一种延迟激射发光纳米探针及其制备方法

摘要

本发明公开了一种延迟激射发光纳米探针，包括Au纳米颗粒、包裹在Au纳米颗粒表面的致密二氧化硅隔离层和覆盖在致密二氧化硅隔离层表面的染料分子掺杂的二氧化硅层；上述染料分子具有三重激发态以形成三能级结构，Au纳米颗粒的谐振频率与染料分子的三重态能级相匹配。本发明还公开了上述发光纳米探针的制备方法。本发明的发光纳米探针等离激射光谱线宽仅在3nm左右，激射阈值低至1.0mJ/cm2，发光寿命约为102μs，可应用于超多通道同时检测，提高检测精确度，适用于生物检测；且其制备方法安全、高效，适合大规模推广应用。

权利要求

1.一种延迟激射发光纳米探针，其特征在于，该延迟激射发光纳米探针包括Au纳米颗粒、包裹在所述Au纳米颗粒表面的致密二氧化硅隔离层和覆盖在所述致密二氧化硅隔离层表面的染料分子掺杂的二氧化硅层，所述Au纳米颗粒的粒径为15～25nm；所述致密二氧化硅隔离层的厚度为1～2nm；所述染料分子掺杂的二氧化硅层的厚度为20～25nm；所述染料分子具有三重激发态，所述Au纳米颗粒的谐振频率与所述染料分子的三重态能级相匹配。

2.根据权利要求1所述的延迟激射发光纳米探针，其特征在于，所述延迟激射发光纳米探针的粒径为55～75nm。

3.根据权利要求1所述的延迟激射发光纳米探针，其特征在于，所述延迟激射发光纳米探针的等离激射光谱的线宽为3～5nm，激射阈值为0.9～1.0mJ/cm2，延迟激射发光寿命在

102μs量级。

4.根据权利要求1所述的延迟激射发光纳米探针，其特征在于，所述染料分子为2′，7′-

3 4

二氟荧光素；所述染料分子掺杂的二氧化硅层中，染料分子的个数为10～10个。

5.一种权利要求1～4中任意一项所述的延迟激射发光纳米探针的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)向Au纳米颗粒的分散液中加入氨基硅烷化试剂或巯基硅烷化试剂，搅拌反应15～

20min后加入pH为10～11的硅酸钠溶液，在90～95℃条件下搅拌反应2～3h，得到表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒；

2)以染料分子螯合的硅烷化试剂和硅酸四乙酯为原料，在所述二氧化硅隔离层表面生长染料分子掺杂的二氧化硅层，向步骤1)制得的表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒的分散液中加入染料分子螯合的硅烷化试剂、硅酸四乙酯和还原剂，在室温下搅拌反应2～

3h；所述Au纳米颗粒、染料分子、硅酸四乙酯和还原剂的摩尔比为1∶104∶106∶107量级，得到所述延迟激射发光纳米探针。

6.根据权利要求5所述的延迟激射发光纳米探针的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述氨基硅烷化试剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷，所述巯基硅烷化试剂为3-巯基丙基三乙氧基硅烷；加入的Au纳米颗粒、氨基硅烷化试剂或巯基硅烷化试剂以及硅酸钠的摩尔比在为1∶107∶106量级。

7.根据权利要求5所述的延迟激射发光纳米探针的制备方法，其特征在于，所述染料分子螯合的硅烷化试剂由2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺和硅烷化试剂在惰性气氛保护中，在室温下反应30～40min制得，所述硅烷化试剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷或3-巯基丙基三甲氧基硅烷。

8.根据权利要求7所述的延迟激射发光纳米探针的制备方法，其特征在于，所述2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺和3-巯基丙基三乙氧基硅烷的摩尔比为1∶30～50，所述惰性气氛为氮气气氛或氩气气氛；所述还原剂为氨水。

说明书

一种延迟激射发光纳米探针及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明涉及纳米材料和生物检测领域，特别是涉及一种延迟激射发光纳米探针及其制备方法。

