0金属表面荧光增强的物理增强机制.pdf

第 ３０卷　第 ３期 发 　 光 　 学 　 报 Ｖｏｌ３０ Ｎｏ３ ２００９年 ６月 ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ Ｊｕｎ．，２００９ 文章编号：１０００７０３２（２００９）０３０３７３０６ 金属表面荧光增强的物理增强机制 徐良敏，张正龙，蔡晓燕，郑海荣 （陕西师范大学 物理学与信息技术学院，陕西 西安　７１００６２） 摘要：具有特殊形貌及构型的表面（如金属薄膜）能够使位于其邻近的荧光分子的荧光信号得到增强，这种 现象被称之为表面增强荧光（ＳｕｒｆａｃｅＥｎｈａｎｃｅｄＦｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ，ＳＥＦ）。有关表面增强荧光效应的研究探讨已有 许多报道，并先后提出了多种增强机理以试图理解和解释观测到的实验现象。本文将在总结归纳已有机理 研究的基础上，从物理学的角度出发分析理解局域场增强、能量转移以及辐射衰减速率增加等理论模型，并 对衬底表面与荧光分子之间的间距变化对增强效果的影响进行探讨。 关　键　词：表面增强荧光；局域场；能量转移；辐射衰减速率 中图分类号：Ｏ４３２．１；Ｏ４８２．３１　　　ＰＡＣＳ：５２．３８．ｒ　　　ＰＡＣＣ：３３２０；７８７０　　　文献标识码：Ａ 的增强表面和探究增强机制是表面增强研究的两 １　引　　言 大核心。易产生荧光增强效应的表面依然是金、 ＳＥＦ是指利用特殊表面（一般是金属表面） 银等具有良好增强效应的贵金属表面。铜和其他 的表面等离子体振荡和电磁场剪裁效应，使分布 一些非金属的特殊表面也可产生荧光增强效应， 在表面附近的荧光物种的荧光发射强度比自由态 比如硅的阵列表面等［１１，１２］。由于表面增强效应 的荧光发射强度有显著增强的现象。２０世纪 ７０ 源于诸多因素的综合作用，相关的增强机理有多 年代，Ｄｒｅｘｈａｇｅ首先发现了这一现象［１，２］。在随 种不同的理论［７，１０，１３］。本文将从物理学的角度出 后的几十年里，主要的关注点集中在了表面增强 发，分析总结表面增强荧光的增强机制，讨论荧光 喇曼散射效应（Ｓｕｒｆａｃｅｅｎｈａｎｃｅｄｒａｍａｎｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ， 分子附近局域场增强、荧光分子与金属表面之间 ＳＥＲＳ）的研究上［３～５］。相对而言，对表面增强荧 的能量转移以及荧光分子辐射衰减速率增加等理 光效应的研究关注不够。近年来，随着 ＳＥＲＳ研 论模型，并对衬底表面和荧光分子之间的间距变 究以及表面等离子体学的发展，国内外已有越来 化对荧光增强效应的影响进行探讨。 越多的 与 ＳＥＦ相 关 的 基 础 及 应 用 探 索 研 究 报 ２　表面增强荧光的增强机制 道［６～８］，与表面增强荧光相关的理论和实验研究 正得到更多的关注。比如，美国 Ｍａｒｙｌａｎｄ大学的 金属表面荧光分子的荧光增强效应是多种因 Ｌａｋｏｗｉｃｚ教授领导的实验室，自 １９９９年开始致力 素综合作用的结果，与之相关的增强机制的理论 于表面增强荧光的研究，取得了一系列重要成 模型主要可以分为：金属表面荧光分子附近局域 果［８～１０］。他们的研究结果表明，增大辐射衰减速 场的增强、分子与衬底表面之间的能量转移，以及 率可以增强荧光信号，并把这种过程定义为辐射 荧光分子辐射衰减速率的增加。三种理论模型分 衰 减 工