基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系的制备方法

技术领域

本发明涉及金纳米团簇，具体地，涉及基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系的制备方法。

背景技术

金纳米团簇(AuNCs)是由几个到几十个原子核心，有机单分子如硫醇类化合物或者蛋白质等作为保护基团组合而成的分子聚集体。AuNCs由于理想的光性能和电性能成为了目前研究热点之一。研究表明，当AuNCs逐渐减小到电子的费米波长相当时(通常＜1.5nm)，由于两字尺寸效应，会呈现出和半导体类似的特征，产生分立能级，并会激发出荧光。

相对于传统的荧光标记物而言，AuNCs具有许多优势，如：具有很高的生物相容性、毒性低、光稳定性、可以在非常温和的条件下就能够合成而得，并且发光颜色随着团簇尺寸可调；但是具有致命的缺陷，即发光量子产率低下，通常都低于10％，正是这个缺陷极大地限制了AuNCs的应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系的制备方法，通过该方法制得的金纳米团簇荧光体系具有优异的发光量子产率。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系的制备方法，包括：将金纳米团簇溶液、改性金纳米棒溶液与缓冲溶液进行接触反应以制得基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系；

其中，改性金纳米棒溶液中的改性金纳米棒包括金纳米棒、二氧化硅层和氨基修饰层，二氧化硅层包覆于金纳米棒的外部，氨基修饰层分布于二氧化硅层的外表面；所述金纳米团簇溶液中金纳米团簇的外层保护基团选自牛血清白蛋白、人血清白蛋白和谷胱甘肽中的一种或多种。

本发明还提供了一种基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系，该金纳米团簇荧光体系通过上述的方法制备而成。

通过上述技术方案，本发明通过利用改性金纳米棒(AuNR@SiO₂@NH₂，AuNR指的是金纳米棒)与金纳米团簇(AuNCs)之间进行复合制得AuNR@SiO₂@NH₂@AuNCs结构，该结构粒子能够实现表面等离子体的共振，进而实现了荧光的增强，即提高了金纳米团簇的发光量子产率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是实施例1的制备原理图；

图2是检测例1中金纳米棒的透射电镜图；

图3是检测例2中AuNR@SiO₂溶液A1的透射电镜图；

图4是检测例2中AuNR@SiO₂溶液A2的透射电镜图；

图5是检测例2中AuNR@SiO₂溶液A3的透射电镜图；

图6是检测例3中D3的在低倍下的透射电镜图；

图7是检测例3中D3的在高倍下的透射电镜图；

图8是检测例4中AuNCs的透射电镜图；

图9是检测例7中D6、D7、E1、E3的荧光光谱图；

图10是检测例5中D1、D2、D3、D4、D5、E1和E2的荧光光谱图；

图11是检测例6中F1、E1、A2、B2、G12的紫外光谱图；

图12是检测例8中D8、D9、D10、E1、E4的荧光光谱图；

图13是检测例12中E1、E6-E11的荧光光谱图；

图14是检测例11中E2、E12-E17的荧光光谱图；

图15是检测例10中D3、D11-D16的荧光光谱图；

图16是检测例12中E7、D17-D24的荧光光谱图。

具体实施方式

以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供了一种基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系的制备方法，包括：将金纳米团簇溶液、改性金纳米棒溶液与缓冲溶液进行接触反应以制得基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系；

其中，改性金纳米棒溶液中的改性金纳米棒包括金纳米棒、二氧化硅层和氨基修饰层，二氧化硅层包覆于金纳米棒的外部，氨基修饰层分布于二氧化硅层的外表面；所述金纳米团簇溶液中金纳米团簇的外层保护基团选自牛血清白蛋白、人血清白蛋白和谷胱甘肽中的一种或多种。

在本发明中，金纳米团簇与改性金纳米棒的用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，相对于金纳米团簇溶液中的1μmol的金纳米团簇，改性金纳米棒的用量为0.0327-0.0607μmol。

在本发明中，金纳米团簇溶液与改性金纳米棒溶液的浓度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，金纳米团簇溶液中金纳米团簇的浓度为6.87×10^-11-7.41×10^-11mol/L^-1，改性金纳米棒溶液的浓度为2.43×10^-12-4.50×10^-12mol/L^-1。

在本上述金纳米团簇溶液与改性金纳米棒溶液的浓度的前提下，金纳米团簇溶液与改性金纳米棒溶液的具体用量可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，相对于100μL的缓冲溶液，金纳米团簇溶液的用量为100-120μL，改性金纳米棒溶液的用量为30-100μL。

在本发明中，改性金纳米棒中的氧化硅层的厚度可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，在改性金纳米棒中，二氧化硅层的厚度为5-27nm。

