得到极大的增强，如果一种光学元素能与聚集纳米粒子的等离子耦合的话，在不需要精确调控纳米间隙的距离及使用复杂及昂贵的技术来制造新颖纳米结构时，聚集结构处的热点近场相互作用会得到进一步增大。从而通过另一种手段来实现增强荧光及表面增强拉曼。Tao等使用胶体光子晶体的光学属性耦合金属粒子的表面等离子从而有效的增强荧光(The Journal of Physical Chemistry C，2011，115，20053-20060)。Gleb M. Akselrod 等报道了有机染料DCM在临界耦合共振器上荧光增强了20倍(ACS Nano，2011，6，467-471)，这是由于耦合共振器吸收了所有的入射光，由表面聚集体反射的光和底部镜面反射的光产生相消性干扰形成的。银/4-巯基吡啶/银膜三明治基底等也用来形成局域及等离子共增强拉曼光谱(Chemical Communications , 2011，47，3784-3786)。

上述方法基于平面干涉及表面共增强荧光或者拉曼散射，但是由于其基底尺寸较大(微米级)，从而在实际应用中得到了很大限制，因此我们提出了一种在几百纳米的核壳结构中实现金属共增强荧光及表面增强拉曼的方法，主要是通过将几十纳米的球形银纳米粒子埋在聚集的具有表面增强拉曼活性的金纳米壳内部，同时将荧光素置于银和金之间，通过调节它们之间的距离来实现金属共增强荧光及表面增强拉曼散射。通过控制实验时间和各组分之间的配比等实验条件，可以得到具有核壳结构的荧光和表面增强拉曼共增强的的复合微粒。这种方法由于原料来源广泛，而且能够简单地控制反应条件实现对微粒结构形貌及荧光和表面增强拉曼的调控，因此在生物检测和成像上有着潜在的应用前景。

发明内容

本发明提供了一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒及其制备方法。

本发明的表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒，其特征在于将银纳米粒子置于具有良好的表面增强拉曼活性的金纳米粒子壳层的内部，同时将荧光染料分子置于两者之间，通过调节包裹银纳米粒子的二氧化硅层厚度来调节银纳米粒子与染料分子以及和金纳米粒子之间的距离来达到在核壳结构里共增强荧光和表面增强拉曼，其中银纳米粒子与染料分子之间的距离为3~26 nm，银纳米粒子与金纳米粒子之间的距离为16~34 nm。

本发明提供的表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备方法，其具体方案如下：

(1) 将2.5 g聚乙烯吡咯烷酮溶解在200 mL乙二醇中，加入0.5 g硝酸银，然后在100~150 ^oC下回流1 h，随后降至室温，倒入1 L丙酮中沉淀，离心得到银纳米粒子；

(2) 将步骤(1)得到的0.2 g银纳米粒子分散于160 mL乙醇，40 mL水和2 mL氨水溶液中，超声处理1~2 h，搅拌条件下加入18~100 μL正硅酸乙酯，再在室温条件下反应6 h后离心，乙醇和水洗三遍后分散在100 mL乙醇中，其中加入的18 μL正硅酸乙酯对应于3 nm的二氧化硅层，100 μL正硅酸乙酯对应于15 nm的二氧化硅层；

(3) 将8 mg 的异硫氰酸荧光素和15 μL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到5 mL的乙醇中，氮气气氛保护下室温反应24小时后，加入到步骤(2)得到的包覆不同厚度二氧化硅的银纳米微球中，然后加入25 mL水和1.25 mL氨水溶液中，超声1~2 h后加入18 μL正硅酸乙酯，室温条件下均匀搅拌6~10 h后离心，得沉淀产物；

(4) 重复步骤(2)过程，将步骤(3)得到的沉淀产物代替步骤(2)中的银纳米粒子，从而在包覆有荧光染料分子的二氧化硅层外再次包覆不同厚度的二氧化硅用于调节金纳米粒子的和银纳米之间的距离；

(5) 将300~500μL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到步骤4所制得的复合纳米粒子的乙醇溶液中(10 mL，1 mg/mL)，回流反应6~12 h，离心水洗四次后加入到2 mL的0.1 M NaOH溶液和10 mL的6.35 mM的HAuCl₄的混合溶液中，升温至96 ^oC后反应0.5 h后离心水洗四次；

(6) 将200 mL的K₂CO₃水溶液(280 mg/L)和3.8 mL的25 mM HAuCl₄混合，静置12~24 h后制得钾-金溶液，将步骤(5)制得的纳米粒子加入到28~50 mL的钾-金溶液中，加入1.3~5 mL的0.0053 M的NaBH₄溶液，离心水洗四次后得固体沉淀；

