具有形貌可控负曲率表面的银包裹金纳米棒制备及其荧光调控特性研究

By choosing different kinds of surfactant such as NaOL, CTAB, PVP, etc. and adjusting the concentration ratio of the shape control such as iodine ion or chloride ion, we will focus on the experimental process conditions to forming end and lateral curvature during gold nanorods and silver shell growth, and then find out the microscopic mechanism of anisotropic growth nanostructures with a variety of experimental parameters coordinately regulated. Furthermore, two kinds of bimetal core-shell nanoparticles with different negative curvature of the interface containing dogbone gold core- capsule silver shell nanostructures and capsule gold core- dogbone silver shell nanostructures will be prepared. By testing the fluorescence spectrum of BSA, AFP and other protein molecules interacting with the bimetal core-shell nanostructures, we expect to elucidate influence mechanism of the end face and lateral size of the negative curvature and curvature radius of the nanoparticles on the fluorescence peak intensity and wavelength shift of the protein molecule. By calculating the local electric field distribution and nonradiative energy transfer efficiency of the nanostructure, and combined with negative curvature dependent surface of the metal surface charge distribution and plasmon resonance coupling characteristics, we try to investigate the physical mechanism of the protein molecule fluorescence spectroscopy changed with the geometry parameters such as surface negative curvature of the nanostructures. Through the analysis of multiple spectral information including fluorescence intensity and peak wavelength simultaneously, we want to build up new spectral parameters, and then develop a novel detecting method of protein molecules based on spectral analysis with improved sensitivity.

通过选用不同种类的表面活性剂（NaOL、CTAB、PVP等）并调节其与碘离子、氯离子等形貌控制剂的浓度配比，研究金纳米棒及银包裹层在生长过程中端面与侧面形成不同曲率凹陷的工艺条件和多种实验参数协同调控纳米结构各向异性生长的微观机制；制备出具有不同负曲率界面的狗骨头状金核-胶囊状银壳纳米结构以及具有不同负曲率表面的胶囊状金核-狗骨头状银壳纳米结构。通过测试BSA、AFP等蛋白质分子与该双金属核壳纳米结构相互作用的荧光光谱，探明颗粒端面与侧面负曲率大小及曲率半径比对蛋白质分子荧光峰强度及峰位移动的影响规律。通过计算该纳米结构的局域电场分布和无辐射能量转移效率，并结合金属表面负曲率依赖的表面电荷分布及等离子体共振耦合特性，找到蛋白质分子荧光光谱随颗粒负曲率表面几何参数变化的物理机理。通过同时分析荧光强度、峰值波长等多重光谱信息构建出新的光谱参量，进而找到提高蛋白质分子检测灵敏度的光谱分析新方法。

贵金属纳米结构的形貌调控、光学特性以及在生化光谱检测中的应用是物理学和生物医学工程领域的重要研究方向。本课题开展并完成了以下研究内容：1.制备出具有负曲率表面的金纳米骨头，实现了端面负曲率及等离体子光学特性的调控。由于端面凸起间的SPR耦合，使金纳米骨头颗粒表现出较强的局域场效应和SERS活性。成功制备出银包裹的金纳米骨头，发现银包覆金纳米骨头颗粒在修饰氧化石墨烯（AuNBs@Ag@GO）后SERS活性可进一步增强。AuNBs@Ag@GO作为SERS基底可实现尿液中葡萄糖的检测。2. 研究了具有负曲率界面双金属核壳纳米结构的SPR光谱特性。理论研究了具有负曲率Au-Pt界面的金铂核壳纳米棒的等离体子光吸收特性。发现Au–Pt核壳纳米棒具有更高的折射率传感能力。基于刻蚀依赖的金银核壳纳米三角板吸收光谱从波峰到波谷的变化实现了汞离子的比色检测。成功制备出具有负曲率表面的金纳米四角星。通过银层包裹，发现当金尖端仍暴露在银层外时SERS活性最强，可用于SPR/SERS双模式碘化物检测。3. 研究了具有两种类型负曲率表面多枝杈蛋黄-蛋壳型双金属纳米结构的制备及光谱特性。由于枝杈间具有开放型负曲率表面，核壳间具有封闭型负曲率表面，AuAg@AuAg蛋黄-蛋壳型纳米颗粒具有优异的SPR特性和SERS活性，并可用于农药残留的拉曼光谱检测。4. 研究了具有负曲率间隙的卫星纳米结构的自组装及SPR光谱特性。设计并制备了具有空心多孔金纳米壳内核及金纳米环卫星的纳米组装体，并实现了CEA的SERS/荧光双模式检测。实现了金纳米棒与金纳米球之间的卫星结构自组装，并利用其荧光淬灭特性实现了Hg离子的高灵敏度检测。5. 研究了具有负曲率界面的三层金属核壳纳米结构的制备及光学特性。包括金银双金属纳米管的共振光散射特性，铂包裹金纳米孔的局域场增强特性，银-介质-金纳米球壳的荧光淬灭特性以及Au@AuAg纳米三角板的SERS特性，并探讨了其SPR特性的物理机制及其在生化检测中的应用。这些研究结果为基于SPR、SERS和表面增强荧光的生化光学检测打下了基础。