納米銀對表面吸附甲基橙分子的光譜學性質的影響

王悅輝 朱一水 朱朔萱

(電子科技大學中山學院化學與生物系，中山528402)

納米銀對表面吸附甲基橙分子的光譜學性質的影響

王悅輝＊朱一水 朱朔萱

(電子科技大學中山學院化學與生物系，中山528402)

甲基橙溶液中引入納米銀膠，甲基橙分子的π-π*和n-π*電子躍遷吸收藍移。隨著納米銀膠濃度增加，S2-S0躍遷熒光發射強度不斷下降，發射峰紅移，而S1-S0躍遷熒光發射強度不斷增加。納米銀對pH=2.1的甲基橙溶液的S1-S0躍遷熒光發射強度增強高于pH=6的甲基橙溶液。采用透射電子顯微鏡、紫外-可見吸收分光光度計和熒光分光光度計等手段從局域場增強、分子間的相互作用和能量傳輸等方面初步探討了納米銀膠對表面吸附甲基橙分子光譜學性質影響機制。

納米銀；甲基橙；局域場增強；能量傳輸

金屬納米結構特異的光學性質多年來始終受到人們的高度重視。其中，對于金屬納米結構的局部表面等離子體共振(Localized Surface Plasmons Resonance,LSPR)的研究已經成為納米材料領域的一個新熱點[1-15]。當納米結構與入射電磁波發生LSPR時，就導致在共振頻率下對于入射光的強烈吸收以及顆粒附近電場強度的大大增強。這種增強的局域場可以改變吸附于其表面及周圍熒光體的自由空間的條件，使熒光體的熒光得到增強或猝滅，這種現象稱為金屬增強熒光效應(Metal-Enhanced Fluorescence,MEF)[1-4]。就MEF方面的研究，迄今為止已開展了大量的工作，特別是在生物分子檢測等方面取得了重要突破，現已作為新一代生物檢測、標記及生物和化學傳感器的開發技術成為人們研究的熱點[1-8]。

美國Maryland大學的Lakowicz教授領導的研究小組[1-4]從1999年開始從理論和實驗兩個方面系統地研究這一特殊的熒光現象。他們發現將熒光分子置于粗糙金屬表面可增加熒光分子的熒光量子產率、降低熒光壽命、提高光穩定性；將熒光分子置于超薄金屬表面可實現熒光高度定向發射，從而大大提高熒光信號的采集效率。根據實驗研究，Lakowicz等[5]提出了輻射等離子體模型(Radiating plasmons, RP)，以期對實驗結果做出解釋。Geddes等[6-11]對表面增強熒光現象、產生機理和應用也做了深入的研究。研究發現鐵、銅和鋅等金屬薄膜也能產生表面等離子體耦合特性；金屬熒光增強效應的強弱與入射光波長及共振角密切相關[6-11]。我們曾經研究了納米銀膠粒對稀土發光材料、熒光素、釕聯吡啶和羅丹明B體系光譜學性質的影響。研究結果表明，納米銀的熒光增強效應與其顯微結構(幾何狀態、界面結構、介電環境、與受體的結合狀態等)關系甚大[12-15]。納米結構與表面吸附的熒光受體間存在較強的化學和物理作用，通過研究納米結構與熒光受體間的表面吸附、脫附、成鍵、電子轉移及能量傳遞等現象來可揭示納米材料所構成系統的光化學和光物理過程的機制。但納米材料的引入往往又引入新的猝滅機制，迄今為止尚無法從理論上預言納米結構對各種發光受體的作用效果[16-17]。

