基于纳米多孔金的荧光增强基底的制备方法与流程

本发明涉及一种基于纳米多孔金的荧光增强基底的制备方法，属于荧光材料技术领域。

背景技术：

荧光技术作为一种重要的现代光谱技术，因其灵敏度高和方法多样等优点，已广泛用于各种分析表征过程。然而，在实际过程中，由于样品的特殊性，荧光技术已有的灵敏度仍然不能满足所有的测定需要。因此，希望能够进一步提高荧光检测的灵敏度，使其应用范围更加扩大。

纳米多孔金是一类具有特殊结构的贵金属金的纳米多孔结构材料，近年来由于其特殊的结构性能及其贵金属特性在很多领域得到了广泛的应用。纳米多孔金的结构是由处于纳米尺度的金空隙及韧带组成，具有贵金属金材料的基本特性，同时又具有多孔结构金属的特殊性质。相对于其他致密的金属材料，纳米多孔金是一种纳米结构化的宏观材料，其结构特征是内部具有大量连通的纳米空隙，其韧带和空隙的微观尺寸均处于纳米尺度，正是这些结构特点赋予了这种结构很多特性，如比重小，比表面积大特点。纳米多孔金作为一种薄膜材料，不仅具有贵金属及多孔材料的特性，同时还具有粗糙表面的金属特性,它具有与其他纳米材料一样的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应，与宏观量子效应等，使这类材料在磁、光、电等方面具有特殊的性能。

传统的纳米多孔金一般是直接作为表面荧光增强基底或表面增强拉曼散射的基底，在表面荧光增强的应用中，由于金属会导致荧光淬灭以及荧光是一种跨空间效应，使得没有修饰的纳米多孔金作为荧光增强基底受到很多限制。目前的解决办法是采用湿法在其表面生长制备二氧化硅等物质或通过在其表面包覆血清蛋白来控制荧光探针分子与基底之间的距离，实现荧光增强。然而，这些方法存在的一个弊端是制备方法复杂，需要通过复杂步骤才能完成，过程繁琐而很难精确控制隔离距离，同时又及其容易破坏多孔金的结构和薄膜材料本身。因此，需要有一种新的制备方法，能够在制备多孔金的过程中不会过多地破坏多孔金的结构的性能，同时还能够采用简单快捷的方法在其表面精确快速的包覆不同厚度的二氧化硅薄膜，以满足不同条件下的应用，扩大应用范围。

技术实现要素：

为解决现有的荧光增强基底的制备方法复杂、增强能力不足等缺点，扩大荧光检测的应用领域，本发明提供了一种新型的能够大幅度荧光增强基底及其制备方法和应用。

这种新型的基底的制备方法快速而简单，采用100nm厚的金银合金Ag₆₅Au₃₅(金银的成分比例是35％和65％)作为模板，采用化学蚀刻的去合金的方法制备纳米多孔金薄膜，利用硝酸去除合金中的银元素，剩下的金原子发生重排和聚集，形成多孔金薄膜。然后利用物理气相沉积的方法在多孔金薄膜的表面沉寂一层不同厚度的二氧化硅薄膜，作为空间层，从而实现荧光增强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明提供一种基于纳米多孔金的荧光增强基底的制备方法，其包括如下步骤：

将金银合金薄膜置于浓硝酸中进行腐蚀，得到前驱体一；

将所述前驱体一置于纯水中进行多次漂洗，得到前驱体二；

在所述前驱体二的表面利用物理气相沉积法沉积出二氧化硅薄膜，得到所述荧光增强基底。

作为优选方案，所述金银合金薄膜的厚度为100nm。

作为优选方案，所述金银合金薄膜中，金元素和银元素的含量分别为65％和35％。

作为优选方案，所述浓硝酸的质量分数不低于65％。

作为优选方案，所述纯水为去离子水或者超纯水。

作为优选方案，所述物理气相沉积法的技术参数为温度200℃，压强7*10^-4Pa，蒸发速率0.3nm/s，束流190mA，无离子源辅助，无充氧量。

采用100nm厚的金银合金Ag₆₅Au₃₅作为原材料，将这种合金薄膜在浓硝酸中进行化学腐蚀。由于银比金活泼，因此利用浓硝酸可与银反应同时与金不发生反应的原理(化学方程式1)，利用去合金的方法将金银合金中的银元素腐蚀去除，从而剩下的金原子发生重排和聚集，就形成了这种连续贯通的纳米多孔结构，其中，重排和聚集的时间越长，形成的孔的尺寸就会越大，即所谓的反应时间越长，孔径越大(图6)。然后，利用物理气相沉积的方法，在制备完成的多孔金表面沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，作为空间层来满足荧光跨空间效应，实现表面荧光增强。

