专利名称：使用被涂覆金属的电介质纳米颗粒增强发射的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用被涂覆金属的电介质纳米颗粒增强发射。
背景技术：
荧光染料被用于在生物显像和生物传感器应用中进行荧光标记。染料中的光子吸收产生了通常相对入射光子频率呈现红移的荧光带。被吸收的光子和被发射的光子之间的能量差对应于由于非辐射过程而引起的能量损失。C.Oubre和P.Nordlander在Journal of Physical Chemistry B，108，17740(2004)中已经提出了用于拉曼光谱中场增强的含有染料的被涂覆金属的球体。
发明内容
根据本发明，可以提高使用被涂覆金属的电介质球体或其他被涂覆金属的电介质形状体的荧光染料或量子点(quantum dot)的效率。荧光染料或量子点可以被嵌入适当尺寸的电介质体中，该电介质体一半的表面通常用金属涂层覆盖，以允许增大吸收和发射效率。或者，可以利用适当的化学处理将荧光染料或量子点附着到被涂覆金属的电介质形状体。
图1示出了根据本发明的实施例。
图2示出了根据本发明的总辐射功率比与频率的关系。
图3示出了根据本发明的总辐射功率比与频率的关系。
图4A～图4B示出了根据本发明的光化学分析序列的步骤。
图5示出了根据本发明的实施例。
具体实施例方式
图1示出了根据本发明的实施例。电介质纳米球体150通常被掺杂了荧光染料或量子点，并且被示出为纳米球体150的大约一半的表面被金属涂层145(一般是金或银)覆盖。根据本发明的纳米球体150的典型直径通常是在从大约0.01μm到大约5.0μm的范围内。电介质纳米球体150可以是非球形的纳米颗粒，例如椭圆形或其他适合的形状。
图2示出了计算出的被涂覆金属的电介质纳米球体内部的单个偶极子的总辐射功率(TRP)比与频率(THz)的关系。TRP比示出了被涂覆金属的电介质纳米球体的TRP与空气中的单个偶极子的TRP的比。折射率为1.5的电介质纳米球体150可以完全或者有一半被金属涂敷并且置于空气中。荧光染料或量子点掺杂接近于电介质球体150的中心处的单个偶极子135。时域有限差分法(FDTD)被用于进行图2～图3中的曲线所表示的计算。
在图2中，曲线210和215分别对应于金属涂层145厚度为10nm和5.5nm并且覆盖电介质纳米球体150的整个表面的直径大约为25nm的电介质纳米球体150。对于曲线210和215，TRP比的最大值分别是大约749THz处的433和大约650THz处的222。在图2中，曲线220和225分别对应于金属涂层145厚度为20nm和11nm并且覆盖电介质纳米球体150的半个表面的电介质纳米球体150。对于曲线220和225，TRP比的最大值分别是大约634THz处的197和大约545THz处的156。
对于曲线210、215、220和225，金属涂层145是银涂层。金属涂层145作为反射器，并建立谐振腔，以使得在谐振时TRP比为最大值。如曲线210和220所示，增加金属涂层的厚度改善了反射特性，从而提高TRP比，同时提高谐振频率。但是，对于在完全涂覆金属的电介质纳米球体150上的厚度大于大约20nm的厚金属涂层145，金属涂层145中的损耗常常会变得很显著并且TRP比降低。虽然上述曲线210、215、220和225是针对球体计算的，但是对于其他几何形状，例如部分或全部涂覆金属的立方体或圆柱体，会发生类似的TRP比的提高。
图3示出了被涂覆金属的电介质纳米球体内部的单个偶极子的总辐射功率(TRP)比与频率(THz)的关系。折射率为1.5的电介质纳米球体150的一半被涂覆金属并且置于空气中。染料或量子点掺杂接近于电介质球体150的中心处的单个偶极子135。
