金纳米粒子对亚单层罗丹明 6G 的距离相关等离子体增强荧光

介绍

荧光猝灭 [1,2,3,4] 和增强 [5,6,7] 是由光学分子与金属或金属纳米粒子之间的相互作用引起的两种相互矛盾的现象。在过去的几十年中，发表的大量报告都集中在金属纳米粒子近场中的荧光团发射特性上 [8, 9]。这些研究表明，抑制是由界面相互作用引起的阻尼分子偶极振荡或轨道杂交引起的 [10,11,12,13,14]，而放大是由于局部表面等离子体共振引起的高度增强的入射场 [14， 15,16]。

罗丹明 6G (R6G) 因其稳定性、高荧光量子效率和低成本被广泛用作荧光标记物和激光染料。大多数关于 R6G 分子的研究主要集中在它们的溶液上 [17,18,19,20]，而固态的 R6G 分子研究较少 [21, 22]。同时，虽然已经对等离子体辅助荧光进行了广泛的研究，但要完全理解金属纳米粒子的等离子体共振与分子的内在光学性质之间的相互作用仍然过于复杂。特别是，许多团体都强调将等离子体共振峰位置与荧光团的发射峰匹配[23,24,25,26]。这对于理解等离子体效应的性质和开发基于分子荧光的测量设备具有重要意义 [27,28,29,30,31]，例如有机发光二极管 (OLED) [32, 33] , 光学传感器 [34, 35] 和分子电子器件 [36,37,38]。

在我们之前的工作中，可以通过控制表面等离子体共振波长和 NPs 大小来获得单纳米晶体上转换发光增强 [39]。可以精确控制聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）分离层的厚度以调整单量子点的发射特性[40]。四苯基卟啉（TPP）分子已被证明受局域等离子体模式的显着影响[41, 42]。

在这项工作中，等离子体共振峰与分子发射峰很好地重叠。金纳米粒子表面亚单层 R6G 分子的光致发光 (PL) 光谱和荧光寿命加强了等离子体增强对非辐射衰变的支配地位的证据。该研究为进一步了解固态的单层或亚单层R6G分子提供了重要机会。

方法

基材制作

为了获得表面带负电荷的干净玻璃基板，将玻璃基板在食人鱼溶液中浸泡 30 分钟，然后用去离子水冲洗。然后，将玻璃基板放入 3 ml 140 nm 金纳米颗粒 (Au NPs) 溶液 (Crystano™)，PH 为 3.0 超过 12 小时。经过这种处理，基于静电吸附，Au NPs 被牢固地吸附在基板上。洗涤干燥后，用原子力显微镜(AFM)表征玻璃基板上Au NPs的密度。

聚（甲基丙烯酸甲酯）（PMMA）薄膜是通过以 3000 rpm 的速度旋涂 60 秒来制备的，作为 Au NPs 和罗丹明 6G（R6G）分子之间的间隔物。为了控制隔板的厚度，在玻璃表面旋涂了0.03wt%、0.1wt%和0.4wt%不同浓度的PMMA甲苯溶液。

亚单层罗丹明 6G 分子制备

亚单层 R6G 分子在 10 ^–6 升华到金或玻璃基板表面 通过热蒸发在室温下毫巴真空。蒸发速率和分子覆盖率由连续加热电压、电流和沉积时间控制。使用扫描隧道显微镜 (STM) 重复该过程数次以确定合适的制备条件。 STM和AFM表征了亚单层R6G分子在基底上的分布。

光致发光

在10 ^–5 获得了光致发光（PL）光谱和荧光寿命 室温下毫巴真空。稳态 PL 光谱由液氮冷却电荷耦合器件 (CCD) 光谱仪 (Princeton Instruments) 测量，而光子计数和寿命测量由微通道板光电倍增管 (Hamamatsu) 结合时间相关单光子完成计数技术（爱丁堡仪器）。 375 nm 脉冲皮秒半导体激光器（Advance Laser System）用于激发样品。

模拟

有限差分时域 (FDTD) 方法用于通过软件 FDTD Solutions (Lumerical Solution, Inc., Canada) 进行数值模拟。将直径为 140 nm 和不同 PMMA 间隔层厚度的 Au 纳米粒子放置在玻璃基板上。金的介电常数取自参考文献。 [43]，CTAB 和 PMMA 的介电常数分别取为 1.40 和 1.49。对于空气，周围矩阵的折射率设置为 1.0。使用范围从 400 到 700 nm 的平面波全场散射场源作为入射光。使用频域场分布监测器评估 Au 纳米颗粒附近的电场分布。使用三维非均匀网格划分，并为 Au 纳米粒子的内部和附近选择了 0.5 nm 的网格尺寸。我们使用完美匹配的层吸收边界条件以及对称边界条件来减少内存需求和计算时间。数值结果通过了先验收敛性测试。

