石墨烯位置对SY荧光淬灭效率的影响规律研究*

袁小亚，俞丽芯，刘予涵，冷重钱，黄德萍，邵 丽，聂长斌，魏大鹏

(1. 重庆交通大学 材料科学与工程学院，重庆 400074 ；
2. 中国科学院大学重庆学院，重庆 400714)

荧光淬灭被广泛应用于生物传感[1-3]、蛋白质分子检测[4]、重金属离子定量测量[5]及环境污染[6]等领域，它是由于荧光物质分子与溶剂分子或其他溶质分子的相互作用而使得荧光强度降低的现象，淬灭类型包括静态淬灭、动态淬灭、光诱导电子转移、自淬灭等。传统的淬灭剂为银纳米粒子[7]、金纳米粒子[8]、铜胶束[9]、丙烯酰胺[4]等，但这类淬灭剂在目前的应用中仍存在一定的局限性，例如：在检测中不具有温度依赖性[4]，检测耗时长，成本高，背景信号大[10]，灵敏度和选择性不高[11]等问题。据国外研究人员报道，石墨烯是一种良好的荧光淬灭剂[12]，与传统的淬灭剂相比，石墨烯具有较高的比表面积和延伸的共轭体系[13]，可以产生较强的色散力，同时未参与杂化的2pz轨道处于不饱和状态，使得石墨烯更容易与含不饱和键的外来荧光分子进行π-π堆叠作用，形成共轭离域体系，光激发的电子可以通过该体系以非辐射跃迁方式进行转移[14]，因此石墨烯可以淬灭染料、芳香族化合物、蛋白质、维生素、光复合物等[15]。此外，石墨烯作为淬灭剂在荧光传感器中具有背景低、信噪比高、可多重检测的显著特点[16]，更适合应用于荧光淬灭领域。

可溶性 PPV 共聚物 PDY-132 (super yellow，SY) 是较有前景的OLED发光材料之一，能够发射亮黄色到绿黄色的可见光[17]，空穴迁移率高达 3.7×10-3m2/V，具有非常高的荧光发射效率[18]，已被广泛用于OLED发射层[19]。SY具有π共轭结构，可以与石墨烯形成π-π共轭体系，以电子转移的方式与石墨烯实现荧光淬灭。已有研究表明改性石墨烯与SY荧光淬灭效果显著[20]，同时石墨烯对其他有机染料如：罗丹明(Rh B)、亚甲基蓝(MB)等也能产生较好的淬灭效果[21-22]，但并未有研究人员报道过单层石墨烯在淬灭复合结构中的位置对有机染料的荧光淬灭效率的影响规律。本文以SY作为荧光剂，针对4种不同结构(如图1)：SY、SY/graphene(石墨烯在SY之上)、graphene/SY(石墨烯在SY之下)、graphene/SY/graphene(三明治结构)，研究石墨烯在淬灭结构中不同位置对有机染料涂层淬灭率的影响规律，并分析其淬灭机理。

图1 淬灭结构图：(a)SY; (b)SY/Gr; (c)Gr/SY; (d)Gr/SY/GrFig.1 Quenching structure diagram: (a) SY; (b) SY/Gr; (c) Gr/SY; (d) Gr/SY/Gr

1.1 材料与仪器

铜箔(中铝上铜，纯度99.999%)，经过电化学抛光后用于生长单层石墨烯。PMMA(Sigma,分子量960000,4%溶液)，盐酸(川东化工，浓度：38%溶液)，过氧化氢(川东化工，浓度：30%)，丙酮(川东化工，纯度:99.7%)，聚[{2,5-二(3,7-二甲基辛氧基)-1, 4-苯乙炔 }-co-{ 3 ( 4-( 3 , 7-二甲基辛氧烷)苯基)-1 , 4-苯乙炔}-co-{ 3-( 3, 7-二甲基辛氧基)苯基)-1 , 4-苯乙炔 } ] Super Yellow(SY)粉末(Merck, PDT-132)(如图2)，甲苯(川东化工，纯度: 99.99%)，实验用水为二次去离子水，电导率17.6 μS/cm。

图2 SY荧光材料结构式Fig.2 Structural formula of SY fluorescent material

开启式真空管式炉用于生长单层石墨烯；
美国 Laurell 匀胶机用于旋涂PMMA和SY溶液；
F-380荧光分光光度计(PMT电压600 V，激发光波长460 nm，扫描速度120 nm/min，激发光(EX)和发射光(EM)的狭缝均为5 nm)用于测定发射光谱的荧光强度，A360紫外可见分光光度计测定石墨烯的吸收光谱，拉曼光谱仪(Renishaw Raman spectroscopy In-Via Reflex，激发波长 532 nm)用于表征石墨烯；
四探针电阻测试仪(RTS-9)测试石墨烯的方块电阻；
扫描电子显微镜(JSM-7800F)用于表征石墨烯形貌，原子力显微镜(Bruker Dimension EDGE AFM)用于表征Si/SiO2和Si/SiO2/SY结构的表面形貌。