在图3中，曲线310、315和320分别对应于直径大约19nm、25nm和38nm的具有厚度大约10nm的银金属涂层145的电介质纳米球体150。对于曲线310、315和320，TRP比的最大值分别为在大约650THz处的250、625THz处的200和600THz处的90。在保持金属涂层145的厚度恒定的同时，谐振频率和TRP比随电介质纳米球体150的直径的增大而降低。期望的是谐振频率将随纳米球体150的直径的增大而降低。对于平坦的金属平面顶部的偶极子而言，对于给定频率，TRP比的提高系数仅大约为2，其取决于金属平面与偶极子相分离的距离。因此，增大纳米球体150的直径减少了TRP比的提高，因为增大直径实际上增大了金属涂层145的平直度。从图2和图3中，可以断定可以通过改变金属涂层145的厚度来改变谐振频率。
纳米球体150的直径和金属涂层145的厚度相应地按比例缩放的计算指示谐振频率大致相同。考虑图2和图3中所示出的特性，可以预期到这个结果，图2和图3示出了当只增大纳米球体150的直径和当只增加金属涂层145的厚度时，谐振频率沿相反方向移动。
图4A～图4B示出了在光化学分析过程中使用一半被涂覆金属的电介质纳米球体150的步骤。因为电介质纳米球体只有一半覆盖了金属涂层145，所以可以在电介质纳米球体150的表面上和金属涂层145的表面上进行选择性的化学处理，以将金属涂层145定向到预定的方向上，以作为输入泵浦光的接收容器。相关的文献提供了已被开发用于将生物分子附着于特定表面(例如Au、Ag、SiO2、聚苯乙烯或乳胶(latex))的特定化学处理。如果对电介质纳米球体150的特定发射波长敏感的分子实体被附着于电介质纳米球体150，则可以实现其他功能。根据本发明提供的增大的TRP比允许了在非常低的浓度下分子实体的高效光激发，其例如可以用在生物传感应用中。
最初，功能化表面410被置于包含一半被涂覆金属的电介质纳米球体150的溶液中。一半涂覆金属的电介质纳米球体150备有附着于金属涂层145的合适的抗体415。如果金属涂层145是金，则通常使用与功能化表面410相适应的基于硫醇的化学处理。通常，第二组抗体435可以被附着于一半涂覆金属的电介质纳米球体150的被暴露的电介质部分，第二组抗体435与要进行的后续的化学处理有关。然后，一半涂覆金属的电介质纳米球体150可以被放置，其中金属涂层145与功能化表面410相邻，以使得一半涂覆金属的电介质纳米球体150的被暴露的电介质部分朝向泵浦光450，被附着的抗体435放射状摇摆。该过程利用用适当染料标记的各种有适当功能化的一半涂覆金属的电介质纳米球体150来执行，而电介质纳米球体150中的每一个将结合(bind)感兴趣的特定分子实体470。为了进行对各种被标记的分子实体470的化验，掺杂了染料或量子点的一半涂覆金属的电介质纳米球体150在适当的波长处被光泵浦，以光学地激发适当地掺杂了染料或量子点的一半涂覆金属的(一个或多个)电介质纳米球体150。由于定向性的增强，波长被下移并且被高效地重新发射。对泵浦光450的高效吸收以及光的高方向性和高效的重发射使得可以在非常低的浓度下检测分子实体。在一半涂覆金属的电介质纳米球体150结合到功能化表面之后，一半涂覆金属的电介质纳米球体150通常被暴露到光线中以进行光化学分析。
除了图4A～图4B中所示出的几何结构，根据本发明的替代几何结构和化学处理包括相对衬底555放置的一半涂覆金属的电介质纳米椭圆体550，使得金属涂层545朝向泵浦光560，如图5所示。一半涂覆金属的电介质纳米颗粒550的被暴露的电介质部分被附着于功能化表面555。Journal of Chemical Physics，87(2)，53234(1987)中Chew的工作通过引用结合于本文中，其示出了对于长轴a与短轴b的比大约为1.5的纳米椭圆体550，沿对称轴放置并且与一半涂覆金属的电介质纳米椭圆体550的距离d通常为大约2到20埃的荧光体或量子点570的辐射衰减率被提高了大约1000倍。这比一半涂覆金属的电介质纳米球体150好了大约10倍。利用如图5中所示的电介质纳米椭圆体550只有大约一半的被涂覆了金属并且荧光体或量子点570被附着的特性来定向表面。对于小的电介质纳米球体150或纳米椭圆体550，可以附着的荧光体或量子点570的数目受到限制，但是因为辐射率的提高，荧光效率被提高了。对于a/b大约等于1.5的纳米椭圆体550，辐射效率的提高系数大约为1000，而对于相似结构的纳米球体150，提高指数大约为10。
