Angewandte Chemie: 測(cè)量單個(gè)納米顆粒的消光光譜
光譜表征是探索光與物質(zhì)相互作用的有力工具。消光行為，作為光與物質(zhì)相互作用的第一步，包含了完整的吸收和散射信息，對(duì)于闡釋物質(zhì)結(jié)構(gòu)、形貌、組分與表觀性能之間的關(guān)系具有重要意義。盡管紫外-可見光譜儀已經(jīng)成為一種測(cè)量均勻體系消光光譜的常用方法，如何獲取單個(gè)納米顆粒的消光光譜則仍然是一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的課題。
與此同時(shí)，單個(gè)納米顆粒的光譜研究近三十年內(nèi)得到了極大的重視和發(fā)展。發(fā)展最為成熟的單顆粒光譜技術(shù)當(dāng)屬基于熒光顯微鏡的熒光光譜和基于暗場(chǎng)顯微鏡的散射光譜。這兩種技術(shù)分別在熒光納米材料（如量子點(diǎn)、上轉(zhuǎn)換材料等）和表面等離激元材料（如金屬和摻雜半導(dǎo)體等）的光譜研究中發(fā)揮了顯著的推動(dòng)作用。這兩種技術(shù)均可視作廣義上的暗場(chǎng)技術(shù)：即樣品以外的區(qū)域具有較低的光學(xué)背景，而樣品區(qū)域的光學(xué)信號(hào)則比背景強(qiáng)得多，因此易于測(cè)量（類似于在夜幕中看星星）。與熒光和散射光譜實(shí)現(xiàn)“零”背景檢測(cè)不同的是，消光光譜需要從較強(qiáng)的入射光背景（I0）中提取由單顆粒消光效應(yīng)（ΔI）而產(chǎn)生的極其微弱的信號(hào)變化（ΔI/I0），因此在技術(shù)上具有更大的挑戰(zhàn)性（類似于在白天看星星）。
最近，我院生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王偉研究小組（課題組主頁：http://hysz.nju.edu.cn/wangwei）提出了一種基于全內(nèi)反射的寬場(chǎng)消光光譜成像技術(shù)（Total Internal Reflection Extinction Spectroscopy, TIRES），實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同納米材料的單顆粒消光光譜的定量測(cè)量，并且能夠區(qū)分吸收和散射成分。此項(xiàng)研究的創(chuàng)意在于，利用全內(nèi)反射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)納米顆粒的近場(chǎng)倏逝波照明，將光能量密聚到粒子所在薄層，顯著縮短了無效光程長(zhǎng)度，進(jìn)而提高單顆粒對(duì)入射光的擾動(dòng)率（ΔI/I0）。倏逝波在溶液相中的穿透深度約100-200 nm，與納米顆粒的尺寸大致相當(dāng)，因此入射光的全部光程都能夠用來與樣品相互作用，降低了因?yàn)槿芤荷⑸湟鸬母蓴_。研究結(jié)果顯示，基于倏逝波照明的TIRES方法中，單個(gè)納米顆?？梢砸鸶哌_(dá)數(shù)十個(gè)百分比的信號(hào)變化（ΔI/I0），從而保證了本方法的靈敏度。與此相比，傳統(tǒng)基于比色皿的消光光譜測(cè)量中典型光程長(zhǎng)度在毫米到厘米水平，普通透射光學(xué)顯微鏡的光程長(zhǎng)度（焦點(diǎn)深度）往往在微米水平。當(dāng)光程長(zhǎng)度顯著大于單個(gè)納米顆粒的尺寸時(shí)，實(shí)際上相當(dāng)大的一部分光程為無效光程，不利于靈敏度的提高。
圖1 TIRES裝置采集單粒子消光光譜的示意圖。TIRES借助于全內(nèi)反射激發(fā)的近場(chǎng)倏逝波照明，采用CCD相機(jī)收集包含了樣品信息的反射光進(jìn)行成像，得到一系列不同波長(zhǎng)處的單粒子全內(nèi)反射圖案。再經(jīng)由圖像處理，提取出該粒子在可見光范圍內(nèi)的消光光譜。
