1、分类号 学号 学校代码 10487 密级 硕士学位论文 基于量子点和纳米 金属 颗粒的 荧光 增强研究 I 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master in Engineering Studies on Metal-enhanced Fluorescence Based on Quantum Dot and Nano-particles II 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 独创性声明 本人声明所呈交的
2、学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了 解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
3、 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“”） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 III 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着生命科 学的发展，待研究的样品也越来越复杂，所以对生物检测技术的要求也越来越高。人们需要一种高灵敏度的检测方法来提高检测的 灵敏性和正确性 。 量子点作为一种新型的荧光标记物，它 具有 传统荧光染料无法比拟的优点，近些年已经在生物检测以及生物分析领域得到了广泛的应用。金属 纳米颗粒由于其良好的稳定性以及较低的毒副作用，也是生物医学领域研究和应用的 热门材料。并且金属纳
4、米颗粒通过等离子体共振效应在一定条件下 能 有效地增强量子点的荧光，从而提高基于量子点的生物检测体系的灵敏度。基于此，本论文 设计并建立了一种基于纳米金属颗粒 来 增强量子 点荧光 的方法 并研究 其 在 生物 检测中的应用 。 论文的主要工作包括 在金或银的纳米颗粒表面包被二氧化硅，通过控制二氧化硅的厚度来调节金属纳米颗粒和量子点 之间 的 距离，复合颗粒由量子点和金属纳米颗粒通过静电 或 偶联进行结合。实验表 明 二氧化硅厚度在 10 nm 时量子点的荧光增强 效应 最大， 增强效应为 1.8 倍。 另外将银纳米颗粒沉积在 三氨丙基乙氧基硅烷（ APTES） 修饰的玻璃基底表面 ， 利用
5、一对 分别偶联在银纳米颗粒或量子点上 的 单链 DNA 将银纳米颗粒与量子点连接， 通过控制 DNA 的长度来调节银纳米颗粒与量子点 之间 的距离 。实验表明 DNA 的 长度在 11.9 nm 时量子点的荧光增强 效应 最大，增强效应达到 1.4 倍。 实验 分别 在水溶液以及玻璃基底的表面进行，在不同环境下评价 荧光增强 的效果 ， 从而使该方法普遍有效，满足生物检测中高灵敏度的需要。 关键字 ：金属增强荧光 量子点 金属纳米颗粒 IV 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract With the development of life science, the sa
6、mple we are studying is more and more complex, which makes higher request for the technology of biological detection. We all need a new method of detection with higher sensitivity to improve the detection efficiency. As a new type of fluorescent markers, quantum dots have many advantages which conve
7、ntional fluorescent dyes can not compare, and they have been widely used in the field of biological detection and analysis in recent years. On the other hand, metal nano-particles are also popular materials in the field of biomedical research and application due to their good stability and low toxic
8、ity. And they can enhance the fluorescence intensity of QDs in some situation effectively through the effect of plasmon resonance. This thesis mainly focuses on building up a method to enhance the fluorescence intensity of quantum dots based on metal nano-particles and studying its application in bi
9、ological detection. The main work of the thesis contains coating silica on the surface of gold and silver nano-particles and adjusting the distance between metal nano-particles and quantum dots by controlling the thickness of silica, the complex nano-particles are composed of quantum dots and metal
10、nano-particles through electrostatic adsorption and chemical coupling; according to the result of the experiment, the fluorescence of quantum dots gets the maximum enhancement when the thickness of silica is 10 nm, and its fluorescence intensity is equal to 1.8 times of the same amount of quantum do
11、ts. The other part of the experiment contains depositing silver nanoparticles on the surface of glass base which modified by APTES, and combining quantum dots and silver nano-particles by DNA, adjusting the distance between silver nano-particles and quantum dots by controlling the length of DNA. The
