[发明专利]一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构及其制备方法，本发明用旋涂、自组装等简单的方式制备贵金属纳米结构基底，结合介质微球，制备了介质微球/贵金属纳米材料的微纳复合结构，结合了介质微球的纳米喷流和贵金属纳米材料的等离子体共振双重效应，可以实现对多种荧光材料的有效荧光增强，以及实现光学显微镜下尺寸低至100nm的荧光颗粒的超分辨成像，可以作为具有荧光增强和光学放大效应的结构，用于微弱荧光的检测和荧光成像，对微纳荧光材料的可视化追踪和探测。该复合结构的制备方法简单，易于操作。

技术领域

本发明涉及光谱学分析检测技术领域，更具体地，涉及一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构及其制备方法。

背景技术

荧光的光学探测和成像技术，由于其非接触、易集成、抗电磁干扰等特点，成为探究纳米世界的重要工具和手段。由于纳米尺度下，荧光分子团簇较小，甚至是单分子荧光，因而荧光强度较弱，荧光探测难以达到较强的灵敏度；另一方面，由于光学衍射极限的存在，传统的光学显微观测极限只能到200nm左右，这不利于纳米尺度的荧光成像。因此，荧光增强与超分辨成像是基于荧光的光学探测和成像的研究重点与热点。

然而，要获得高的增强因子，需要复杂的纳米制造工艺，对结构进行精细的设计。而以真空溅射、涂覆等简单方式制备的贵金属纳米结构基底来增强荧光，增强因子往往只有几到几十。因而，如何用简单的方法或结构来有效地增强荧光，依然是荧光增强的研究重点与难点。

另一方面，实现光学显微镜下纳米尺度材料或结构的可视化观测，还需要突破光学衍射极限，但现有突破衍射极限的方法需要对单分子荧光的精准调控，并对激光光束有特殊的要求。

Jun Sun等报道了一种基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)涂层大面积Au@Ag纳米棒阵列的等离子体增强荧光基底，将Au@Ag纳米棒组装在SiO₂/Si晶片上形成大面积衬底，在最佳PMMA层厚度(56nm)下，显示最大的荧光增强因子。(Jun Sun ect.Uniform andreproducible plasmon-enhanced fluorescence substrate based on PMMA-coated,large-area Au@Ag nanorod arrays.Nano Research 2018,11(2):953–965.)

但对于单光子荧光材料来说，增强荧光的增强因子仍然较小(几到十几倍增强)。因而，亟需一种能够用简单的方式实现对多种荧光材料的有效增强和实现荧光的超分辨成像。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有荧光成像的方式不能满足多种荧光材料的需求的缺陷和不足，提供一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构，以贵金属纳米结构作为基底，再结合介质微球，具有荧光增强效应，可用于检测微弱荧光，实现不同纳米荧光材料的荧光成像。

本发明的又一目的是提供一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构的制备方法。

本发明上述目的通过以下技术方案实现：

一种具有荧光增强和光学放大效应的微纳复合结构，包括等离激元层、隔离层、荧光层、保护层和介质微球层；其中等离激元层由聚合物和贵金属纳米材料组成，隔离层由聚合物组成，荧光层由荧光材料组成，保护层由聚合物组成，介质微球层由介质微球组成。

本发明以贵金属纳米结构作为基底，结合介质微球(microsphere,MS)，制备介质微球/贵金属纳米材料的微纳复合结构。由于介质微球具有的“纳米喷流”效应，能够将光束能量集中到亚波长范围，提高入射光的能量密度，而荧光强度与入射场强度的平方成正比，因而，利用介质微球可以实现物质的“放大”，同时能够增强荧光。本发明利用介质微球的“纳米喷流”以及贵金属纳米材料的等离子体共振的双重效应，可以实现对多种荧光材料的有效荧光增强，并且实现光学显微镜下尺寸低至100nm的荧光颗粒的超分辨成像。