在本发明中，改性金纳米棒的具体结构和组成可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，相对于1μmol的金纳米棒，二氧化硅层中二氧化硅的含量为0.801-0.874μmol，氨基修饰层中氨基修饰基团的含量为0.0422-0.0461μmol。在本发明中，金纳米团簇的具体结构和组成可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高提高金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，所述金纳米团簇包括金原子核心，所述外层保护基团包覆于所述金原子核心的外部，所述金原子核心的粒径为46-53nm，所述外层保护基团的厚度为5-27nm。

另外，改性金纳米棒的氨基修饰基团的具体种类可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，氨基修饰基团为为如式(I)所示结构的基团(通过APTES即3-氨丙基三乙氧基硅烷脱去乙基而得)，

同时，缓冲溶液的pH可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，缓冲溶液的pH为5.8-6.4。

此外，缓冲溶液的pH可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，缓冲溶液选自PBS缓冲溶液。

在上述内容的基础上，接触反应的具体条件可以在宽的范围内选择，但是为了进一步提高制得的金纳米团簇荧光体系的发光量子产率，优选地，接触反应至少满足以下条件：反应温度为25-30℃，反应时间为55-65min。

本发明还提供了一种基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系，该金纳米团簇荧光体系通过上述的方法制备而成。

本发明也提供了改性金纳米棒溶液的制备方法，该方法包括：

1)将金纳米棒溶液调为碱性，接着加入含正硅酸乙酯(TEOS)的甲醇溶液进行接触反应，反应结束后离心、洗涤，然后将产物分散于异丙醇溶液中以得到AuNR@SiO₂溶液；

2)将APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)溶液加入至AuNR@SiO₂溶液中进行接触反应，反应结束后离心、洗涤，然后将产物分散于水中以得到AuNR@SiO₂@NH₂溶液。

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。

制备例1

金纳米棒(AuNR)溶液的制备：

1)金种的制备：称取0.3645g的CTAB(十六烷基三甲基溴化胺)于50mL锥形瓶中，加入10mL二次水溶解，向其中依次加入250μL的浓度为0.01M的HAuCl₄溶液以及600μL的NaBH₄溶液(冰水现配)，快速摇均匀2min后，溶液的颜色由黄色变成浅棕色，将溶液在30℃水浴中静置放置2h以制得金种溶液。

2)生长液的制备：称取5.4675g的CTAB于250mL容量瓶中，加入150mL二次水溶解后，加入7.5mL的0.01M的HAuCl₄，摇均匀后加入1.2mL的0.01M的AgNO₃溶液；摇均匀后加入3mL的1M的HCl，摇均匀后加入加入1.2mL的0.1M的AA(抗坏血酸)以制得生长液。

3)混合摇均匀生长液后，取210μL种子液快速注入上述金种溶液中并摇匀放置在30℃恒温水浴锅中12h以得到金纳米棒溶液。

4)纯化金纳米棒溶液：取上述10ml金纳米棒溶液在离心机中以8000r/min的速率离心10min，用移液枪小心地将上层清液取出，用二次水将下层沉淀稀释至10mL，重复上述的离心操作，将下层沉淀用二次水分散后得到金纳米棒溶液F1，放入冰箱中待用。其浓度根据朗伯比尔定律计算。

制备例2

AuNR@SiO₂@NH₂溶液的制备：

1)AuNR@SiO₂溶液的制备：取20mL上述纯化好的金纳米棒溶液置于50mL圆底烧瓶中，用0.1M的NaOH溶液调pH在10-11，搅拌1h后，每隔30min依次加入10μL含20重量％的TEOS的甲醇溶液(加入三次，一共30μL)，25℃下搅拌反应36h。取14ml溶液用甲醇溶液6500r，10min洗三次后，分散在异丙醇溶液中，可得到SiO₂层厚度为7nm的AuNR@SiO₂溶液，另取6ml溶液离心分散于6mL水中制得AuNR@SiO₂溶液A1待用。

2)AuNR@SiO₂@NH₂溶液的制备：在80℃油浴条件下，向10mL的AuNR@SiO₂溶液中加入3μL的APTES(3-氨丙基三乙氧基硅烷)溶液，搅拌反应4h，得到的产物用甲醇溶液6000r，10min洗三次，分散在二次水中制得AuNR@SiO₂@NH₂溶液B1，置于冰箱中待用。

制备例3

按照实施例2的方法进行制得AuNR@SiO₂溶液A2，AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2，其中SiO₂层的厚度为15nm，不同的是TEOS的甲醇溶液的用量为45μL。

制备例4

按照实施例2的方法进行制得AuNR@SiO2溶液A3，AuNR@SiO₂@NH₂溶液B3，其中SiO₂层的厚度为24nm，不同的是TEOS的甲醇溶液的用量为60μL。