甲基橙(methyl orange,MO)即對二甲基氨基偶氮苯磺酸鈉(C14H14N3O3SNa,Sodiumpdimethylaminoazobenzene sulfonate)是典型的偶氮染料之一，還是常用的酸堿指示劑，變色范圍為pH= 3.1~4.4左右，酸性條件下以醌式存在，堿性條件下以偶氮式存在[18]，紫外-可見光吸收和熒光性質較豐富。它也是一種常用研究催化動力學過程和神經遞質作用的光譜探針。圖1給出甲基橙的結構式。考慮熒光受體與納米金屬結構間的相應作用，我們引入甲基橙作為研究體系。研究結果表明，納米銀粒子可增強甲基橙分子長波段處由共軛結構所產生的熒光，猝滅短波段處由苯環結構所產生的熒光。本文從表面局域場增強、分子間的相互作用、能量傳輸等方面探討了納米銀粒子對甲基橙溶液光譜學性質的影響機理。

圖1 甲基橙結構式Fig.1 Structure of methyl orange

1 實驗部分

1.1 實驗

實驗中所用的硝酸銀、檸檬酸三鈉、硼氫化鈉、甲基橙均為分析純試劑，溶劑為二次去離子水。納米銀的制備采用硼氫化鈉還原硝酸銀法[19]。圖2給出納米銀的透射電鏡圖和吸收光譜圖。從圖2可見，納米銀粒子的平均粒徑約為8 nm，特征吸收峰位為394 nm。試樣制備采用銀溶膠與甲基橙溶液均勻混合(混合體系記為：MO-Ag)，加二次去離子水稀釋，保持混合溶液中甲基橙的濃度恒定為10 mmol·L-1，均勻混合后放置5 min，測溶液的吸收光譜和熒光光譜。

圖2 銀溶膠的TEM圖(a)和吸收光譜(b)Fig.2 TEM image(a)and optical absorption spectrum (b)of silver colloid

1.2 表征

納米銀粒子大小和形貌采用透射電鏡(TEM, JEOL-JEM-200CX型，日本電子公司)觀察。將納米銀滴加在銅網上，室溫下自然干燥后在加速電壓200 kV和不同放大倍數下觀察。采用BROOKHAVEN INSTRUMENTS Zeta電位計測試納米銀溶膠在室溫下的電勢，表明納米銀粒子具有正電性。采用pHS-4CT酸度計監控溶液的pH值。吸收光譜采用760CRT紫外－可見分光光度計測定。吸收范圍是200~900 nm，分辨率是2 nm，選用該儀器的標準模式，用石英玻璃比色皿。熒光光譜采用970CRT熒光分光光度計測定。所有熒光測試均在室溫下進行，測試時激發狹縫和發射狹縫均保持為5 nm，激發波長為270 nm。

圖3 pH值為2.1(A)和6.4(B)的甲基橙溶液中加入不同濃度納米銀溶膠的吸收光譜Fig.3 (a)Absorption spectra of the methyl orange solutions with pH values of 2.1(A)and 6.4(B) with the addition of different concentrations of silver colloids

2 結果與討論

2.1 MO-Ag體系的吸收光譜

甲基橙(MO)是常用的酸堿指示劑，在酸性和堿性溶液中都有幾種共振結構形式存在，其紫外-可見光吸收和熒光性質隨著pH值的改變會發生豐富的變化。我們研究了不同pH值(1.5~8.2)條件下納米銀對甲基橙溶液光譜學性質影響。結果表明，納米銀可增強MO分子中與共軛有關的熒光，猝滅與苯環結構有關的熒光。這規律與體系的pH值無關。然而，隨著pH值增加，納米銀的熒光增強效應減弱。有關甲基橙溶液的pH值對金屬熒光增強效應影響我們將另文討論。這里我們選擇pH=2.1和pH=6.4的甲基橙溶液作為實例來討論。圖3為pH=2.1和 pH=6.4的甲基橙溶液中加入不同濃度納米銀的吸收光譜及TEM圖。從圖3(a)可見，甲基橙溶液在278和508 nm分別有一個弱、強吸收峰。前者對應苯環結構的吸收，即平行于分子長軸的π-π*躍遷吸收；后者對應醌型結構和β-偶氮位質子化吸收，即n-π*電子躍遷吸收[19-20]。當溶液的pH=6.4(圖3(b)時，n-π*電子躍遷吸收峰藍移至462 nm，這是由于分子結構由醌型結構轉變為腙式結構所致。當甲基橙溶液中加入納米銀，吸收光譜在320~450 nm范圍內出現新的吸收帶，很顯然是納米銀的特征吸收帶。與圖2 (a)比較，峰位分別紅移4 nm(圖3(a)和6 nm(圖3(b)。甲基橙的2個特征吸收峰出現藍移。隨著納米銀濃度增加，納米銀溶膠的特征吸收峰強度和甲基橙溶液短波處的吸收峰強度增加，長波處的吸收峰強度減弱。此外，加入納米銀后吸收譜線交于一點，說明分子與銀膠發生了相互作用并生成了復合物。圖4為2種pH值的甲基橙溶液中加入150 mmol·L-1納米銀溶膠的TEM圖。從圖4可見，部分納米銀顆粒的尺寸增加，同時，在pH=2.1溶液中顆粒出現團聚，而在pH=6.4的溶液無明顯的團聚體。分析認為這與體系中高H+濃度有關。

