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1.2是金属纳米颗粒的等离子体共振的示意图 [5]。
金属纳米颗粒电磁场电子云
[5]
图 1.2 金属纳米颗粒的等离子体示意图
Fig 1.2 Schematic illustration of plasmon oscillation for metal nano-particles [5]
一些贵金属纳米颗粒，如金、银等，在可见光区域可以观察到很强的等离子体共振现象，而其他一些金属一般在紫外光区域内可以呈现较宽的弱吸收带，这种差异与其本身等离子体跃迁有关 [8]。金、银等金属纳米颗粒表面的等离子体共振吸收峰所对应的波长以及半峰宽都与粒子的尺寸、形状以及所处的环境有较大的关系。
金、银等纳米颗粒的小尺寸效应对其等离子体共振吸收峰有一定影响。当该金属纳米颗粒的尺寸小于所吸收的光波长时，在该纳米颗粒的电子云振荡中，表面的吸收度只与偶极子共振模式有关[9]。金属纳米颗粒的形状也对它有着很大的影响，例如棒状金纳米颗粒，其表面等离子体共振变为两个谱带，并且这两个峰值的位置与该纳米颗粒的长宽比有着很大的关系；一些不规则形状的金属纳米颗粒的等离子体共振吸收峰表现得更为复杂，例如银纳米颗粒的等离子共振吸收峰所对应的波长主要集中在600 nm到700 nm之间，而五边形的银纳米颗粒的该峰值则在500 nm到550 nm之间 [9, 10]。类似的现象在金纳米颗粒中也存在，这些等离子体共振吸收峰大幅度的改变，并不能够通过改变其纳米颗粒的粒径来达到，只能通过改变其形状达到。
早在20世纪初，就有研究者对金属表面的等离子体共振理论进行了解释，Mie的理论在金属纳米颗粒的尺寸大于20 nm时和实验得到的光谱可以较好的吻合。根据它的理论可以推断，一个均匀的球形金属纳米颗粒，其表面的等离子体共振吸收峰只有一个，并且随着该金属纳米颗粒尺寸的改变，吸收峰的位置也会随着改变；而当该金属纳米颗粒的形状为非球形时，其表面的等离子体共振吸收峰会分裂为两个甚至更多，如图1.3，表面等离子体共振吸收峰的数量以及位置都与其形状有着很大的关系，由其粒本身决定。
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一个峰两个峰
图 1.3 不同形状金属纳米颗粒的等离子体共振吸收峰个数
Fig 1.3 The number of plasmon resonance absorption peak of metal nano-particles with different
shapes
1.2.2 距离对金属增强荧光作用的影响
金属增强荧光作用是由激发态的荧光团与金属表面等离子体电子相互作用导致的 [9]。
从该作用的原理可以看出该荧光团的荧光增强性质对它与金属纳米颗粒表面的距离有明显的依赖性 [7] ，如图1.2，该图是贵金属纳米颗粒表面的等离子体共振的示意图。当荧光团与该金属纳米颗粒之间的距离在5 nm以下时，荧光团受到激发光作用所发射出的荧光在这种条件下会以非辐射的形式将能量传递给金属纳米颗粒，并且荧光团的物质会回到基态，此时会表现出荧光淬灭效应，金属纳米颗粒会使荧光物质丧失发出荧光的能力。
金属纳米颗粒与荧光物质的淬灭过程实际上是缩短了荧光物质激发态寿命的过程，一般分为动态淬灭与静态淬灭两种 [10]。动态淬灭所生成的复合物不能发射荧光，或者发出荧光所需要的激发光不同，从而导致了荧光物质无法发出荧光的现象，例如能量转移过程、电子转移过程等等。静态淬灭所产生的配合物不发光，表现为竞争作用。
当该荧光团的粒子与贵金属纳米颗粒之间的距离增加时，一般在6 nm到20 nm之间，它们之间的非辐射能量转移效果会被有效地移除，而该荧光团分子同样可以感应到贵金属纳米颗粒表面增强的电磁场，从而实现分子荧光的增强 [5,6,8] 。该增强作用的机理主要有两种，一方面是使激发光的激发效率提高[7]，增加荧光团的荧光强
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度。激发效率的提高导致荧光强度的增加，并不会影响该荧光团的荧光量子产率以及荧光寿命。另一方面是改变它的辐射衰减率 [7]。一般荧光现象很少能够改变荧光物质的辐射衰减率，更多的是给了该荧光物质一些非辐射衰减的途径而已。这种增强荧光强度的方式会影响荧光物质的量子产率以及荧光寿命。量子点与金属纳米颗粒之间的荧光增强作用中，这两种增强机制都同时存在着 [10]。所以，很多研究也发现，金属纳米颗粒在通过金属增强荧光作用增加量子点的荧光强度的同时，会在一定程度上减少量子点的荧光寿命。
当贵金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离进一步增大时，一般是大于20 nm左右，此时该荧光物质已经脱离了金属纳米颗粒由于等离子体共振所产生的磁场，所以这二者之间并没有特殊的作用存在，宏观上面表现为该金属纳米颗粒对荧光物质的荧光基本无影响。
1.2.3 不同金属纳米颗粒的荧光增强特点
