基于氧化石墨烯辅助增强表面等离子体耦合发射的新方法研究

Surface plasmon coupled emission (SPCE) is a special fluorescence phenomenon which is induced by the near-field interaction between the surface plasmons (SPs) and excited fluorophores. SPCE has drawn much attention due to its unique characteristics, including spectral resolution, directional emission, high polarization and distance dependence. In SPCE, the fluorescence signal is enhanced by a factor of 1000 theoretically because of the directional emission and the strong electromagnetic field enhancement, but in fact, the enhancement factor obtained from real experiment is about 10. Graphene oxide (GO) assistance is a universal method to enhance SPCE signal. Considering the modulation of the properties of SPs and the unique surface characteristics of GO, this project is devoted to developing the novel enhancement methods based on GO assisted SPCE. The factors planned to introduce include external magnetic field, “hot spot” structure and substrate expansion. The enhancement conditions of different factors are studied systematically to obtain their cooperative effect with GO. The advantages of these enhancement factors are utilized to bulid the novel enhancement methods and develope the new effective coupling system based on G0 assisted SPCE.

表面等离子体耦合发射（SPCE）是基于表面等离子体与荧光团的近场相互作用而产生的独特荧光现象，具有波长分辨、定向发射、偏振辐射及距离依赖等特性，得益于定向发射以及场增强作用，理论荧光增强可达1000倍，但实验获得的信号增强仅约10倍。氧化石墨烯（GO）辅助是一种普适的增强SPCE信号的方法，本项目利用GO对等离子体性质的调控及其优越的表面特性，开发基于GO辅助SPCE的新增强体系，进一步优化体系性质和信号。引入体系的增强因子包括：外磁场、“热点”结构以及基底拓展。系统研究不同增强因子适用的增强条件，探究其与氧化石墨烯的协同效应，以期利用它们的优势特性，构建不同的协同增强策略，发展基于GO辅助SPCE体系的高效耦合荧光增强新系统。

表面等离子体耦合发射（SPCE）是近年来发展起来的基于传播表面等离子体与激发态发光体相互作用而产生的独特发射增强现象。SPCE理论上可获得近千倍的荧光增强。然而在实际检测中，由于仪器状态、基底制备等外在因素的影响，SPCE增强倍数远低于理论预测。SPCE 方法荧光信号增强、兼具表面等离子体与荧光双重信息，进一步有效增强SPCE的信号，提高检测灵敏度是一项极具意义的工作。本研究工作将外场、碳纳米材料以及异形纳米颗粒用以调控SPCE体系性质，对其增强能力和调控机理进行研究，并最终建立高灵敏的检测传感平台。研究结果如下：1.采用碳纳米管首次实现耦合发射的调控，获得了相较于普通荧光约65倍的信号增强，将其用于免疫球蛋白的灵敏传感，实现了宽线性范围内的高灵敏检测。2.不同形状纳米颗粒的电磁场性质各异，精确控制纳米颗粒的性质形成“热点”结构，能够构建新型高效的调控检测体系。（1）将银纳米立方体引入耦合体系，利用尖端结构对电磁场的汇聚能力大大提高了耦合效率。与氧化石墨烯协同，最终获得了近30倍的耦合发射增强。异形纳米颗粒首次引入SPCE系统，为体系建立、条件优化以及机理解释等方面提供了研究基础。（2）金纳米壳由于其内外表面均具有等离子体共振性质，将其引入耦合发射体系，相较于普通荧光发射信号增强了110倍。同时首次提出了波长匹配耦合，荧光团发射能量与纳米颗粒吸收能量匹配，可进一步增强调控体系的电磁场强度，为等离子体增强体系的高效建立提供了理论基础和研究方法。（3）金纳米笼内外表面等离子体间的相互作用使其等离子体共振现象更为明显。将其引入耦合发射体系，获得了相较于普通荧光发射近600倍的信号增强，该增强对于基底表面10 nm以内的荧光团作用尤为明显。体现了金纳米笼调控的SPCE体系能够克服传统体系当中固有的共振能量转移损失，可以实现近场全区域耦合增强。结合纳米颗粒增强的波长匹配，将混合纳米颗粒用于多波长同时检测，实现了单波长激发，三波长的同时增强检测。（4）将金纳米球通过静电吸附和物理匀胶的形式引入SPCE体系，实现多耦合模式的信号调控，为调控模式的灵活选择提供研究方法和理论依据。3.采用磁场作为外场作用到耦合过程中用以调控体系性质，结合磁性纳米颗粒，将外磁场作用引入耦合基底实现调控效果的突跃，并最终将磁场调控体系用于目标DNA的检测，这是磁场调控耦合体系在生物检测领域的的首次应用。