掺杂了染料的电介质纳米球体150通常例如有来自MOLECULARPROBES CORPORATION的商业上可获得的各种尺寸的乳胶或聚苯乙烯。S.Santra等人在Journal of Biomedical Optics 6，160-166(2001)中描述了使用微乳液法合成掺杂染料的电介质硅纳米颗粒，其通过引用结合于本文中。可以按统一的尺寸制作硅纳米颗粒，通常直径从几纳米到几微米，尺寸的分布被控制在百分之二以内。
根据本发明，可以用掺杂了量子点的电介质纳米球体150替换掺杂了染料的电介质纳米球体150。与染料分子不同，量子点吸收短波长的光，并且主要通过量子点的尺寸确定发射波长。这使得吸收和发射波长相比掺杂了染料的电介质纳米球体150进一步地分离。在设计涂覆金属的电介质纳米球体150过程中，除了金属涂层145的厚度以外，这提供了额外的自由度。因为发射和吸收过程是密切相关的，所以可以提高入射泵浦辐射的吸收效率，使得发射效率提高。
M.Han等人在Nature Biotechnology，vol.19，631-635(2001)中已经描述了掺杂量子点(例如ZnS被帽(ZnS-capped)的CdSe纳米晶体)的电介质纳米球体，其通过引用结合于本文中。特别是，电介质材料可以是聚苯乙烯或聚合物。通过在包含5％的氯仿和95％的丙醇或丁醇的混合溶剂中溶胀聚苯乙烯纳米球体150，然后添加被控制量的ZnS被帽的CdSe量子点，来完成量子点的掺杂。掺杂过程通常在室温下大约30分钟内完成。
制作一半涂覆金属的经掺杂的电介质纳米球体150的金属涂覆过程的第一步是将经掺杂的电介质纳米球体150散布在平坦的表面(例如玻璃片)上。可以从MOLECULAR PROBES CORPORATION得到的聚苯乙烯和乳胶纳米球体不需要表面活性剂，不聚合，并且被散布在缓冲流体(buffer fluid)中。可以从MOLECULAR PROBES CORPORATION得到共轭(conjugated)到生物素、抗生物素蛋白和抗生蛋白链菌素的不同尺寸的纳米球体。在旋涂和蒸发缓冲流体之后，玻璃片被涂覆了单层电介质纳米球体150。然后，玻璃片被送入溅射系统。为了提高金属的粘着度(当使用金涂层时尤其重要)，溅射沉积厚度在从大约2nm到3nm范围内的一层Ti或Cr。这之后，溅射沉积希望厚度的金属涂层145。因为电介质纳米球体150的上半部分阻碍了电介质纳米球体150的下半部分金属的溅射沉积，所以电介质纳米球体150通常是一半被涂覆金属。溅射使得金属涂层145具有高度的金属均匀性。为了获得侧面上足够厚度的金属涂层145，可能有必要增加顶部的金属厚度。金属涂覆的步骤之后，玻璃片被浸泡在合适的有机溶剂(例如丙醇)中，以使得一半被涂覆的经掺杂的电介质纳米球体150进入溶液中供后续使用。如果需要，可以使用超声来帮助从玻璃片上移去一半被涂覆的经掺杂的电介质纳米球体150。
可以使用具有端附着基的分子来进行金属特定分子的附着，例如对于金使用硫醇，所述具有端附着基的分子具有对金属涂层145、545很强的亲合力以及在功能化表面410或555上垂直排序的很长的线性烷基链。如在贵金属上的烷基硫醇中那样，通过电荷转移复合物来提供对固体表面的亲合力，如Porter等人在Journal of the American Chemical Society，109，3559，(1987)中；Bain等人在Angewandte Chemie，International Edition，28，506，(1989)中；以及Nuzzo在Journal of the American Chemical Society，112，558，(1990)中所描述的，所有这些文献通过引用结合于本文中。