制备例5

金纳米团簇(AuNCs)溶液的制备：

向5ml的50mg/ml的BSA(牛血清白蛋白)溶液中加入5ml的浓度为0.01M的HAuCl₄溶液，用1M的NaOH溶液调pH为11-12，37℃水浴中静置生长12h；最后用100kDa透析膜于二次水中透析24h，每隔8h换一水，得到的金纳米团簇(AuNCs)溶液置于冰箱中待用。

实施例1

取100μL上述AuNCs溶液，再加入100μL的pH＝6的0.1M的PBS溶液，接着向其中依次加入30μL的AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2定容至2mL，得到AuNR@SiO₂@NH₂@AuNCs复合结构G1，25℃下静置反应1h得到基于表面等离子体增强的金纳米团簇荧光体系D1；具体的制备原理以及步骤可参见图1，即先是在AuNR的表面形成二氧化硅包覆层，然后再包覆层的表面修饰氨基基团以得到AuNR@SiO₂@NH₂，然后将牛血清白蛋白改性的AuNCs与AuNR@SiO₂@NH₂复合制得AuNR@SiO₂@NH₂@AuNCs。

实施例2

按照实施例1的方法进行得到荧光体系D2，不同的是AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2的用量改为50μL。

实施例3

按照实施例1的方法进行得到荧光体系D3，不同的是AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2的用量改为70μL。

实施例4

按照实施例1的方法进行得到荧光体系D4，不同的是AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2的用量改为90μL。

实施例5

按照实施例1的方法进行得到荧光体系D5，不同的是AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2的用量改为110μL。

实施例6

按照实施例2的方法进行得到金纳米团簇荧光体系D6，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为AuNR@SiO₂@NH₂溶液B1。

实施例7

按照实施例3的方法进行得到金纳米团簇荧光体系D7，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为AuNR@SiO₂@NH₂溶液B1。

实施例8

按照实施例1的方法进行得到金纳米团簇荧光体系D8，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为AuNR@SiO₂@NH₂溶液B3。

实施例9

按照实施例2的方法进行得到金纳米团簇荧光体系D9，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为AuNR@SiO₂@NH₂溶液B3。

实施例10

按照实施例3的方法进行得到金纳米团簇荧光体系D10，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为AuNR@SiO₂@NH₂溶液B3。

实施例11

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D11，不同的是将PBS溶液的pH换为4。

实施例12

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D12，不同的是将PBS溶液的pH换为5。

实施例13

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D13，不同的是将PBS溶液的pH换为7。

实施例14

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D14，不同的是将PBS溶液的pH换为8。

实施例15

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D15，不同的是将PBS溶液的pH换为9。

实施例16

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D16，不同的是将PBS溶液的pH换为10。

实施例17

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D15，不同的是静置反应时间为10min。

实施例18

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D18，不同的是静置反应时间为20min。

实施例19

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D19，不同的是静置反应时间为30min。

实施例20

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D20，不同的是静置反应时间为40min。

实施例21

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D21，不同的是静置反应时间为45min。

实施例22

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D22，不同的是静置反应时间为50min。

实施例23

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D23，不同的是静置反应时间为60min。

实施例24

按照实施例3的方法进行得到荧光体系D24，不同的是静置反应时间为120min。

对比例1

按照实施例1的方法进行得到金纳米团簇荧光体系E1，不同的是，将AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2的用量改为0μL。

对比例2

按照实施例3的方法进行得到荧光体系E2，不同的是，将70μL的AuNR@SiO₂@NH₂溶液B2换为70μL的AuNR@SiO₂溶液A2。

对比例3

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E3，不同的是，将AuNR@SiO₂溶液A2换成AuNR@SiO₂溶液A1。

对比例4

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E4，不同的是，将AuNR@SiO₂溶液A2换成AuNR@SiO₂溶液A3。

对比例5

按照实施例2的方法进行得到荧光体系E5，不同的是静置反应时间为0min。

对比例6

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E6，不同的是将PBS溶液的pH换为4。

对比例7

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E7，不同的是将PBS溶液的pH换为5。

对比例8

按照对比例1的方法进行得到荧光体系E8，不同的是将PBS溶液的pH换为7。

对比例9

按照对比例1的方法进行得到荧光体系E9，不同的是将PBS溶液的pH换为8。

对比例10

按照对比例1的方法进行得到荧光体系E10，不同的是将PBS溶液的pH换为9。

对比例11

按照对比例1的方法进行得到荧光体系E11，不同的是将PBS溶液的pH换为10。

对比例12

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E12，不同的是将PBS溶液的pH换为4。

对比例13

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E13，不同的是将PBS溶液的pH换为5。

对比例14

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E14，不同的是将PBS溶液的pH换为7。

对比例15

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E15，不同的是将PBS溶液的pH换为8。

对比例16

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E16，不同的是将PBS溶液的pH换为9。

对比例17

按照对比例2的方法进行得到荧光体系E17，不同的是将PBS溶液的pH换为10。

检测例1

通过Tecnai G2 20ST(FEI)的透射电子显微镜对金纳米棒(AuNR)溶液进行透射电镜检测，具体结果见图2，由图2可知金纳米棒的粒径在40-70nm之间，主要为46-53nm。