结果与讨论

140 nm Au NPs 的大小和形状首先通过透射电子显微镜 (TEM) 进行表征。如图 1a 所示，大多数颗粒分散良好，平均直径为 140 ± 10 nm。涂有超薄十六烷基三甲基溴化铵 (CTAB) 表面活性剂层的金纳米粒子也在图 1b 中被识别。直方图显示壳厚度为 2.5 ± 1 nm（图 1c），对应于单层或双层 CTAB [44]。

一 , b 带有 CTAB 的 Au NPs 的 TEM 图像。 c CTAB分布厚度

吸附在没有和有 PMMA 层的玻璃基板上的 Au NP 的典型 AFM 图像如图 2a、b 所示。比较图 2a 和 b，我们可以发现相同范围内的 Au NPs 的密度相似，但 AFM 图像无法区分旋涂的 PMMA 膜。因此，使用台式触控笔轮廓仪（Bruker）来评估不同浓度的 PMMA 薄膜的厚度。图 2c-e 显示了三个样品，浓度分别为 0.03wt% (~ 1.5 nm)、0.1wt% (~ 6.5 nm) 和 0.4wt% (~ 21 nm)。图 2f 显示了四种不同底物的吸收光谱。随着 PMMA 层厚度的增加，可以发现表面等离子体共振 (SPR) 峰的明显红移。这可能是由于 Au NPs 周围局部折射率的增加所致，这与之前的文献 [45] 具有良好的一致性。

Au NPs/玻璃的典型 AFM 图像 (a ) 和 PMMA/Au NPs/玻璃 (b ）。浓度为 0.03wt% (c ), 0.1wt% (d ) 和 0.4wt% (e ）。 f 没有PMMA（黑色）和1.5-nm（红色）、6.5-nm（蓝色）和21-nm（橙色）PMMA分离层的NPs的UV-Vis吸收光谱

亚单层R6G分子通过以下步骤获得。首先，Au (111) 表面在离子溅射和高温退火后重建，这可以通过其规则的“人字形”条纹来证实（图 3a）。然后，在 0.8 V 电压和 0.6 A 电流下热蒸发 60 秒后，R6G 分子被蒸到处理过的 Au (111) 表面上，并使用液氮冷却至 80 K。分子亚单层的分布状态可以通过 STM 表征（图 3b）。当缩小范围时，可以稳定重复地观察到单个孤立的分子，直径为 3 nm，高度为 0.4 nm，类似于荷包蛋（图 3c、d）。这可以归因于弱分子-底物相互作用。

清洁 Au (111) (a )，Au (111) 上的 R6G 分子 (b ) 和单个 R6G 分子 (c ）。 d 穿过单个 R6G 分子的线轮廓

在相同条件下，R6G 分子分别沉积在玻璃和 PMMA/玻璃基板上。然而，室温远高于STM操作腔内的温度。因此，分子-底物相互作用的减少和分子迁移率的加速使得 R6G 分子位于玻璃分子簇的表面。但是它们的覆盖范围仍然小于单层（图 4a），这也可以在 PMMA 薄膜上进行验证（图 4b）。比较图 4a 和 b 的插图，我们可以发现，室温下空气中 PMMA 薄膜上的分子簇尺寸较大，而数量减少。该结果可能是由于R6G分子在不同基材表面的迁移速率和吸附能力不同所致。

玻璃上 R6G 分子的典型 AFM 图像 (a ), PMMA/玻璃 (b ), PMMA/Au NPs/玻璃 (c ）。插图：R6G 分子簇的线轮廓。 d , e 分别为 R6G/玻璃、R6G/Au NPs/玻璃和 R6G/PMMA/Au NPs/玻璃的荧光光谱和 PL 衰减动力学。 f R6G/PMMA/玻璃的PL衰减动力学

图 4c 显示了 PMMA/Au NPs/玻璃上 R6G 分子的 AFM 图像。由于R6G分子簇和金纳米粒子的尺寸差异较大，很难同时观察到金纳米粒子和分子簇。但与 PMMA/玻璃上的分子簇相比，可以在轮廓线（图 4c 的插图）中观察到分子簇。

具有不同厚度的 PMMA 层、R6G/Au NPs/玻璃和 R6G/玻璃的 R6G/PMMA/Au NPs/玻璃的荧光光谱绘制在图 4d 中。发现与 R6G/玻璃相比，R6G/(PMMA)/Au NPs/玻璃的发光强度有所增强。从表 1 的发光增强因子可以看出，R6G/Au NPs/glass 的增强最大，因子约为 3.78。并且其强度随着PMMA薄膜厚度的增加而降低。