对于SiO2，对一半涂覆金属的电介质纳米球体150或例如纳米椭圆体550的纳米颗粒的电介质部分的亲合力通过共价化学反应提供，例如Sagiv在Journal of the American Chemical Society，102，92，1980中；Wasserman等人在Langmuir，5，1074，(1989)中；以及Ulman在Angewandte ChemieAdvanced Materials，2，573，(1990)中所描述的硅烷，所有这些文献都通过引用结合于本文中。
虽然已经结合特定的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应当明白在前述描述的启示下可以清楚许多替换、修改和改变。因此，本发明希望包含落在所附权利要求书的精神和范围内的所有其他这样的替换、修改和改变。
权利要求
1.一种使用电介质纳米颗粒增强辐射发射的方法，包括提供所述电介质纳米颗粒，所述电介质纳米颗粒包括具有第一部分和第二部分的表面；用金属层涂覆所述电介质纳米颗粒的所述表面的所述第一部分；以及在所述表面的所述第一部分和所述第二部分上进行选择性的化学处理，以将所述电介质纳米颗粒定向到预定的方向。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒用量子点被掺杂。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒用荧光染料被掺杂。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述金属层包括金。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒包括乳胶。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒包括SiO2。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒的直径小于约40nm。
8.如权利要求1所述的方法，其中所述金属层的厚度小于约20nm。
9.如权利要求1所述的方法，其中所述第一部分为所述表面的大约一半。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒的形状为球形。
11.如权利要求1所述的方法，其中所述电介质纳米颗粒的形状为椭圆体。
12.如权利要求11所述的方法，其中所述椭圆体形状的长轴与短轴的比为约1.5。
13.如权利要求1所述的方法，其中荧光体被附着于所述表面的所述第二部分。
14.如权利要求1所述的方法，其中量子点被附着于所述表面的所述第二部分。
15.如权利要求13所述的方法，其中所述荧光体与所述第二表面的所述第二部分分离大约2到20埃。
16.一种使用电介质纳米颗粒增强辐射发射的系统，包括电介质纳米颗粒，所述电介质纳米颗粒包括具有第一部分和第二部分的表面；以及在所述电介质纳米颗粒的所述表面的所述第一部分上的金属层。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述金属层包括金。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述电介质纳米颗粒形状为椭圆体。
19.如权利要求16所述的系统，其中所述第一部分包括所述表面的大约一半。
20.如权利要求16所述的系统，其中荧光体被附着于所述表面的所述第二部分。
全文摘要
本发明提供了一种使用被涂覆金属的电介质纳米颗粒增强发射的方法和系统。荧光染料或量子点可以被嵌入到适当大小的电介质体中，其中通常是电介质体一半的表面被金属涂层覆盖，以允许吸收和发射效率的提高。或者可以使用适当的化学处理使荧光染料或量子点附着于被涂覆金属的电介质形状体。
文档编号G01N21/63GK1958715SQ20061015038
公开日2007年5月9日 申请日期2006年10月30日 优先权日2005年10月31日
发明者米哈伊尔·M·西加拉斯, 蒂路玛拉·R·兰格纳斯 申请人:安捷伦科技有限公司