(7) 将10 mg的步骤(6)得到的固体沉淀加入到10 mL的1wt% 的3-氨基丙基三甲氧基硅烷和10 mL含有1 mM拉曼探针分子的乙醇溶液中，超声分散后静置12～24 h，离心得到固体纳米粒子，然后将得到的产物加入到10 mL的水，40 mL的乙醇和1 mL的氨水混合溶液中，加入0.05 g的正硅酸乙酯，在0 ^oC下超声反应1 h后离心，无水乙醇洗四次得到尺寸为400~500 nm的微球。

上述的制备表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的方法，所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量为Mw=15000~40000。

上述的制备表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的方法，所述的银纳米粒子为尺寸为40～70nm的球形纳米粒子。

上述的制备表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的方法，所述拉曼探针分子为对氨基苯硫酚。

上述的制备表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的方法，所制备的复合微粒为通过银纳米粒子来共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构特征。

本发明所制备的表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒，产率可达50%，经过透射电子显微镜(HRTEM)，荧光共聚焦显微镜和激光共聚焦拉曼光谱仪表征，结果表明所制备的多层核壳结构的复合微粒具有良好的分散性，颗粒大小为400~500 nm，相对于不含银核的参比样品，荧光共聚焦显微镜下的复合微粒荧光得到增强，同时表面增强拉曼表征结果表明探针分子的拉曼强度增加了~10²倍。

本发明提供了一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备方法，该方法方便，可控，原料来源广泛等优点。所制得的多层核壳结构的复合微粒具有良好的水溶液分散性，优良的荧光和表面增强拉曼性能，可应用于荧光和拉曼共标记，环境检测等方面。

附图说明

图1为本发明的表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备过程图。

图2为表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的透射电镜照片。

图3为在488 nm波长的激发下的荧光共聚焦显微镜成像。其中A为表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒，B为不含银核的参比样品。

图4为表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒(A)和参比样品(B)的表面增强拉曼图谱（拉曼探针分子浓度为1×10^-5M）。

具体实施方式

实施例1.一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备

(1) 将2.5 g 聚乙烯吡咯烷酮溶解在200 mL乙二醇中，加入0.5 g硝酸银，然后在100~150 ^oC下回流1 h，随后降至室温，倒入1 L丙酮中沉淀，离心得到银纳米粒子；

(2) 将步骤(1)得到的0.2 g银纳米粒子分散于160 mL乙醇，40 mL水和2 mL氨水溶液中，超声处理1~2 h，搅拌条件下加入18~100 μL正硅酸乙酯，再在室温条件下反应6 h后离心，乙醇和水洗三遍后分散在100 mL乙醇中,其中加入的18 μL正硅酸乙酯对应于3 nm的硅层，100μL正硅酸乙酯对应于15 nm的硅层；

(3) 将8 mg 的异硫氰酸荧光素和15 μL 的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到5 mL的乙醇中，氮气气氛保护下室温反应24小时后，加入到步骤(2)得到的包覆不同厚度二氧化硅的银纳米微球中，然后加入25 mL 水和1.25 mL氨水溶液中，超声1~2 h后加入18 μL正硅酸乙酯，室温条件下均匀搅拌6~10 h后离心，得沉淀产物；

(5) 将300~500μL 的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到步骤4所制得的复合纳米粒子的乙醇溶液中(10 mL，1 mg/mL)，回流反应6~12 h，离心水洗四次后加入到2 mL的0.1 M NaOH溶液和10 mL的6.35 mM 的HAuCl₄的混合溶液中，升温至96 ^oC后反应0.5 h后离心水洗四次；

(6) 将200 mL 的K₂CO₃水溶液(280 mg /L)和3.8 mL的25 mM HAuCl₄混合，静置12~24 h后制得钾-金溶液，将步骤(5)制得的纳米粒子加入到28~50 mL的钾-金溶液中，加入1.3~5 mL的0.0053 M的NaBH₄溶液，离心水洗四次后得固体沉淀；

(7) 将10 mg的步骤(6)得到的固体沉淀加入到10 mL的1wt%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷和10 mL含有1 mM 拉曼探针分子的乙醇溶液中，超声分散后静置12～24 h，离心得到固体纳米粒子，然后将得到的产物加入到10 mL的水，40 mL的乙醇和1 mL的氨水混合溶液中，加入0.05 g的正硅酸乙酯，在0 ^oC下超声反应1 h后离心，无水乙醇洗四次得到尺寸为400 nm的微球。

实施例2.表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备

将实施例1中“2.5 g聚乙烯吡咯烷酮”改为“4 g聚乙烯吡咯烷酮”，制备的其它条件同实施例1，得到类似于实施例1的产物。

实施例3. 表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备.