Ag+2HNO₃(浓)＝AgNO₃+NO₂↑+H₂O (1)

荧光是跨空间效应，同时金属会导致荧光淬灭，因此，当荧光分子与金属基底之间距离很小的时候，会极大地导致荧光淬灭；当荧光分子与金属基底表面的距离在5～20nm的时候，金属表面的等离子体共振荧光增强会大于金属表面的荧光淬灭，实现荧光增强。但是，目前为止，大多是采用湿法在基地表面生长材料作为空间层来控制距离或者通过吸附血清蛋白来控制距离实现荧光增强，这些方法均无法精确控制距离的数值，也无法知道距离为多少的时候，荧光增强的幅度最大。对此，本发明了提供了一种新的方法，通过物理气相沉积的方法，在制备好的多孔金薄膜表面沉积一层不同厚度的二氧化硅，作为空间层，来控制荧光分子已金属基底之间的距离。这种方法最大的有点在于操作过程简单快捷，易于控制，而且沉积的二氧化硅的厚度能够精确的控制，可以精确到1nm，于是就可以通过控制沉积的二氧化硅的厚度，找到荧光增强最大的厚度，利用这一优势可以扩大荧光检测的应用范围。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、通过在不同孔径的多孔金薄膜上沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，大大提高了荧光增强倍数，相对于合金薄膜，沉积了二氧化硅的多孔金基底的荧光增强倍数可以达到230倍(荧光分子为R6G)和160倍(荧光物质为藻红蛋白)。

2、通过在不同孔径的纳米多孔金上沉积不用厚度的二氧化硅，可以实现对材料表面等离子体共振波长的调节(图7)；

3、这种基底材料可以实现对不同荧光物质的荧光增强，且对于不同的荧光物质，最佳增强对应的多孔金孔径和表面的二氧化硅厚度不同，拓宽了应用领域。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1去合金反应时间为24小时时，多孔金的SEM图，孔径为45nm；

图2孔径为42nm、表面沉积10nm厚的二氧化硅的多孔金薄膜SEM图；

图3孔径为42nm、表面沉积10nm厚的二氧化硅的多孔金薄膜TEM图；

图4多孔金孔径大小随去合金时间变化的关系曲线图；

图5表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金的消光光谱图；

图6为Ag₆₅Au₃₅合金薄膜以及表面沉积不同厚度二氧化硅的基底上组装R6G分子的荧光测量结果；

图7为表面沉积了不同厚度二氧化硅的多孔径基底相对于没有沉积二氧化硅的bare多孔径基底上组装R6G分子的荧光提高倍数。

由图中提高倍数可以看出来，相对于没有沉积二氧化硅的多孔金，表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金基底表面组装的R6G分子的荧光强度有明显的提高，其中二氧化硅厚度为20nm时，提高的倍数最大，为25倍。

图8为Ag₆₅Au₃₅合金薄膜以及表面沉积不同厚度二氧化硅的基底上组装藻红蛋白(R-PE)分子的荧光测量结果。

图a为Ag₆₅Au₃₅合金薄膜、未沉积二氧化硅的多孔金以及表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金基底表面组装藻红蛋白(R-PE)分子的荧光强度最大的孔径基底的荧光光谱。

图b为Ag₆₅Au₃₅合金薄膜、未沉积二氧化硅的多孔金以及表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金基底表面组装藻红蛋白(R-PE)分子的荧光强度的柱状图。

图9为表面沉积了不同厚度二氧化硅的多孔径基底相对于没有沉积二氧化硅的bare多孔径基底上组装藻红蛋白(R-PE)分子的荧光提高倍数；

由图中提高倍数可以看出来，相对于没有沉积二氧化硅的多孔金，表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金基底表面组装的藻红蛋白(R-PE)的荧光强度有明显的提高，其中二氧化硅厚度为15nm时，提高的倍数最大，为20倍。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀24h；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法在制备好的多孔金表面沉积5nm厚的二氧化硅。