圖4 pH值為2.1(A)和6.4(B)的甲基橙溶液中加入150 mmol·L-1納米銀溶膠的TEM圖Fig.4 (a)TEM images of the methyl orange solutions with pH values of 2.1(A)and 6.4(B)when adding 150 mmol·L-1silver colloid

2.2 MO-Ag體系的熒光光譜

圖5為pH=2.1和pH=6.4的甲基橙溶液中加入不同濃度納米銀的熒光光譜圖。從圖5可見，在pH= 2.1的溶液中，用270 nm激發甲基橙溶液得到425 nm附近的S2→S0躍遷(與苯環結構有關熒光)和521~547 nm間的S1→S0躍遷(與共軛有關的熒光)2個熒光發射帶[21-22]。在pH=6.4的溶液中除了出現上述兩個熒光發射帶外，還在341 nm附近出現了甲基橙聚集體的熒光[22-23]，表明pH=6.4的溶液中存在大量甲基橙分子聚集體。甲基橙溶液中加入納米銀，S2→S0躍遷熒光發射帶強度下降，S1→S0躍遷熒光發射帶強度明顯增強。隨著納米銀濃度的增加，熒光強度不斷下降或增強，但下降或增加幅度減弱。此外，隨著納米銀濃度增加，S2→S0躍遷熒光發射峰紅移(圖5(A)425 nm附近和圖(B)429 nm附近)。甲基橙聚集體的熒光發射峰藍移(圖5(B)341 nm)。實驗引入的納米銀濃度最高為210 mmol·L-1，沒有繼續增加納米銀濃度是因為體系中納米銀粒子濃度已較高。此外，避免大量銀膠加入導致甲基橙溶液濃度下降而引起熒光強度下降。

圖5 甲基橙溶液中加入不同濃度的納米銀溶膠熒光光譜(λex=270 nm)Fig.5 Emission spectra(λex=270 nm)of the methyl orange solutions containing different concentrations of silver colloids