目前研究中报道过可以应用于荧光增强的金属纳米颗粒主要有以下几种：银、金、铜、铝、锌、铬和铂等 [11-15]。不同金属纳米颗粒的选择一般取决于荧光物质的荧光波长区域。例如金、银、铜等金属纳米颗粒主要应用于增强荧光在可见光以及近红外区域荧光物质的荧光强度；铝纳米颗粒主要应用于增强荧光在紫外以及蓝光区域的荧光物质的荧光强度；锌纳米颗粒主要应用于增强荧光在蓝光到红光区域荧光物质的荧光强度；铬纳米颗粒主要应用于增强荧光在510 nm到620 nm区域的荧光物质荧光强度；铂纳米颗粒主要应用于增强荧光在绿光到红光区域的荧光物质荧光强度。
由于以上各种金属的纳米颗粒、纳米薄膜、溶剂等都会对光有一定的吸收以及散射作用，所以应用于金属荧光增强的荧光材料有时会受到金属纳米材料种类的限制，在实际应用中较好的方法是根据荧光物质的荧光波长来选择合适的金属纳米颗粒，以达到增强效果的最大化。在以上的各种金属纳米颗粒中，银纳米颗粒的吸收波长较短，应用范围可以覆盖整个可见光以及近红外区域，满足绝大多数荧光探针的需要，而且它价格低廉、制备容易、稳定性强且荧光增强的效果较好，所以基于
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银纳米颗粒金属增强荧光的研究与报道最多 [16-21]。
上文提到金属增强荧光作用一般有两种途径：金属纳米颗粒表面等离子共振产生的磁场会使激发光的激发效率提高；贵金属纳米颗粒使荧光物质的辐射衰减率增大。在上述多种能使荧光物质的荧光强度得到增强的金属纳米颗粒中，不同种类的金属纳米颗粒增强荧光的机理也并不相同。金、银、铜、铝四种纳米颗粒在增强周围荧光物质的荧光时，一般通过增大荧光物质的辐射衰减率来实现，所以这些金属纳米颗粒在增强荧光物质荧光的同时，一般会伴随着该荧光物质荧光寿命的缩短
[11-13]
。锌、铬、铂三种金属纳米颗粒在增强周围荧光物质的荧光时，一般通过提高
激发光的激发效率来实现，所以这些金属纳米颗粒在增强荧光物质荧光的同时，对荧光物质的荧光寿命一般无影响 [14,15]。
不同尺寸、形状的同种金属纳米颗粒对荧光物质的荧光增强作用也不相同，因为改变金属纳米颗粒的尺寸、形状都会改变它表明的等离子体电子的分布，从而影响到与荧光物质的作用效果。例如Lukomska小组 [22]制备了两种不同粒径的银纳米颗粒，在石英基底的表面与荧光素（FI）作用，实验结果表明，粒径较大的银纳米颗粒的荧光增强能力比粒径较小的银纳米颗粒的荧光增强能力强50%，且对荧光素的荧光寿命缩短效果也更明显。有研究者 [23]通过建立数学模型计算出金纳米颗粒的粒径为20 nm到25 nm时，可以使荧光染料获得最大的荧光增强效果，并通过实验得到了证实。Lakowicz小组 [18]也对不同形状的银纳米颗粒的金属增强荧光效果做了比较，实验结果表明不同形状的银纳米颗粒的荧光增强效果差距很大，光滑的碎片状的银可以增大荧光素荧光强度高达500倍，而粗糙的银电极只能使荧光素的荧光强度增加100倍。
1.2.4 荧光物质对金属增强荧光作用的影响
当金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离保持一定时，荧光物质的荧光量子产率不同，金属增强荧光作用的效果也不相同。金属纳米颗粒可以通过增大荧光物质的辐射衰减率导致荧光物质的荧光量子产率增加。一些研究 [24]指出，将金属增强荧光效应作用于荧光量子产率很低的荧光物质时，可以实现荧光强度的大幅度增加。荧
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光物质量子产率的公式可以解释这一现象，如公式1-1所示 [24]。
Q0?? （1-1）
??Kn?公式中Q0是荧光物质的荧光量子产率，Γ是荧光物质的辐射衰减率，Knτ是荧光物质的非辐射衰减率。所以，当荧光物质的荧光量子产率非常低时，非辐射衰减率会远远大于辐射衰减率，此时利用金属增强荧光作用可以大幅度提升荧光物质的辐射衰减率，从而将荧光量子产率提高很多倍；反之如果荧光物质的荧光量子产率本身较高时，它的非辐射衰减率不会远远大于辐射衰减率，此时再利用金属增强荧光作用大幅度增大荧光物质的辐射衰减率，并不会使荧光物质的荧光量子产率得到很大的提升。理论上说，当荧光物质的荧光量子产率越接近1时，通过增加辐射衰减率越不能大幅度增加荧光物质的荧光量子产率，能量转移淬灭起主要作用。 1.2.5 金属增强荧光的研究现状
人们最早发现金属表面特殊的荧光性能可以追溯到上个世纪七十年代，那时Drehage指出金属表面附近荧光物质辐射衰减率会发生变化。在之后的二十年里，人们并没有给它以相应的重视，直到1999年Lakowicz [3] 小组才开始它做研究，大多数的研究都是基于二维的银表面进行的，用得最多的是银岛膜（SIF）以及银胶粒膜。他们利用葡萄糖还原硝酸银，然后进一步将银纳米颗粒沉积在硅烷化处理的玻璃表面，此时可增强10倍左右的荧光信号 [9] 。而后如果对反应条件进行处理，可以更进一步地增加荧光增强的效果[15] 。
以上所报道的都是基于基底表面的。而基于液相系统的金属增强荧光研究相对较少，Lakowicz [13]小组在2004年报道了基于金属增强荧光作用的液相传感器；而后该小组制作的纳米泡可以使罗丹明800的荧光强度增加20倍 [14] 。
现有的一些关于金属增强荧光的研究通常是将金属纳米颗粒与荧光物质人为地隔开一定距离，并探讨距离对金属增强荧光效果的影响。常用的隔离方法有利用二氧化硅、DNA、生物大分子以及多层膜作为中间的隔层。
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