不同粒径金纳米微粒对荧光素钠的猝灭效应研究

不同粒径金纳米微粒对荧光素钠的猝灭效应研究 不同粒径金纳米微粒对荧光素钠的猝灭效 应研究 第28卷,第2期 2008年2月 光谱学与光谱分析 SpectroscopyandSpectralAnalysis Vo1.28,No.2,pp380,383 February,2008 不同粒径金纳米微粒对荧光素钠的猝灭效应研究 郭艳丽,阎宏涛,裴若会 西北大学化学系,陕西西安710069 摘要采用柠檬酸盐合成法制备了不同粒径的金纳米微粒,用吸收光谱和透射电镜对金纳米微粒进行了 表征.研究了不同粒径金纳米微粒与荧光素钠分子的相互作用.发现金纳米微粒对荧光素钠具有荧光猝灭 效应,并且其荧光猝灭程度与金纳米微粒的粒径大小有关.随着金纳米微粒粒径的减小,荧光猝灭程度增 大.探讨了金纳米微粒对荧光素钠荧光猝灭的机理,表明该荧光猝灭为动态猝灭. 关键词金纳米微粒;荧光素钠;荧光猝灭;猝灭机理 中图分类号:0657.3文献标识码:A文章编号:1000—0593(2008)02—0380—04 引言 金纳米微粒具有的独特稳定性,小尺寸效应,量子效应 和表面效应等特点,使其在许多领域表现出潜在的理论和应 用价值. 金纳米微粒应用于荧光光谱分析研究已有报道.Thanh 等_6采用聚合电解质层吸附在金纳米微粒表面制备了荧光纳 米传感器;Asian等_7]对金纳米微粒表面进行了修饰,获得 了具有荧光特性的功能化金纳米微粒,应用于生物传感方面 的研究.金纳米微粒对荧光激发态的猝灭也有研究报道. Ray等【8]以金纳米微粒对标记的寡核苷酸探针的猝灭效应, 进行了单链DNA杂交的研究;Huang等_9曾报道了硫醇修 饰的金纳米微粒对三联吡啶钌分子的荧光猝灭作用;Fan 等_10?发现金纳米微粒对共轭聚合物的荧光具有高效的猝灭 作用.然而,不同粒径的金纳米微粒与荧光物质的相互作用 及其影响鲜有报道. 荧光素及其衍生物是最为广泛使用的一种荧光探针,本 文以荧光素钠作为探针,研究了金纳米微粒对荧光素钠荧光 猝灭的机理以及金纳米微粒粒径对荧光素钠分子猝灭效应的 影响.结果表明该猝灭过程为动态猝灭过程.实验发现金纳 米微粒对荧光素钠分子荧光猝灭程度与其粒径有关.随着金 纳米微粒粒径的减小,活性比表面积增加,荧光猝灭程度亦 随之增大. 1实验部分 1.1主要仪器与试剂 UV-1700紫外一可见分光光度计(Shimadzu公司,日本); RF-1501荧光分光光度计(Shimadzu公司,日本);JEM-3010 透射电子显微镜(电子株式会社,日本);DF-101S恒温加热 磁力搅拌水浴锅;Orion868型台面式pH/ISE测试仪. 氯金酸(HAuCl4?4HzO,国药集团化学试剂有限公司) 溶液,0.2;柠檬酸钠(西安化学试剂厂)溶液,1;荧光 素钠(天津市化学试剂一厂)溶液,1ktg?mL-.;柠檬酸一柠 檬酸钠缓冲溶液(pH6.6),浓度为0.1tool?L-.. 实验中所用试剂均为分析纯,水为亚沸水. 1.2金纳米微粒的制备 金纳米微粒的制备参照文献[11].准确移取5mL0.2 的HAuCl4溶液于150mL锥形瓶中,加水至总体积约为95 mL.沸水浴加热30min后,在强力搅拌条件下迅速准确加 入一定量的1柠檬酸钠溶液(控制柠檬酸钠的加入量,以获 得不同粒径的金纳米微粒),继续置于沸水浴中加热搅拌1O min,再在室温下搅拌10min,自然冷却后,将反应生成的金 纳米微粒溶液定容到100mL容量瓶中. 1.3实验方法 将金纳米微粒溶液滴于镀炭膜的铜网上,制备含有金纳 米颗粒的TEM样品,用透射电子显微镜对金纳米微粒形貌 和粒径进行表征. 于10mL具塞比色管中,分别依次加入1mL1g? mL荧光素钠溶液,0.5mL柠檬酸一柠檬酸钠缓冲溶液,一 收稿日期:2006一10—08.