2.3 發光機理

甲基橙溶液中加入納米銀，正電性的納米銀粒子與甲基橙的-SO3-因靜電作用相互吸引，使甲基橙分子吸附在納米銀顆粒表面[23]，并與納米銀形成甲基橙-納米銀復合體(Ag(MO)n)。納米銀所產生的表面強局域場使吸附及靠近其表面的甲基橙分子電子云密度分布改變，導致電子躍遷能級差增大，引起吸收峰藍移。吸附在納米銀粒子表面的甲基橙間相互作用也會引起分子的吸收峰發生藍移。此外，納米銀溶膠(pH=7)的加入使溶液pH值增加，甲基橙質子遞變平衡中伴隨著的結構改變引起的可見區吸收光譜相應變化，造成吸收藍移和強度下降[24]。比較圖3(A)和(B)，我們認為長波段吸收帶藍移及強度下降是結構改變所致。甲基橙分子吸附在納米銀粒子表面引起電子從金屬粒子轉移到吸附分子中使金屬粒子表面電子密度下降導致銀膠吸收發生紅移[25-26]。納米銀粒子在吸附了甲基橙分子后，其周圍介質的折射系數增大可誘使銀納米粒子的表面等離子體共振紅移。此外，顆粒長大或團聚也會導致吸收峰紅移。根據文獻[22]，甲基橙分子在pH=2.1和pH=6.4溶液中的吸附方式分別是以偶氮苯平面平躺和垂直吸附在納米銀粒子表面。分子垂直吸附在納米銀顆粒表面可增加吸附分子和吸附層厚度，納米銀的表面等離子體共振紅移增加。實驗中加入納米銀膠的濃度是甲基橙溶液濃度的3~21倍，圖3(A)中又可見明顯的納米銀特征吸收峰，表明體系中大量自由狀態的納米銀粒子存在。

具有導電性的金屬納米結構所產生的強局域場能夠敏化吸附在其表面或附近的熒光分子的熒光。熒光增強效率的大小主要取決于兩者間的距離[1-4,27]，也與熒光體的熒光量子產率、金屬納米結構幾何狀態、界面結構、介電環境和熒光體在金屬納米結構表面的吸附密度、結合狀態等有關[1-4,12-15,28]。另外，金屬納米粒子的存在也為分子的熒光激發態提供了一個無輻射能量轉移通道，可能引入某種發光猝滅機制，如碰撞猝滅，靜電猝滅等[29-30]。結果表明，金屬納米結構中分子熒光的增強或猝滅主要取決于膠粒表面局域場的增強和分子與膠體表面間的無輻射能量轉移兩個過程的競爭[1-4,12-15,27]。當金屬納米結構與熒光分子間距離超過有效能量傳輸距離時，熒光分子不能感受到金屬納米結構所產生的局域電磁場，故金屬納米結構對熒光分子的熒光幾乎無影響或者由于金屬納米結構對入射光的吸收使熒光分子的熒光強度下降。在靜電作用下，甲基橙分子吸附和靠近納米銀粒子表面，苯環結構與納米銀粒子間的距離較小[22]，激發態的熒光分子以非輻射形式將能量傳遞給納米銀粒子，造成熒光強度下降。隨著納米銀濃度增加，非輻射能量損失增加，熒光峰紅移。顯然，共軛結構與納米銀粒子間的距離在有效能量傳輸距離內，能夠感受到納米銀粒子周圍的強局域場，使發光中心的電子激發效率和輻射躍遷幾率大幅度提高，使熒光增強。同時，熒光通常發生在具有剛性結構和平面結構的π電子共扼體系的分子中，隨著π電子共軛度的增大，熒光產率也將增大。甲基橙分子為π電子豐富的扁平分子結構，甲基橙分子吸附在納米銀粒子表面形成超共軛體系使分子的共軛效應增強，共軛體系中π電子云密度增加，有利于熒光增強。此外，從圖5可見，位于425 nm處的熒光峰強度隨納米銀濃度增加逐漸下降；而位于521~ 547 nm熒光峰強度隨納米銀濃度的增加迅速增強，即425 nm處熒光強度下降，就有521~547 nm處熒光強度增加，說明體系中存在能量轉移。納米銀粒子的引入可選擇性地將靠近粒子表面的熒光基團發射信號放大，并實現分子內能量轉移。影響能量轉移效率的因素主要有光譜匹配和能量匹配。很顯然，425 nm處的熒光發射帶與521~547 nm熒光發射帶滿足能量匹配，分子間存在能量轉移。