合金薄膜在去合金反应时间为24小时时，形成的多孔金的表面形貌如图所示，孔径为45nm。

实施例2

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀至孔径为42nm；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法在制备好的多孔金表面沉积10nm厚的二氧化硅，二氧化硅的厚度为10nm。

孔径为42nm、表面沉积10nm厚的二氧化硅的多孔金薄膜的SEM图和TEM图分别如图2和图3所示，多孔金表面沉积的二氧化硅厚度比较均匀，且实际沉积的厚度与理论值相吻合，误差很小。

实施例3

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法在制备好的不同孔径的多孔金表面沉积不同厚度的二氧化硅，二氧化硅的厚度为15nm。

实施例4

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法在制备好的不同孔径的多孔金表面沉积不同厚度的二氧化硅，二氧化硅的厚度分别为20nm。

实施例5

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法在制备好的不同孔径的多孔金表面沉积不同厚度的二氧化硅，二氧化硅的厚度分别为25nm。

多孔金孔径大小随去合金时间变化的关系曲线如图4所示，反应的时间越长，去合金反应进行的越充分，残余的银越少，金成分的自由组装时间越长，所形成的多孔结构的尺度越大，即反应时间越长，孔径越大。

对比例1

1)将100nm厚Ag₆₅Au₃₅的合金薄膜置于65％的浓硝酸中进行腐蚀；

2)将腐蚀得到的多孔金薄膜置于纯水中多次漂洗，不进行二氧化硅沉积。

性能检测试验

分别取实施例3和对比例1得到的薄膜进行消光实验，结果如图5所示，图5a和图5b分别为对比例1和实施例3的消光实验。

取相同面积的实施例1～5以及对比例1制备的薄膜，分别浸没在浓度为10^-6M的R6G水溶液中，浸泡2小时，进行化学吸附，在其表面组装R6G分子后，取出，在去离子水中快速清洗，洗掉表面物理吸附的分子，然后晾干；利用功率为1mw的532nm的激光作为激发光，测量不同样品的荧光光谱；比较表面沉积了不同厚度二氧化硅的不同孔径的多孔金相对于合金薄膜的荧光增强倍数。

合金薄膜和表面沉积不同厚度二氧化硅在组装了R6G分子后，荧光强度最大的样品对应的荧光光谱如图6a所示，图7为相对于合金薄膜，沉积不同厚度下的最大荧光强度对应孔径的多孔金基底的荧光强度的提高情况；合金薄膜和表面沉积不同厚度二氧化硅在组装了R6G分子后，合金薄膜和不同孔径不同厚度的基底的荧光峰值强度的柱状图如图6b所示。

换另外一种荧光物质藻红蛋白(R-PE)，重复上面的步骤，其中R-PE的浓度为0.04mg/ml，浸泡时间为12小时，其他步骤均相同。

合金薄膜和表面沉积不同厚度二氧化硅在组装了R-PE分子后，荧光强度最大的样品对应的荧光光谱如图8a所示，合金薄膜和表面沉积不同厚度二氧化硅在组装了R6G分子后，合金薄膜和不同孔径不同厚度的基底的荧光峰值强度的柱状图如图8b所示。图9为相对于合金薄膜，沉积不同厚度下的最大荧光强度对应孔径的多孔金基底的荧光强度的提高情况，由图中提高倍数可以看出来，相对于没有沉积二氧化硅的多孔金，表面沉积不同厚度二氧化硅的多孔金基底表面组装的藻红蛋白(R-PE)的荧光强度有明显的提高，其中二氧化硅厚度为15nm时，提高的倍数最大，为20倍。

实施例6

1)将100nm厚Ag₇₅Au₂₅的合金薄膜置于60％的浓硝酸中进行腐蚀，分别腐蚀8s，15s，30s，5min；

2)将反应了不同时间的薄膜去除，置于纯水中进行多次漂洗；

3)利用物理气相沉积的方法，在不同孔径的多孔金表面沉积不同厚度的二氧化硅薄膜，完成荧光增强基底的制备。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。