背景技术

[0002] 到目前为止，发光探针如荧光染料和蛋白质、半导体纳米晶体(即量子点)、上转换纳米颗粒和生物发光分子等在生命科学、医学和化工等相关领域的广泛应用已经产生了不可估量的社会价值。但是，传统的发光探针依然存在着许多缺点，如发射光谱范围较宽、发光寿命较短等。通常，荧光染料和蛋白质发射光谱峰宽约50～100nm(Chem.Rev.，2012，112，4391-4420)，量子点和上转换纳米颗粒具有较窄的光谱，但仍在30～50nm(Chem.Rev.，
2016，116，10820-10851；Nat.Nanotechnol.，2015，10，924)的范围内。较宽的光谱很大程度上限制了样品上可同时标记的可分辨颜色的数量，通常最多为4-5种。传统发光探针的发光寿命较短(Nat.Photonics，2013，8，32)，很容易和组织中内源性分子的荧光发射重叠而干扰测定。

[0003] 发生受激辐射的激光具有约1-2nm的超窄光谱，如果可以将激光器缩小到纳米尺寸，就可以实现超多通道同时检测。然而，理论上光子腔的物理尺寸不能小于半波长，实际上通常需要几微米到几十微米来补偿光损失(Nat.Rev.Mater.，2016，1，16028)，这对于生物探针来说显然太大。

[0004] 进一步缩小激光器尺寸的一种有前景的方法是用电荷密度波替换腔中的光波，称为表面等离子体激光器(Surface Plasmon Laser)或简称为SPASER(Phys.Rev.Lett.，2008，101，226806)。原理上，SPASER的物理尺寸可以缩小到几纳米，激光作用可以通过传播或局域表面等离子体激元得到支持。基于局域表面等离子体激元的SPASER提供原位振荡反馈，使得在单个纳米颗粒上建立起立式激光发射器成为可能(Nature，2009，460，1110)。尽管单颗粒SPASER在生物学应用中有潜在的广阔应用前景(Nat.Commun.，2017，8，15528)，但单颗粒谐振腔的低品质因子(～15)，高欧姆损失和短等离子体寿命(fs-ps)(Laser Photonics Rev.，2013，7，1-21)限制了它的应用。为了实现粒子数反转并补偿损耗，通常需要非常高的泵浦能量(＞102mJ/cm2)(Nano Lett.，2013，13，4106-4112)。这些苛刻的条件大大削弱了其作为生物探针应用的潜力，特别是用于活细胞分析。另外，由于腔内能量保留时间短，这种类型的SPASERs被认为会发出短脉冲(～ps-ns)(Laser Photonics Rev.，2013，
7，1-21)。如此短的发光寿命对于生物探针来说这很不利，因为大部分发光信号会被强的自发辐射背景所掩盖。

发明内容

[0005] 发明目的：本发明的目的是提供一种等离激射光谱线宽窄、激射阈值低、发光寿命长的发光探针。

[0006] 本发明的另一目的是提供能够安全、高效地批量合成上述发光探针的方法。

[0007] 技术方案：本发明提供一种延迟激射发光纳米探针，该探针包括Au纳米颗粒、包裹在Au纳米颗粒表面的致密二氧化硅隔离层和覆盖在致密二氧化硅隔离层表面的染料分子掺杂的二氧化硅层；染料分子具有三重激发态以形成三能级结构，Au纳米颗粒的谐振频率与染料分子的三重态能级相匹配。

[0008] 本发明使用Au纳米颗粒作为等离子体谐振腔，染料分子作为增益介质，染料分子受激发后，能量从三重激发态电子向等离子体谐振腔的单向传导很好地抑制了受激吸收的产生，从而很好地降低了激射阈值并延长了等离激射发光寿命。

[0009] 上述延迟激射发光纳米探针为包含核-壳-壳的三层核壳结构，延迟激射发光纳米探针粒径为55～75nm；上述延迟激射发光纳米探针的等离激射(Spasing)光谱的线宽为3～5nm，激射阈值为1.0mJ/cm2，延迟激射发光寿命在102μs量级。优选地，延迟激射发光纳米探针中，Au纳米颗粒的粒径为15～20nm；致密二氧化硅隔离层的厚度为1～2nm；染料分子掺杂的二氧化硅层的厚度为20～25nm。

[0010] 优选地，染料分子为2′，7′-二氟荧光素；染料分子掺杂的二氧化硅层中，染料分子的个数约为103～104个。

[0011] 本发明另一方面提供一种制备上述延迟激射发光纳米探针的方法，包括以下步骤：

[0012] 1)向Au纳米颗粒的分散液中加入氨基硅烷化试剂或巯基硅烷化试剂，搅拌反应15～20min后加入pH为10～11的硅酸钠水溶液，90～95℃搅拌反应2～3h，得到表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒；