考虑到涂有不同厚度 PMMA 的 Au NPs 的吸收峰（530-580 nm）和 R6G 分子的发射峰（562 nm），荧光增强机制与光谱重叠程度和分子与纳米颗粒之间的分离距离有关.作为分离层的金球表面的 PMMA 和 CTAB 在减少 R6G 分子和 Au NPs 之间的非辐射能量转移方面起着关键作用。由于等离子体共振是一种强烈的局域近场效应，间隔层的增厚使得R6G逐渐远离强局域场的范围。这导致增强效果随着 PMMA 厚度的增加而减弱。另一方面，等离子体共振峰的移动也对发射强度有贡献。四个样品的吸收光谱线宽非常宽。它们都覆盖了R6G的发射峰值。虽然当分离厚度约为 9 nm 时，Au 纳米球的等离子体共振峰与 R6G 的发射峰之间存在最佳匹配，但由于近场的减小，R6G 的发射增强并不强于没有 PMMA 层的发射增强Au纳米球在大分离距离下的增强效果。因此，Au纳米球与R6G分子之间的分离距离对R6G分子的发射增强起着关键作用。

除了强度变化外，还检测了 R6G 分子的荧光寿命，如图 4e 所示。三指数函数可以很好地拟合受激R6G分子的衰变过程，如表1所示。 如图所示，当R6G分子直接蒸发到金纳米粒子上时，由于猝灭，荧光寿命最短金属的作用。随着间隔层的增厚，淬火效应减弱，等离子体增强效应也减弱，导致寿命增加。然而，测试结果表明荧光寿命并没有随着PMMA厚度的增加而延长，而是缩短了。尽管如此，它们仍然比直接在金纳米粒子上的分子寿命长。为了找出原因，我们测试了 R6G 分子在 PMMA/玻璃基板上的荧光寿命（图 4f 和表 2）。还发现 PMMA 会影响分子的寿命，该寿命随着厚度的增加而降低。这与 PMMA/Au NPs/玻璃的现象一致。因此，图 4f 中分子的寿命延长然后缩短，这是由于 PMMA 膜的存在。当R6G分子接近Au NPs时，寿命表现出明显的猝灭效应。随着PMMA薄膜厚度的增加，可以观察到PMMA薄膜的阻挡和衰减效应。

为了解释观察到的 R6G 分子的距离依赖性荧光强度，使用 FDTD 方法模拟了具有不同间隔厚度的 Au NPs 的近场分布。如图 5a-d 所示，强电场增强 (|E /E 0| ² ) 在 PMMA/CTAB/Au NPs 纳米结构的表面周围观察到。在图 5e 中，实验荧光光谱和模拟电场的增强因子随着间隔物厚度的增加显示出良好的一致性。模拟的近场增强因子比实验中获得的要大得多。这主要归因于理论模拟的理想模型和Au NPs的荧光猝灭效应。

电场增强 (|E /E 0| ² ) 在 λ 处被 PMMA 覆盖的 Au NP 的分布图像 =562 纳米，间隔层厚度为 2.5 纳米 (a ), 4 nm (b ), 9 nm (c ) 和 21 纳米 (d )，而白色虚线圆圈代表 Au NP。 e 实验荧光光谱（蓝色）和模拟电场（黑色）的增强因子取决于 PMMA 间隔层厚度

结论

总之，我们在具有受控 PMMA 间隔层厚度（1.5-21 nm）的金纳米颗粒上蒸发了亚单层 R6G 分子。研究了PL光谱和衰减曲线。分子荧光强度因共振激发增强而增强，并随着 PMMA 薄膜厚度的增加而下降。实验增强因子远低于通过 FDTD 模拟获得的理论增强因子，主要是由于激发分子与 Au NPs 之间的电荷转移和非辐射能量转移引起的猝灭效应。此外，有趣的是注意到具有不同厚度的 PMMA 薄膜同时包含屏障和寿命衰减效应，这通过荧光寿命测量得到证实。该研究可能为金属增强荧光在光学成像、生物技术和材料检测领域的实际应用铺平道路。

数据和材料的可用性

当前研究中使用和/或分析的数据集可根据合理要求向相应作者索取。

缩写

R6G：

罗丹明6G

NP：

纳米粒子

Au NPs：

金纳米粒子

PMMA：

聚（甲基丙烯酸甲酯）

OLED：

有机发光二极管

TPP：

四苯基卟啉

PL：

光致发光

原子力显微镜：

原子力显微镜

STM：

扫描隧道显微镜

CCD：

电荷耦合器件

FDTD：

有限差分时域

TEM：

透射电子显微镜

CTAB：

十六烷基三甲基溴化铵

SPR：

表面等离子体共振