将实施例1中“氮气气氛保护下室温反应24小时“改为“氮气气氛保护下室温反应12小时”，制备的其它条件同实施例1，得到类似于实施例1的产物。

实施例4. 表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备.

将实施例1中“升温至96 ^oC”改为“升温至80 ^oC”，制备的其它条件同实施例1，得到类似于实施例1的产物。

实施例5. 表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备.

将实施例1中“含有 1 mM 拉曼探针分子的乙醇溶液中”改为“含有 0.1 mM 拉曼探针分子的乙醇溶液中”，制备的其它条件同实施例1，得到类似于实施例1的产物。

Claims

1.一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒，其特征在于将银纳米粒子置于具有良好的表面增强拉曼活性的金纳米粒子壳层的内部，同时将荧光染料分子置于两者之间，通过调节包裹银纳米粒子的二氧化硅层厚度来调节银纳米粒子与染料分子以及和金纳米粒子之间的距离来达到在核壳结构里共增强荧光和表面增强拉曼，其中银纳米粒子与染料分子之间的距离为3~26 nm，银纳米粒子与金纳米粒子之间的距离为16~34 nm。

2.一种表面共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构的复合微粒的制备方法，其特征在于具体步骤为：

（1）将2.5 g 聚乙烯吡咯烷酮溶解在200 mL乙二醇中，加入0.5 g硝酸银，然后在100~150 ^oC下回流1 h，随后降至室温，倒入1 L丙酮中沉淀，离心得到银纳米粒子；

（2）将步骤(1)得到的0.2 g银纳米粒子分散于160 mL乙醇，40 mL水和2 mL氨水溶液中，超声处理1~2 h，搅拌条件下加入18~100 μL正硅酸乙酯，再在室温条件下反应6 h后离心，乙醇和水洗三遍后分散在100 mL乙醇中，其中加入的18 μL正硅酸乙酯对应于3 nm的二氧化硅层，100μL正硅酸乙酯对应于15 nm的二氧化硅层；

（3）将8 mg的异硫氰酸荧光素和15 μL的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到5 mL的乙醇中，氮气气氛保护下室温反应24小时后，加入到步骤(2)得到的包覆不同厚度二氧化硅的银纳米微球中，然后加入25 mL水和1.25 mL氨水溶液中，超声1~2 h后加入18 μL正硅酸乙酯，室温条件下均匀搅拌6~10 h后离心，得沉淀产物；

（4）重复步骤(2)过程，将步骤(3)得到的沉淀产物代替步骤(2)中的银纳米粒子，从而在包覆有荧光染料分子的二氧化硅层外再次包覆不同厚度的二氧化硅用于调节金纳米粒子的和银纳米之间的距离；

（5）将300~500μL 的3-氨基丙基三甲氧基硅烷加入到步骤4所制得的1 mg/mL复合纳米粒子的10 mL乙醇溶液中，回流反应6~12 h，离心水洗四次后加入到2 mL的0.1 M NaOH溶液和10 mL的6.35 mM 的HAuCl₄的混合溶液中，升温至96 ^oC 后反应0.5 h后离心水洗四次；

（6）将200 mL 的280 mg /L K₂CO₃水溶液和3.8 mL的25 mM HAuCl₄混合，静置12~24 h后制得钾-金溶液，将步骤(5)制得的纳米粒子加入到28~50 mL的钾-金溶液中，加入1.3~5 mL的0.0053 M的NaBH₄溶液，离心水洗四次后得固体沉淀；

（7）将10 mg的步骤(6)得到的固体沉淀加入到10 mL的1wt%的3-氨基丙基三甲氧基硅烷和10 mL含有1 mM 拉曼探针分子的乙醇溶液中，超声分散后静置12～24 h，离心得到固体纳米粒子，然后将得到的产物加入到10 mL的水，40 mL的乙醇和1 mL的氨水混合溶液中，加入0.05 g的正硅酸乙酯，在0 ^oC下超声反应1 h后离心，无水乙醇洗四次得到尺寸为400 nm的微球。

3.根据权利要求2所述的复合微粒的制备方法，其特征在于所述的聚乙烯吡咯烷酮的分子量为Mw=15000~40000。

4.根据权利要求2所述的复合微粒的制备方法，其特征在于所述的银纳米粒子为40~70 nm的球形纳米粒子。

5.根据权利要求2所述的复合微粒的制备方法，其特征在于所述的拉曼探针分子为对氨基苯硫酚。

6.根据权利要求2所述的复合微粒的制备方法，其特征在于所制备的复合微粒为通过银纳米粒子来实现共增强荧光及表面增强拉曼的多层核壳结构特征。