金属表面荧光增强的物理增强机理探讨

【作者】 徐良敏； 张正龙； 蔡晓燕； 雷瑜； 郑海荣；

【机构】 陕西师范大学物理学与信息技术学院；

【摘要】 表面增强荧光(Surface Enhanced Fluorescence,SEF)是指利用特殊表面(一般是金属表面)的光学特性,使分布在表面附近的荧光物种的荧光发射强度比自由态荧光发射强度有显著增强的现象。表面增强荧光效应可使荧光探测灵敏度获得大幅度增加,对于发展和推广荧光的应用具有重要意义。与表面增强荧光效应相关的增强机理有多种理论。从物理学角度出发表面增强荧光的增强机制可归纳为三种具体的理论模型。第一种是金属表面荧光分子附近局域场的增强。其观点是衬底表面形成的等离子体能够增强荧光分子附近的激发光场,从而提高局域的激发强度。第二种是能量转移模型。该理论所涉及的能量转移包括两种不同过程:一是当荧光分子中的发光中心与金属表面的距离接近至有效能量传输距离时,金属结构吸收的激发光能量通过强局域场传输给荧光分子;二是通过金属中自由导电子与激发态荧光分子的电磁场之间的相互作用,荧光分子也能够快速地将它们的能量转移给金属,这些能量与自由空间的荧光分子相比,会以更高的效率辐射出来,从而实现荧光增强。第三种是表面等离子体形成等离子体耦合发射模型。对于激发光诱导形成等离子体的情况,我们认为激发光能量一部分用于激发荧光分子,另一部分则与金属表面作用,诱导形成表面等离子体。在荧光辐射波的诱导下,表出等离子体发射出和激发态荧光素相同的光辐射,从而增强了观测的荧光强度;另一种情况是,当金属表面的荧光分子吸收激发光能量被激发后,一部分激发态的荧光分子通过弛豫将能量转移到金属表面形成等离子体激元,这些等离子体激元在未弛豫的荧光分子所发射荧光的诱导下,产生与荧光分子辐射波长一致的辐射。由于金属表面等离子体辐射比荧光素本身的辐射快,因而增大了体系的辐射衰减速率,导致荧光信号被增强。此外,还对衬底表面和荧光分子之间的间距变化对荧光增强效应的影响进行探讨。更多还原