12、 result of experiment indicates that the fluorescence of quantum dots gets the maximum enhancement when the length of DNA is 11.9 nm, and its fluorescence V 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 intensity is equal to 1.4 times of the same amount of quantum dots. The experiments we carried out are in aqueous solut
13、ion and on the surface of glass base respectively, thus the result of the system can be evaluated in different enviroment, so that can make the system generally effective, to meet the requirements of high sensitivity in biological detection. Key words: Metal-enhanced fluorescence Quantum dots Metal
14、nano-particles VI 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 目 录 摘 要 . III Abstract. IV 1 绪言 1.1 前言 . (1) 1.2 金属增强荧光作用 . (2) 1.3 量子点的简介 . (10) 1.4 课题思路和主要工作 . (13) 2 基于 金纳米颗粒的金属增强量子点荧光的分析 2.1 引言 . (15) 2.2 实验部分 . (16) 2.3 结果与讨论 . (19) 2.4 本章小结 . (31) 3 基于基底表面的金属增强量子点荧光的分析 3.1 引言 . (33) 3.2 实验部分 . (34) 3.3 结果与讨论 . (36)
15、 3.4 本章小结 . (49) 4 基于银纳米颗粒的金属增强量子点荧光的分析 VII 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 4.1 引言 . (50) 4.2 实验部分 . (51) 4.3 结果与讨论 . (53) 4.4 本章小结 . (61) 5 全文总结 5.1 本文研究内容与结论 . (62) 5.2 本论文的不足及建议 . (63) 致 谢 . (错误 !未定义书签。 ) 参考文献 . (65) 1 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪 言 1.1 前言 近些年来，生命科学取得了迅猛的发展，它在未来的时间里将与我们的生活联系越来越紧密，并且 它 与其他
16、学科结合的需求也会更加强烈， 将成为将来的科研重点。 伴随着生命科学的飞速发展，人们对于生物检测技术的需求也日益强烈，需要有更精确，信号更强的生物检测技术来实现这个需求。这要求我们要将传统的检测技术与现有的技术相结合，并且结合诸如物理，生物，化学等多领域的知识与材料，开发 出一些适用范围更广，灵敏 度 更高的生物检测技术，来应对新时代科研的需要。 近些年来，纳米技术取得了飞速的发展，它是研究于纳米尺寸 （ 1-100 nm） 的物质和设备的设计方法、组成、特性的应用科学 ，随着测量与表征技术的显著提高，它已成为具有集前沿性、交叉性和多学科特征的新兴研究领域。生物检测技术中所用到的材料就是属于纳
17、米技术领域，其中量子点（ Quantum dots， QDs）是很重要的一种荧光检测物质，它具有荧光激发谱宽、发射谱窄而对称、发射波长可调、抗光漂白性好等光学性质，不仅具有自己的特点并且还弥补了传统荧光 物质的不足，所以它在多个领域中已得到了广泛的应用。 在量子点取得广泛应用的同时，纳米金属材料也在的应用中展露了头角，由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观 量子 隧道效应等等 1， 2 ，它在许多生物、物理、化学领域也得到了广泛的应用。纳米金属颗粒和量子点 之间的 等离子体共振效应，会对量子点的荧光强度产生增强的作用 。人们 可以利用荧光增强作用来更进一步的提高量子点作为荧光检测物质的
18、灵敏度，从而适应生物 检测 领域更高更精准的需要。 本章将重点对量子点和纳米金属颗粒以及 它 们相互作用的研究概况进行简要介绍，主要包 括量子点的特性以及应用，纳米金属颗粒的性质以及应用，量子点和纳米金属颗粒之间的等离子体共振效应 、金属荧光增强效应 以及它 们 的产生原理和在生物，化学检测领域的应用。 2 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1.2 金属增强荧光作用 金属纳米粒子内部的 等离子体共振作用 ，可以使其表面附近荧光物质的荧光强度显著增强，这一现象被称为金属增强荧光（ MEF） 3-6。一般情况下荧光团都是在自由空间 中 被检测的，即荧光团所辐射的能量可以被认为进入均匀
19、的介质中。当金属纳米粒子出现在荧光团辐射能量的范围内时，该金属纳米颗粒 的等离子体共振电磁场 ， 可以 改变它周围辐射介质 对荧光的衰减率，从而增加共振能量转移的程度。荧光物质置于金属纳米颗粒附近合适的距离时，金属纳米颗粒的存在引起荧光物质总辐射衰减率 增加，提高荧光团的荧光量子产率，缩短它的荧光寿命 ，如图 1，Jablonski 能级图描述了金属纳米颗粒在金属增强荧光中的作用 5。 这个结果是由有激发光激发的荧光团与金属纳米颗粒的表面等离子体电子之间的相互作用所导致 7。 图 1.1 在自由空间条件 (a)和金属颗粒、岛状离子或溶胶存在时 (b)的 Jablonski 能级图 5 Fig
20、1.1 Classical Jablonski diagram for the free-space condition(a) and the modified form in the presence of metallic particles, islands or colloids(b) 5 1.2.1 金属纳米颗粒的等离子体共振效应 金属纳米颗粒由于具有量子效应、小尺寸效应等特殊的性质，从而表现出不同于块状金属的光学、电学、磁学等性质，在这些性质中，其特殊的光学性质为人们所利用得最多。 金属纳米颗粒的一个很重要的光学性质是它的 表面等离子体共振效应，它由于这个效应，可以在某些可见光区域表现出块状的金属材料无法观测到的吸收带。这是由于当有入射光照射 它 时， 它的 导带电子会摆动。在一般的颗粒中，其电子本身振荡频率主要由电子云的密度、有效电子质量、电荷分布形状以及尺寸所决定。图
