表面修饰增强的金属纳米颗粒双光子荧光信号

注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析

与有机分子型双光子荧光探针相比，金属纳米颗粒荧光探针具有光漂白效应弱、无光漂白产物毒性等优点而得到了大量的关注。同时，双光子荧光具有激发光波长相对较长的特点，在生物成像研究中得到了很好的利用。美国天普大学戴海龙教授（点击查看介绍）研究组近期的报道揭示，金属纳米颗粒发射的双光子荧光信号受纳米颗粒表面修饰影响可发生极大的增强。这一发现将推进研究者对固体材料荧光效率的影响因素及其机理认识，为纳米荧光材料的制备与应用提供参考。

实验中本文作者发现在金、银纳米颗粒中添加硫醇这种简单的分子可以显著增强纳米颗粒的双光子荧光效率。如下左图显示，银纳米颗粒的荧光增强尤其显著，表面修饰后样品的荧光信号比其初始信号强数十到数百倍。右图则显示金纳米颗粒的荧光信号增加相对较少，同时，其时间变化曲线也与银纳米颗粒表现出的复杂动力学行为截然不同。

作者认为，金属纳米颗粒表面的结构缺陷对其双光子荧光效率产生了很大的影响。当颗粒表面缺陷数目相对较少时（如下图中R₀较小的情形下），表面修饰对金属颗粒荧光信号的增强相对较弱，其动力学行为也比较易于理解；当颗粒表面缺陷数目相对较多时（如下图中R₀较大的情形下），表面修饰对金属颗粒荧光信号的增强就非常显著，其动力学行为也呈现复杂的接近S形的特征。

这一成果近期发表在Journal of Physical Chemistry Letters 上，第一作者是干为博士（时任天普大学戴海龙教授研究组博士后，现任哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授）。

该论文作者为：Wei Gan, Bolei Xu, and Hai-Lung Dai

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Super Bright Luminescent Metallic Nanoparticles

J. Phys. Chem. Lett., 2018, 9, 4155−4159, DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b01608

戴海龙教授简介

戴海龙教授，国际著名物理化学家，曾任美国宾夕法尼亚大学講座教授、系主任， 天普大学院長教务长、現任副校长。1974年毕业于台湾大学化学系，1981年获加伯克利州大学博士学位，1981-1984年为麻省理工学院博士后，1984年就职于宾夕法尼亚大学，007年起任职天普大学。

戴海龙教授的研究领域是利用非线性光学和光谱技术研究微观界面，以及新能源材料的结构和动力学，能量转移和高激发态分子的反应等方面研究。以通讯作者身份在Physical Review Letters、Angewandte Chemie International Edition、Journal of Physical Chemistry Letters、JACS, Nature Chemistry 等学术期刊发表论文二百余篇。荣获美国化学学会、美国光学学会等颁发的多项奖项，曾担任美国物理学会化学物理分会主席。

http://www.x-mol.com/university/faculty/5675

干为博士简介

干为，哈尔滨工业大学（深圳）理学院教授。1998年毕业于中国科学技术大学，2006年于中国科学院化学研究所获得博士学位，2006年至2011年先后在美国哥伦比亚大学、天普大学开展博士后工作，2011年11月回国于中国科学院新疆理化技术研究所担任研究员，2016年6月起就职于哈尔滨工业大学（深圳）。

研究领域主要是软物质内界面分子结构与物理化学过程的研究，包括水油乳液界面、囊泡、细胞表面等。在Angewandte Chemie International Edition、Journal of Physical Chemistry Letters 等期刊发表SCI论文50余篇，被引用1900余次。

http://www.x-mol.com/university/faculty/23356

科研思路分析

Q：这项研究的最初目的是什么？或者说想法是怎么产生的？

A： 这项研究实际上是无意中的发现，最初我们在利用银纳米颗粒散射的二次谐波信号进行颗粒物表面吸附过程研究的时候发现信号有时会受到双光子荧光信号的干扰，后来我们对越来越强的双光子荧光信号进行了时间分辨的测量和分析，发现了极大的增强和复杂的动力学曲线，经过了一些文献的调研和认真的思考才得到了最后完整的理解。

Q：在研究中过程中遇到的最大挑战在哪里？

A：本工作遇到的最大的挑战是对银纳米颗粒散射双光子荧光信号的复杂变化进行确切的理解。虽然我们大部分的实验工作很早就已经完成，对表面缺陷引起荧光效率变化的机理也进行了模型化的分析。但是，直到后期我们继续对金纳米颗粒进行表面修饰并观测到不同的荧光效率变化曲线，我们才比较成功的说服了一些对我们报道的机理存在怀疑的评审专家，使本工作得到了顺利的发表。

Q：本项研究成果最有可能的重要应用有哪些？哪些领域的企业或研究机构最有可能从本项成果中获得帮助？

A：本项研究的成果最可能为纳米荧光材料的制备与应用提供参考。虽然进行纳米材料表面包覆以改变其光、电、化学性能是已被广泛应用的一种工艺，但是对材料的表面缺陷进行分子层次的修饰就可以极大的改变其荧光性能的事实可以为类似的材料制备与表面处理提供新的思路。同时，本工作可以为研究者对固体材料荧光效率的影响因素及其机理提供新的认识，以往的研究者对表面缺陷在量子点等材料的荧光发射中所起到的作用认识并不一致，本工作也为这些争议提供了新的证据。