检测例2

通过Tecnai G2 20ST(FEI)的透射电子显微镜对AuNR@SiO₂溶液A1-A3进行透射电镜检测，具体结果见图3、图4和图5，由图可知，图3显示AuNR@SiO₂溶液A1中AuNR@SiO₂的二氧化硅层的厚度为7nm，图4显示AuNR@SiO₂溶液A2中AuNR@SiO₂的二氧化硅层的厚度为15nm，图5显示AuNR@SiO₂溶液A3中AuNR@SiO₂的二氧化硅层的厚度为24nm，且二氧化硅层厚度均匀，分散性良好。

检测例3

通过Tecnai G2 20ST(FEI)的透射电子显微镜对金纳米团簇荧光体系D3进行透射电镜检测，具体结果见图6-7，由图可知，AuNR@SiO₂@NH₂与AuNCs已经相互复合。

按照相同的方法检测到D1-D2、D4-D24中的AuNR@SiO₂@NH₂与AuNCs也已经相互复合。

检测例4

通过Tecnai G2 20ST(FEI)的透射电子显微镜对金纳米团簇AuNCs进行透射电镜检测，具体结果见图8，由图可知，AuNC的粒径主要在2-4nm。

检测例5

通过荧光分光光度计对D1、D2、D3、D4、D5、E1和E2进行荧光检测，具体结果见图10，由图可知金纳米棒修饰二氧化硅后会导致金纳米团簇荧光淬灭，但是，在二氧化硅层进行修饰氨基使其与金纳米团簇作用后，使金纳米团簇的荧光增强，且随着加入的氨基修饰的二氧化硅的金纳米棒的量的增多，增强的效果越好，直到金纳米棒与金纳米团簇的浓度比适当，则不再变化。

检测例6

通过紫外-可见分光光度计(U-3010，Hitachi)对上述F1、E1、A2、B2、G1进行紫外吸收检测，具体结果见图11，由图可知修饰二氧化硅的金纳米棒A2的紫外吸收图相比于金纳米棒F1发生红移约5nm，证明二氧化硅的确包覆上金纳米棒；且修饰过氨基的金纳米棒B2相对于修饰二氧化硅的金纳米棒A2的紫外吸收图并未发生改变；而最终作用后E1的紫外吸收图相对于G1的紫外吸收图上的峰位置发生红移，且在270nm处观察到吸收峰，说明金纳米团簇与改性后的金纳米棒已经成功作用上。

检测例7

通过荧光分光光度计对上述荧光体系D6、D7、E1、E3进行荧光检测，具体结果见图9，由图可知，SiO₂层的厚度为7nm的AuNR@SiO₂@NH₂使金团簇的荧光淬灭。

检测例8

通过荧光分光光度计对上述荧光体系D8、D9、D10、E1、E4进行荧光检测，具体结果见图12，由图可知，SiO₂层的厚度为24nm的AuNR@SiO₂@NH₂使金团簇的荧光增强，但是增强效果弱于SiO₂层的厚度为15nm的AuNR@SiO₂@NH₂荧光体系。

检测例9

通过荧光分光光度计检测荧光体系E7、D17-D24的荧光强度，具体结果见图16，由图可知，荧光体系D3在反应时间为60min时的荧光强度最佳。

按照相同的方法检测到D1-D16、E1-E4、E6、E8-E17也是在反应时间为60min时的荧光强度最佳。

检测例10

通过荧光分光光度计检测荧光体系D3、D11-D16的荧光强度，具体结果见图15，由图可知，本发明提供的荧光体系在pH为6时的荧光增强效果最佳。

检测例11

通过荧光分光光度计检测荧光体系E2、E12-E17的荧光强度，具体结果见图14，由图可知，上述荧光体系在pH为6时的荧光猝灭效果最佳。

检测例12

通过荧光分光光度计检测荧光体系E1、E6-E11的荧光强度，具体结果见图13，由图可知，上述荧光体系在pH为4-10的荧光稳定。

按照相同的方法检测到，D1-D10、E1-E5也是在pH为6时的荧光强度最佳。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。