基于新型荧光功能聚合物的金属增强荧光效应的研究

Metal-enhanced fluorescence (MEF) is an increase in the emission intensity of a fluorophore when it gets close proximity to a metallic surface. The MEF-based technology shows a promising application prospect in many fields, such as chemical and biological sensing, biological imaging, single-molecular detection, DNA non-destructive testing, FRET immunoassay etc. Currently, most of the MEF studies have been carried out on planar films, and high enhancement factor has been obtained. However, the fluorescence enhancement in colloids systems is far lower than that on planar films, due to the fact that fluorophores cannot be placed exactly in the efficient interaction range of plasmonic nanostructures. In this project, MEF colloid system will be developed based on gold nanoparticles and functional polymers marked with dye at special site. Accordingly, the distance between fluorophore and metal can be finely adjusted in nanoscale by controlling the polymerization degree and other stimulus. Higher fluorescence enhancement is expected to be obtained, and impact factors and enhancement mechanism of MEF will be explored.

金属增强荧光效应是指当荧光分子接近金属表面时，其荧光发射强度相对于自由态的荧光发射强度显著增加的现象。基于金属增强荧光原理的技术在化学和生物传感、生物成像、单分子检测、DNA无损检测、荧光共振能量转移免疫分析等多个领域展现出巨大的发展潜力。目前关于金属增强荧光效应的研究主要集中在固体薄膜体系，并已获得了较好的增强效果，而溶液分散体系中的研究相对较少，且效果不明显。这是因为金属增强荧光效应强烈依赖于荧光基团和金属表面的距离，而在溶液分散体系中，通过静电吸引等弱相互作用组装的荧光小分子与金属表面之间的距离难以精确固定。本项目将构建以特定位点带有荧光基团的功能聚合物和金纳米粒子为基础的金属增强荧光体系，利用聚合物长度的可控性在纳米尺度上精细调节荧光基团和金属表面的距离，以实现最佳荧光增强效果，在制备优异发光性能的荧光复合纳米粒子的同时也系统地探索金属增强荧光效应的影响因素和增强机制。

荧光技术被广泛地应用在化学、生物和医药等领域，其快速发展对荧光材料提出了更高的要求，在探索新型荧光材料的同时，提高和改善现有荧光材料的发光性能也具有重要的实际应用价值。在本课题的研究中，我们设计合成了多种基于新型荧光功能聚合物的复合纳米粒子体系，实现了荧光性能的增强，并探索了其在生物领域的应用。基于金属增强荧光效应的原理，我们合成了特定位点带有荧光基团的功能聚合物和金纳米粒子的复合荧光体系，通过调控聚合物的长度在纳米尺度上精细调节荧光基团和金属表面的距离，实现了荧光强度的增强。制备了同时具有金属增强荧光效应和拉曼信号的纳米粒子，实现了细胞的荧光和拉曼成像。另外，我们也探索了通过其他途径来改善和提高荧光性能，通过引入聚集增强荧光效应的结构，提高发光效率的同时，还分别实现了生物分子检测和多色成像；通过共价键将共轭寡聚物引入到二氧化硅纳米粒子中，减少聚集和分子振动，极大提高了其发光效率，实现了高效指纹检测；通过将苯基引入到氮化碳材料的结构中，提高了其发光量子产率并促使其发射波长移动，实现了良好的细胞成像效果。