[0013] 2)以染料分子螯合的硅烷化试剂和硅酸四乙酯为原料，在二氧化硅隔离层表面生长染料分子掺杂的二氧化硅层，得到所述延迟激射发光纳米探针。

[0014] 步骤1)中，Au纳米颗粒可使用本领域已知的方法进行制备；优选地，氨基硅烷化试剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷，巯基硅烷化试剂为3-巯基丙基三乙氧基硅烷；Au纳米颗粒、氨基(或巯基)硅烷化试剂和硅酸钠的摩尔比为1∶107∶106。

[0015] 步骤2)中，在二氧化硅隔离层表面生长染料分子掺杂的二氧化硅层的方法包括：向步骤1)制得的表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒的分散液中加入染料分子螯合的硅烷化试剂、硅酸四乙酯和还原剂，在室温下搅拌反应2～3h；Au纳米颗粒、染料分子螯合的硅烷化试剂、硅酸四乙酯和还原剂的摩尔比为1∶104∶106∶107。

[0016] 步骤2)中，染料分子螯合的硅烷化试剂是由摩尔比为1∶30～50的2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺和3-巯基丙基三乙氧基硅烷在惰性气氛保护下室温反应30～40min制得。

[0017] 优选地，硅烷化试剂为3-氨基丙基三乙氧基硅烷、3-巯基丙基三乙氧基硅烷或3-巯基丙基三甲氧基硅烷；还原剂为氨水。

[0018] 有益效果：本发明的发光纳米探针等离激射光谱线宽仅在3nm左右，激射阈值低至1.0mJ/cm2，发光寿命约为102μs，可实现超多通道同时检测，提高检测精确度，适用于生物检测；本发明的制备上述发光纳米探针的方法安全、高效，适合大规模推广应用。

附图说明

[0019] 图1是延迟激射发光纳米探针的剖面结构示意图；

[0020] 图2是延迟激射发光纳米探针的透射电镜图；

[0021] 图3是延迟激射发光纳米探针的激射发光光谱图；

[0022] 图4是延迟激射发光纳米探针的发光光谱随泵浦能量变化图；

[0023] 图5是延迟激射发光纳米探针的发光光谱随泵浦能量变化曲线；

[0024] 图6是延迟激射发光纳米探针的时间分辨发光光谱图；

[0025] 图7是延迟激射发光纳米探针的时间分辨光谱变化曲线。

具体实施方式

[0026] 以下实施例中的使用的试剂来源：

[0027] 四氯金酸三水合物，柠檬酸钠，二甲亚砜，3-氨基丙基三乙氧基硅烷，3-巯基丙基三乙氧基硅烷，硅酸钠溶液(27wt％)，硅酸四乙酯，氨水溶液(28wt％)，购于西格玛-奥德里奇(上海)贸易有限公司；

[0028] 2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺购于赛默飞世尔科技(中国)有限公司。

[0029] 实施例1

[0030] 如图1所示，延迟激射发光纳米探针为三层核壳结构，包括Au纳米颗粒4、包裹在Au纳米颗粒4表面的致密二氧化硅隔离层3和覆盖在隔离层表面的染料分子1掺杂的二氧化硅外壳2。延迟激射发光纳米探针的制备方法如下：

[0031] (1)制备染料分子螯合的硅烷化试剂：

[0032] 取470μL 4.56mM的2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺的二甲亚砜溶液，在氮气气氛保护下加入20μL 3-巯基丙基三乙氧基硅烷，在室温下反应30～40min制得染料分子螯合的硅烷化试剂。

[0033] (2)制备Au纳米颗粒的分散液：

[0034] 在50mL烧瓶中加入20mL质量分数为0.01％的氯金酸溶液，煮沸后加入0.60mL质量分数为1％柠檬酸钠溶液，在沸腾条件下反应30min后冷却至室温，得到Au纳米颗粒的分散液。

[0035] (3)向步骤(2)制得的Au纳米颗粒的分散液中加入50μL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应20min，再加入400μL  pH为10的硅酸钠溶液(硅酸钠浓度为0.54wt％)，加热到90℃搅拌反应3h后冷却至室温。离心分离固体产物，洗涤，得到表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒。