修订日期:2007—01—09 基金项目:陕西省自然科学基金项目(20031309)资助 作者简介:郭艳丽,女,1972年生,西北大学化学系讲师e-mail:guoyl@nwu.edu.cn 第2期光谱学与光谱分析381 定量的不同粒径的金纳米微粒,定容后,采用紫外一可见分光 光度计和荧光分光光度计分别测定紫外可见吸收光谱和荧光 光谱. 2结果与讨论 2.1金纳米微粒的表征结果 透射电镜图谱显示所制备的不同粒径的金纳米微粒形状 呈球形,在溶液中分散均匀,其粒径大小见表1. Table1Characteristicsofgoldnanoparticles 吸收光谱结果表明不同粒径金纳米微粒在400~600rim 处有一宽带吸收(见图1),为金纳米微粒典型的等离子体共 振吸收带,并且随着金纳米微粒粒径的增大,最大吸收峰红 移,这与文献[12]报道结果一致. Wavelength/am Fi昏1UV-visiblespectra a:12amAunanopaticles;b:21amAunanopaticles;c:30amAu nanopaticles;d:a-[-fluoresceinsodium;e:6+fluoresceinsodium;f: c+fluoresceinsodium Concentration:Fluoresceinsodium,0.1g?mL;CAu:59/zmol? I1 实验中于不同粒径的金纳米微粒溶液中加入荧光素钠, 其吸收光谱如图1所示.由图1线d,厂可见加入荧光素 钠后,金纳米微粒的等离子体共振吸收强度有所减弱,最大 吸收峰蓝移,并且这种减弱和蓝移现象随着不同粒径的金纳 米微粒加入后,均呈现相同结果.这是由于荧光素钠分子在 金纳米微粒表面的吸附作用,从而改变了金纳米微粒的表面 特性,导致金纳米微粒的等离子体共振吸收峰的强度改变和 位置移动L1. 2.2金纳米微粒的荧光猝灭效应 实验进行了不同粒径金纳米微粒对荧光素钠荧光的影响 研究,为了避免金纳米微粒的瑞利散射峰对荧光素钠荧光的 影响,实验选择为455rim.图2曲线n,d分别为加入一 定量的不同粒径的金纳米微粒和未加入金纳米微粒时荧光素 钠的荧光发射光谱.结果表明荧光素钠的荧光光谱位于 508nlTl处,加入一定量的不同粒径的金纳米微粒溶液后(金 的含量相同),荧光素钠的荧光发射峰的形状虽无明显变化, 但因金纳米微粒的猝灭效应,荧光发射峰的强度均有不同程 度降低,并且这种猝灭效应随着金纳米微粒的粒径减小而增 大. 50o5506oo Wavelength/am Fig.2Emissionspectraoffreefluoresceinsodium(0.1? mL)(d)andmixturesbetweenfluoresceinsodium (0.1I培?mL一.)and12am(口),21nnl(6),30nnl (c)goldnanoparticles(29llol?L),respectively 另外,在荧光素钠溶液中加入同一粒径的不同浓度金纳 米微粒溶液,随着金的浓度增加,荧光素钠的发射峰的形状 没有明显的变化,而发射峰的强度在不断降低.表明金纳米 微粒对荧光素钠的猝灭效应随着金纳米微粒溶液的浓度的增 大而增大. 对于动态猝灭和静态猝灭,Stem-Volmer方程为 /F一1+(Ks+KD)[CQ]+KsKD[CQ](1) 式(1)中Q为猝灭剂,KS和Ko分别为动态猝灭常数和静态 猝灭常数,忽略式(1)右边的二次项,则方程变为 /F一1+KQ[CQ](2) 其中KQ一(Ks+KD).方程(2)表明猝灭剂与/F之间存 在线性关系. 将不同浓度的三种不同粒径的金纳米微粒(12,21,30 nm)~D人荧光素钠溶液进行荧光光谱测定,以/F对Au (1lI)浓度做图,可以得到3条直线(图3a~c).说明不同粒 径的金纳米微粒对荧光素钠的猝灭符合Stem-Volmer方程. 将有关数据代人Stern-Volmer方程,求得的A,B,C三种不 同粒径的金纳米微粒对荧光素钠荧光猝灭常数分别为:1.5 ×10,6.8×10.和5.0×10.L?mol.结果表明随着金纳 米微粒粒径的增大,荧光猝灭常数变小. 2.3荧光猝灭的粒径效应 三种粒径金纳米微粒对于荧光素钠产生的荧光猝灭效 应,与金纳米微粒的浓度有直接关系.