比較圖5(A)和(B)可知，納米銀膠對pH=2.1的甲基橙溶液熒光增強高于pH=6.4的溶液。表明甲基橙分子在納米銀表面以分子共扼平面平躺吸附方式更有利于能量傳遞[22]。分析認為，平躺吸附方式使得發光中心能夠較好地感受納米銀的強局域電磁場作用，而垂直吸附方式不僅增加了發光中心與納米銀間的距離而且也增加了吸附分子量，造成能量傳輸效率下降。根據實驗研究，我們認為金屬納米粒子與發光中心的距離是影響金屬納米粒子與發光體間能量傳輸的關鍵因素。張愛平等[22]也研究了納米銀對甲基橙分子的熒光增強效應，其研究結果與我們的研究結果有差異。我們實驗所選擇的納米銀膠和甲基橙體系與他們的研究不同。我們選擇了四種不同方法制備納米銀膠。研究表明，不同納米銀膠體系對甲基橙溶液的光譜學性質影響規律與圖5相同，但熒光增強或猝滅程度不同，具體的研究分析我們將另文給出。實際上，導電性納米金屬膠體能夠產生熒光增強或猝滅，其理論來源及其包含的物理意義相當復雜[1-11]。在溶膠中熒光分子與膠粒間的距離難以控制，從而使得溶膠中金屬表面增強熒光現象的研究及其應用變得困難。根據我們的工作[12-15]，我們認為納米金屬膠粒與發光中心相對位置是影響金屬熒光增強效應的關鍵。

3 結論

甲基橙溶液中加入納米銀，甲基橙與納米銀由于靜電作用吸附和靠近在納米銀顆粒表面引起甲基橙π-π*和n-π*電子躍遷吸收藍移和S2-S0躍遷熒光發射強度下降，S1-S0躍遷熒光反射強度增強。隨著納米銀濃度增加，S2-S0躍遷熒光發射強度不斷下降，S1-S0躍遷熒光反射強度不斷增強。納米銀對pH=2.1的甲基橙溶液的S1-S0躍遷熒光發射強度的增強大于pH=6.4的甲基橙體系。分析認為造成上述現象的原因是苯環結構的激發態熒光分子與納米銀間發生非輻射能量傳遞造成S2-S0躍遷熒光發射強度下降。共軛結構的激發態分子感受到納米銀粒子的強局域場，使發光中心的電子激發效率和輻射躍遷幾率大幅度提高，使S1-S0躍遷熒光發射增強。此外，納米銀使分子的共軛效應增強，共軛體系中π電子云密度增加也有利于S1-S0躍遷熒光發射增強。甲基橙平躺吸附方式使得發光中心能夠較好地感受納米銀的強局域電磁場作用，而垂直吸附方式不僅增加了發光中心與納米銀間的距離而且也增加了吸附分子量，造成能量傳輸效率下降。

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Effect of Silver Nanoparticles on Spectroscopy Properties of Methyl Orange

WANG Yue-Hui＊ZHU Yi-ShuiZHU Shuo-Xuan
(Department of Chemistry and Biology,University of Electronic Science and Technology of China Zhongshan Institute,Zhongshan,Guangdong 528402)

Absorption bands of electronic transitions of π-π*and n-π*are blue-shifted after the addition of silver colloid.The intensity of fluorescence caused by S2-S0electronic transition and S1-S0electronic transition is quenched and enhanced,respectively,and the effect increases with the increasing of silver colloid concentration.The enhancement of fluorescence of methyl orange with pH value of 2.1 adsorbed on silver colloid is higher than that of pH value of 6.4.The effect of silver colloid on the fluorescent properties of the methyl orange solution is discussed in terms of the local field enhancement and the action among silver nanoparticles and methyl orange and energy transfer investigated by transmission electron microscopy and UV-Visible spectroscopy and spectrofluorophotometer.

silver nanoparticle;methyl orange;local field enhancement;energy transfer

O614；O647.3

A

1001-4861(2010)08-1415-06

2010-02-27。收修改稿日期：2010-05-13。

廣東省自然科學基金(No.7300212)項目和電子科技大學中山學院科研啟動基金項目資助。

＊通訊聯系人。E-mail：wangzsedu@126.com

王悅輝，女，35歲，副教授；研究方向：信息功能材料及光電子材料。