[0036] (4)将步骤(3)制得的表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒分散在100mL体积比为1∶4的乙醇和水的混合溶剂中，加入100μL步骤(1)制得的染料分子螯合的硅烷化试剂、10μL硅酸四乙酯(硅烷化试剂)和20μL 28wt％氨水溶液(还原剂)，在室温下搅拌反应3h，离心分离固体产物，清洗，得到发光纳米探针。得到的发光纳米探针的透射电镜图如图2所示，发光纳米探针直径约为60nm。

[0037] 实施例2

[0038] 延迟激射发光纳米探针的制备方法如下：

[0039] (1)制备染料分子螯合的硅烷化试剂：

[0040] 取470μL 4.56mM的2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺的二甲亚砜溶液，在氮气气氛保护下加入25μL 3-氨基丙基三乙氧基硅烷，在室温下反应40min制得染料分子螯合的硅烷化试剂。

[0041] (2)制备Au纳米颗粒的分散液：

[0042] 在50mL烧瓶中加入20mL质量分数为0.01％的氯金酸溶液，煮沸后加入0.60mL质量分数为1％柠檬酸钠溶液，在沸腾条件下反应30min后冷却至室温，得到Au纳米颗粒的分散液。

[0043] (3)向步骤(2)制得的Au纳米颗粒的分散液中加入60μL 3-巯基丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应20min，再加入350μL  pH为11的硅酸钠溶液(硅酸钠浓度为0.54wt％)，加热到95℃搅拌反应2h后冷却至室温。离心分离固体产物，洗涤，得到表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒。

[0044] (4)将步骤(3)制得的表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒分散在100mL体积比为1∶4的乙醇和水的混合溶剂中，加入100μL步骤(1)制得的染料分子螯合的硅烷化试剂、10μL硅酸四乙酯(硅烷化试剂)和20μL 28wt％氨水溶液(还原剂)，在室温下搅拌反应2h，离心分离固体产物，清洗，得到发光纳米探针。

[0045] 实施例3

[0046] 延迟激射发光纳米探针的制备方法如下：

[0047] (1)制备染料分子螯合的硅烷化试剂：

[0048] 取470μL 4.56mM的2′，7′-二氟荧光素马来酰亚胺的二甲亚砜溶液，在氮气气氛保护下加入12μL 3-巯基丙基三甲氧基硅烷，在室温下反应40min制得染料分子螯合的硅烷化试剂。

[0049] (2)制备Au纳米颗粒的分散液：

[0050] 在50mL烧瓶中加入20mL质量分数为0.01％的氯金酸溶液，煮沸后加入0.60mL质量分数为1％柠檬酸钠溶液，在沸腾条件下反应30min后冷却至室温，得到Au纳米颗粒的分散液。

[0051] (3)向步骤(2)制得的Au纳米颗粒的分散液中加入60μL 3-巯基丙基三乙氧基硅烷，在室温下搅拌反应20min，再加入350μL  pH为11的硅酸钠溶液(硅酸钠浓度为0.54wt％)，加热到95℃搅拌反应2.5h后冷却至室温。离心分离固体产物，洗涤，得到表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒。

[0052] (4)将步骤(3)制得的表面修饰有二氧化硅隔离层的Au纳米颗粒分散在100mL体积比为1∶4的乙醇和水的混合溶剂中，加入100μL步骤(1)制得的染料分子螯合的硅烷化试剂、12μL硅酸四乙酯(硅烷化试剂)和30μL 28wt％氨水溶液(还原剂)，在室温下搅拌反应2h，离心分离固体产物，清洗，得到发光纳米探针。

[0053] 实施例4

[0054] 发光纳米探针的激射发光性能检测：

[0055] 使用时间分辨光谱仪测定实施例1制得的发光纳米探针的发光性能。时间分辨光谱仪系统由脉冲激光器(20Hz，Quanta-Ray INDI，Quanta-Ray INDI，spectra-physis，美国)作为泵浦源，延时发生器(DG645，Stanford Research Systems，美国)提供时间分析的延时和时间门，紧凑型光纤光谱仪(CCS200，Thorlabs Inc.，美国)采集发射光谱。

[0056] 发光纳米探针的激射发光图谱如图3所示，等离激射发光强度较高，发光波长为545nm，发光谱线半高宽度约为3nm。等离激射发光强度与泵浦能量的关系如图4和图5所示，激射阈值约为1mJ/cm2。发光纳米探针的时间分辨发光光谱图如图6和图7所示，等离激射大约延迟10μs开始发光，发光寿命约为100μs。

[0057] 实施例2和实施例3制得的延迟激射发光纳米探针性能与实施例1类似。