实验中制备的金纳米 微粒,不同粒径的金纳米微粒溶液中金的浓度是相同的.因 此金纳米微粒的粒径越小,溶液中所包含的金纳米微粒的数 量就越多,金纳米微粒的浓度就越大.随着纳米微粒尺度的 0O0000弱5 目u1u譬0岳 ?o0们o《 382光谱学与光谱分析第28卷 减小,纳米微粒比表面积急剧变大,处于表面的原子数越来 越多,表面原子与总原子数之比迅速增加”]. 0102030 CAu/Otmol?L) Fig.3SterwVolmerplotofFo/Ffor0.1g?mL,fluores— ceinsodiumaqueoussolutionVSconcentrationofg0ld nanoparticleswithdifferentsizes 1:12rim;2:21rim;3:3Onmgoldnanoparticles 当金纳米微粒加入到荧光素钠溶液后,荧光素钠分子在 金纳米微粒表面和溶液中达到热动力学平衡,荧光素钠分子 被吸附到金纳米微粒表面.这种吸附行为与金纳米微粒的结 构和组成,荧光素钠溶液的性质等密切相关.一定实验条件 下,吸附量的大小仅只与金纳米微粒的粒径有关.金纳米微 粒粒径的减小,则金纳米微粒的比表面积增大,其表面所吸 附的荧光素钠分子的数量增多.而在金纳米微粒与被吸附分 子之间存在着能量转移,使得荧光分子的无辐射驰豫增大. 因此,小粒径的金纳米微粒对荧光素钠的猝灭效应就更为显 着. 2.4猝灭机理 实验制备的金纳米微粒溶液是一种带负电的疏水性胶 体_11].中性水溶液中,荧光素钠分子以阴离子型的形式存 在,分子上的基团CO0一与负电性的金纳米微粒之间存在着 较强的库仑斥力,另外由于金纳米微粒具有较高的比表面能 且具有疏水性,荧光素钠分子可通过物理吸附作用(如分子 昌 鲁 暑 赛 尝 200 150 100 50 0 Fig.4Overlapbetweentheemissionoffluoresceinsodium (0.1Pg?mL,,d)andtheabsorbanceofgoldnano— particles(59?L一)of12nm(n),21nm(6) and30nm(c) 间力等)吸附在金纳米微粒表面.这两种作用力的作用结果 使得吸附作用较弱,荧光分子到金纳米微粒表面距离相对变 大.由于纳米粒子的局域场效应随荧光分子离开粒子的距离 迅速减小_1,故在光激发下,金纳米微粒的局域场对于荧光 素钠分子的荧光光谱强度影响较弱. 金纳米微粒具有连续的电子能态,一定条件下能与荧光 分子之间产生能量转移_g],能量转移的几率与荧光物质的发 射光谱与金纳米微粒的吸收光谱两者重叠程度有关.图4为 荧光素钠的发射光谱和3种不同粒径金纳米微粒溶液的吸收 光谱.从图中可见,金纳米微粒溶液的吸收光谱与荧光素钠 的发射光谱有着很大的重叠,使得能量转移可以有效进行. 金纳米微粒与被吸附荧光分子之间的能量转移提供了激发态 分子的能量衰减通道,使分子的无辐射弛豫增大.并且这种 无辐射能量转移效应大于局域场增强效应,因此产生荧光猝 灭效应. 荧光猝灭包括动态猝灭和静态猝灭.发生静态猝灭时吸 收光谱发生变化,而发生动态猝灭时吸收光谱不发生变化, 并且静态猝灭荧光强度随温度的升高而增强,即静态猝灭常 数随温度的升高而减小,而动态猝灭常数随温度的升高而增 大. 如上所述,荧光素钠分子仅是吸附在金纳米微粒表面, 形成基态复合物的可能性不大,因此,推测金纳米微粒对荧 光素钠分子的荧光猝灭可能是动态猝灭,而并非是形成了基 态复合物的静态猝灭. 为进一步证明其猝灭机理,实验分别测定了不同温度 (25~C,35~C,45~C)下金纳米微粒(12nm)一荧光素钠体系 在Aem为508衄处的荧光强度,以Fn/F对金浓度作图,可 以得到三条直线.结果表明:随着温度升高,猝灭曲线的斜 率增大,即荧光猝灭常数增大(见表2),因此金纳米微粒对 荧光素钠分子的荧光猝灭为动态猝灭. TaMe2Quenchingconstants(go)atdifferenttemperature Fluoresceinsodium:0.1?n一 3结论 进行了不同粒径金纳米微粒对荧光素钠荧光猝灭的研 究.