金属纳米结构增强荧光的研究进展

当金属纳米 结构在与其 Ｌ Ｓ Ｐ Ｒ频率一 致的光 激发下 ， 会 引起 表面等 离子体振荡 ，致使 金属 表 面产生 较强 的局 域 电磁场 ，
改变 吸附于颗粒表面及周 围的荧 光团的态密 度 ， 从 而增 强荧
光强度 。
荧 光技 术因其灵敏度 高和激励方法多样 等优点 ，已被广
是价 电子与电磁波相互耦合 的结 果 ， 等离 子体 以光 或热 的形 式辐射 电磁波能量 。 调 控纳米金属材 料形 貌尺寸 、 介 质折 射 率等参量 ， Ｌ Ｓ Ｐ Ｒ可实现紫外一 近红外 波段 的吸收可调＿ 】 。
分别综 述了荧光增强研究 的最新进 展 ； 最后 ， 介绍 了荧 光增强在食 品检测 、 环境监测 、 光学成像 、 光电器件 、
荧光上转换 等领域的最新应用情况 。
关键 词 表面等离子体 ；金属纳米结构 ； 荧光增强
文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｏ Ｉ ：１ ０ ． ３ ９ ６ ４ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ ０ — ０ ５ ９ ３ （ ２ ０ １ ８ ） ０ １ — ０ １ ２ ８ — ０ ６
第３ ８ 卷， 第１ 期
２ ０ １ ８年 １月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖｏ １ ． ３ ８。 Ｎｏ ．１ 。 Ｐ Ｐ１ ２ ８ — １ ３ ３
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
中 图分 类 号 ： ０４ ３
本文 主要介绍 金属纳米结构增强荧 光的机制 、 增 强荧光
引 言
荧 光 是 一 种 光 致 发 光 的 冷 发 光 现 象 。金 属 增 强 荧 光
的各类金属纳米结 构 、以及 近几 年金属结构增 强荧光 在各个 领域 的应用 。
（ ｍｅ ｔ ａ ｌ — ｅ ｎ ｈ ａ ｎ ｃ ｅ ｄ ｆ ｌ ｕ ｏ ｒ ｅ ｓ ｃ ｅ ｎ ｃ ｅ ，ＭＥ Ｆ ） 是指具 有特 殊形 貌 、尺 寸 的金属结 构能使位于其邻近 的荧 光分子的荧光信号得 到增
表面活性 检测［ ８ ］ 等多个 领域得到重要 的应用 。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ６ — ０ ６ — ０ ６ ， 修 订 日期 ：２ ０ １ ７ — ０ １ — １ ２
级 图形象 地 描 述 了金 属 纳 米 结 构 在 增 强 荧 光 中 的重 要 作 用［ １ ， 如图 １ 所示 。当荧光 团或荧 光分子位于贵金属 表面附 近， 荧光分子 辐射速率 变为 ｒ—ｙ ｌ Ｅ（ 叫 ， ｒ ） Ｉ ＋ｋ ＋ｋ … ｋ
金属 纳米结构增强荧光 机理
金属增强荧 光来源于单个纳米金 属粒 子或纳米阵列局域
强 的现象 。贵金属纳米材料 在紫外 、可见 光范 围 内有 较宽 的
局域表面 等离子 体 （ １ ｏ ｃ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｄ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｌ ａ ｓ ｍｏ ｎ ，Ｌ Ｓ Ｐ ） 吸 收带 ，
３ １ ５ ０ １ ６
３ １ ０ ０ ０ ７
２ ０ ０ １ ３ ５
摘
要 金 属表面等离子体 （ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｌ ａ ｓ ｍｏ ｎ ） 是金属与介质 界面处传播 的电荷振荡 密度 波 。当振荡频率与激
发光频率相 匹配时将产生金属表面等离 子体共振 ， 从 而能够在 金属结 构 附近产生 强烈 的消光 和近场增 强效 应， 该效 应在表面等离子共 振成 像 、 表 面等离子体波导 、生物 传感 、光谱 增强 等方 面有着 重要 的应用前 景 。 本文综述 了金属结构的表面等离子共 振效应在增强荧 光光谱方 面 的研 究进展 。论 文首先 介绍 了金属 表面 等 离子体增 强荧 光的机理 以及影 响荧 光增 强效果 的 因素 ；其 次 ， 从 用 于荧光增 强 的各类金 属纳 米结构 的角 度
基金项 目： 浙江省 自 然科学基 金项 目（ Ｑ Ｉ ４ Ａ Ｏ ４ Ｏ Ｏ Ｏ ６ ） 和宁波市 自然科学基金项 目（ ２ ０ １ ５ Ａ ６ １ ０ ０ ８ ） 资助
金属纳米结构 与荧光分 子的作用可 以分 成两个 过程 ：一 是金 属纳米结构 Ｌ Ｓ Ｐ近场增 强效 应导 致荧 光分 子 的光吸 收 截 面大幅提高 ， 第 二个 过程 即辐 射特性 的改变 。Ｊ ａ ｂ ｌ ｏ ｎ ｓ ｋ ｉ 能
泛用 于各个 领域 。２ Ｏ世 纪 ７ Ｏ年代 Ｄｒ ｅ ｈ ａ ｇ ｅ 等ｌ １ ］ 在粗 糙 的金 属表 面包裹 稀土元素 Ｅ ｕ的化 合物 时 ， 发 现荧 光强度 增强 现 象。 １ ９ ９ ９ 年， Ｌ ａ ｋ ｏ ｗｉ ｃ ｚ 等＿ ２ ］ 通过实验研究金 属纳米结构增强
Ｊ ａ ｎ ｕ ａ ｒ ｙ，２ ０ １ ８
金 属 纳 米 结构 增 强 荧光 的研 究进 展
吴江宏Ｌ ，程培红¨ ，张 驰。 ，王 啦 ， 赵 洪 霞 ，王敬 蕊 ，丁志群 ，鲍 吉龙
１ ．宁波工程 学院电信学院 ， 浙 江 宁波
２ ． 浙 江大学 信电系 ， 浙 江 杭州
３ ．上海 出入境 检验检疫局 ， 上海
பைடு நூலகம்
表面 等 离 子 共 振 效 应 （ １ ｏ ｃ ａ ｌ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ｐ ｌ ａ ｓ ｍｏ ｎ ｒ ｅ ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｃ ｅ ，
Ｌ Ｓ Ｐ Ｒ） 。 金 属 中自由电子按其 固有频 率沿金 属表 面作协 同振 荡 ，当与一定波长 的 电磁波 作用 ，表面 自由 电子集 体振 荡 ， 产生 Ｌ Ｓ Ｐ Ｒ现 象 ，使得 亚 波长 金 属 结构 中的光 场 高 度 局域 化， 表现 出特殊 的光 、电性质ｌ ｇ ］ 。金 属纳米 粒子 对光 的吸 收
荧 光的效果 ， 用 理论 解释实验现 象 ， 奠 定 了金属 纳米结 构增 强荧光 技术研究 的基础 。随着金 属纳米 技术不 断进 步 ，基于
纳 米结 构的增强荧光 光谱技 术 目前 已在亚波 长光 子器件 ＿ ３ ］ 、 细胞 机制跟 踪［ 、生 物传 感 分析 ［ ］ 、单 分 子检 测 ＿ ７ ］ 、ＤＮＡ