除了具有更高的靈敏度以外，此項(xiàng)研究還首次顯示了TIRES方法能夠區(qū)分吸收型和散射型納米材料。眾所周知，消光效應(yīng)反映的是吸收和散射的總和，傳統(tǒng)方法往往只能反映二者之一。比如，光熱顯微鏡能夠測(cè)量單顆粒的吸收過程（而且是其中的無輻射馳豫部分），暗場(chǎng)顯微鏡則擅長(zhǎng)表征單顆粒的散射過程。此項(xiàng)研究結(jié)果顯示，介電型材料（聚苯乙烯，二氧化硅），表面等離激元材料（金）以及吸收型材料（普魯士藍(lán)），在各自最強(qiáng)消光作用對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)處，其全內(nèi)反射圖案的中心呈現(xiàn)出“亮”和“暗”程度各異的趨勢(shì)，結(jié)合光譜進(jìn)一步分析，這兩種狀態(tài)分別反映了物質(zhì)的散射和吸收偏向。以金納米粒子（AuNP）為典例，在最大消光波長(zhǎng)（565 nm）處，粒子圖案的中心呈現(xiàn)出更暗的狀態(tài)，而隨著波長(zhǎng)增大，圖案中心逐漸變明亮，實(shí)驗(yàn)消光光譜曲線與理論電磁場(chǎng)模擬計(jì)算結(jié)果一致。根據(jù)上述推論，對(duì)同一幅圖像選取不同區(qū)域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，中心強(qiáng)度值最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)著金的最強(qiáng)吸收波長(zhǎng)520 nm處，與理論計(jì)算吸收譜峰相符，為TIRES測(cè)量分析的準(zhǔn)確性提供了有力支撐。此外，另外兩種性質(zhì)的納米材料則表現(xiàn)出不一樣的譜學(xué)特征。聚苯乙烯（PS）納米粒子的消光光譜表明，其在可見光范圍內(nèi)表現(xiàn)出單調(diào)的散射性質(zhì)，并且遵從米氏散射理論，散射強(qiáng)度與波長(zhǎng)的四次方成反比。普魯士藍(lán)（PB）納米顆粒隨波長(zhǎng)增加，貢獻(xiàn)于消光信號(hào)的主要成分由散射逐漸變?yōu)槲?，?00 nm吸收帶附近達(dá)到最大消光。
圖2 (a) 介電型材料（聚苯乙烯，二氧化硅），表面等離激元材料（金）以及吸收型材料（普魯士藍(lán)）的單顆粒全內(nèi)反射圖像；(b)金納米粒子在不同波長(zhǎng)處的全內(nèi)反射圖案，以及不同選區(qū)分析條件下的消光光譜和吸收光譜
相比于現(xiàn)有的單顆粒成像和光譜技術(shù)，TIRES具有以下特點(diǎn)：1）測(cè)量普適性，適用于任意具有消光效應(yīng)的材料；2）寬場(chǎng)光譜成像模式，高通量地同時(shí)獲得多顆粒子光譜；3）照明強(qiáng)度溫和，大大降低了對(duì)樣品的光穩(wěn)定性要求；4）入射光方向和偏振狀態(tài)可調(diào)控，可用于各向異性納米材料的研究?？傮w來講，材料的光學(xué)性質(zhì)反映在介電常數(shù)差異上，而TIRES正是一種適合于測(cè)量各類材料光譜信息的技術(shù)，憑借近場(chǎng)激發(fā)和偏振可調(diào)等特點(diǎn)，該技術(shù)在各向異性材料的研究方面將會(huì)發(fā)揮巨大潛力。
相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Angewandte Chemie上（DOI: 10.1002/anie.201810324），并被選為“Hot paper”。文章第一作者為我院助理研究員李萌博士和博士生袁婷聯(lián)（同等貢獻(xiàn)），王偉教授為通訊作者。陳洪淵院士對(duì)此項(xiàng)研究的設(shè)計(jì)和完成進(jìn)行了重要指導(dǎo)和支持。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金以及生命分析化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題的資助。
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