发现金纳米微粒对荧光素钠的猝灭程度与金纳米微粒的 粒径有关,随着金纳米微粒粒径的减小,荧光猝灭程度增 大,其原因与小粒径的金纳米微粒具有大的活性比表面积有 关.讨论了金纳米微粒对荧光素钠荧光猝灭的机理,表明该 荧光猝灭为动态猝灭. ; 曲函 冒?II一_J_J?-10I1. 第2期光谱学与光谱分析383 [1] [2] [3] [4] [5] [6] 7] 8] 9] 103 [11] [123 [133 [143 E153 参考文献 SaundersAE,SigmanMBJr,KorgelB八J.Phys.Chem.B,2004,108:193. GallettoP,BrevetPF,GiraultHH,eta1.J.Phys.Chem.B,1999,103:8706. SaydB,PrashantVK,SuratH.J.Phys.Cham.B,2005,109:716. SHENLi—ming,YA0Jian—lin,GURen-ao(沈理明,姚建林,顾仁 敖).SpectroscopyandSpectralAnalysis(光谱学与光谱分析),2005, 25(12):1998. JinR,WuG,LiZ,eta1.J.A?LChemSOc.,2003,125:1643. ThanhNTK,Rosenzweig乙 AbstractsofPapers,225thACSNationalMeeting,March23,2003(2003).Publisher:AmericanChemical Society,Washington,DC AslanK,Perez-LunaVH.JournalofFluorescence,2004,14:401. RayPC,FortnerA,GriffinJ,eta1.ChemicalPhysicsLetters,2005,414:259. 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QuenchingEffectofGoldNan0particlesforFluoresceinSodium GUOYan-li,YANHong—tao,PEIRuo-hui DepartmentofChemistry,NorthwestUniversity,Xi’an710069,China AbstractThespectroscopiccharacteristicofinteractionoffluoresceinsodiumandgoldnanoparticleswithdifferentsizeswasin— vestigatedviaUVVisandfluorescencespectrophotometry.Itwasshownthatfluoresceinsodiumadsorbedrespectivelyontothe differentsizedgoldnanoparticlesurfacesuffersdifferentextentofquenchingoftheirfluorescence.Thequenchingefficiencyis differentfordifferentsizedgoldnanoparticles.Itwasfoundthatsmallergoldnanoparticlesaremoreefficientquenchersdueto theirlargersurfaceareas.Thequenchingmechanismwasdiscussed.Itwasadynamicquenching. KeywordsGoldnanoparticles;Fluoresceinsodium;Fluorescencequenching;Quenchingmechanism (ReceivedOct.8,2006;acceptedJan.9,2007)