1.2 淬灭结构的制备

1.2.1 石墨烯的生长

采用化学气相沉积(CVD)法，使用自制的管式炉(直径100 mm，长1 000 mm)在25 μm厚铜箔上生长石墨烯。在生长之前，用丙酮、乙醇和去离子水( DI )清洗铜箔以去除杂质。随后将清洗后的铜箔浸入1%(质量分数)的硫酸中3 min去除表面氧化物，然后用去离子水彻底冲洗。将铜箔切割成5 cm×5 cm大小的薄片，放入石英管中，在1 000 ℃下通入100 mL/min Ar和 50 mL/min H2进行退火处理以去除铜表面上的残留物。在 CVD 生长过程中，常压条件下H2的流量保持在50 mL/min，通入1 mL/min 的CH4气体30 min，之后停止通入CH4和H2，在 Ar 保护下降温，得到生长在铜箔上的单层石墨烯薄膜。

1.2.2 石墨烯的转移

采用PMMA法将生长在Cu上的石墨烯转移到Si/SiO2上，具体分为以下步骤：首先，将生长在Cu表面的石墨烯固定在硬质基底上，在石墨烯表面旋涂一层PMMA溶液(浓度4%的PMMA，转速3 000 r/min，旋涂时间30 s)，然后对聚合物进行固化(90 ℃加热15 min)，之后将Cu箔/graphene/PMMA浸入稀刻蚀溶液(300 mL H2O+10 mL HCl+5 mL H2O2)刻蚀，依次在纯水、盐酸溶液(10%)、纯水中清洗，随后将graphene/PMMA转移到Si/SiO2上，自然风干6 h，150 ℃ 烘干30 min，最后用丙酮去掉PMMA，得到在Si / SiO2上的单层石墨烯薄膜。

1.2.3 荧光层的制备

使用SY粉末配置浓度为5 mg/mL的SY溶液(以甲苯作为溶剂[19])并以800 r/min的转速搅拌12 h得到溶解良好的SY溶液。将配置好的SY溶液滴在Si / SiO2片或石墨烯表面，通过旋涂(转速2 500 r/min，旋涂时间30 s)形成一层SY湿膜，在80 ℃下加热30 min除去有机溶剂，最终得到一层厚度为70～80 nm的荧光纳米薄膜。

1.2.4 淬灭结构的制备

淬灭结构制备流程如图3所示，结构一(Si/SiO2/SY，对照组)：直接在Si/SiO2片表面旋涂一层SY。结构二(Si/SiO2/Gr/SY)：先在Si/SiO2表面转移一层石墨烯，再旋涂一层SY。结构三(Si/SiO2/SY/Gr)：先在Si/SiO2表面旋涂一层SY，待SY固化以后，在SY上转移一层石墨烯。结构四(Si/SiO2/Gr/SY/Gr)：先在Si/SiO2表面转移一层石墨烯，再旋涂一层SY，在其固化后再在Si/SiO2/Gr/SY上转移另一层石墨烯。

图3 淬灭结构的制备流程Fig.3 Preparation process of the quenched structure

1.3 荧光信号的测定

采用F-380荧光分光光度计测定淬灭结构荧光信号，扫描490～760 nm的光致发光强度。测定荧光信号步骤：将淬灭结构夹持于夹具表面，扫描的位置对准光斑，扫描淬灭结构表面得到其各个波段荧光信号。通过式(1)计算淬灭结构的淬灭效率η：

(1)

式中：F为淬灭结构的荧光信号强度；
F0为无石墨烯的对照组(Si/SiO2/SY)的荧光信号强度。

2.1 石墨烯薄膜表征

采用拉曼光谱仪、低电阻测试仪以及扫描电子显微镜(SEM)对CVD法生长的石墨烯进行表征。石墨烯的拉曼光谱如图 4(a)所示，采用532 nm波长激光激发石墨烯，G峰和2D峰分别位于1 580和2 700 cm-1左右，无D峰，说明石墨烯薄膜质量较高，无明显缺陷。通过低电阻测试仪，测出石墨烯的方阻在313 Ω/sq左右(图4(b))，说明转移后的石墨烯导电性能较好，薄膜连续。同时用扫描电子显微镜观察了在铜箔表面及转移到Si/SiO2片上的石墨烯形貌(图4(c)和4(d))，SEM图像显示石墨烯具有较完整的结构。这些测试表征表明我们所使用的石墨烯为连续、完整的单层薄膜。

图4 (a)采用532 nm波长激光激发的石墨烯的拉曼光谱，图中显示了主要的拉曼特征峰：G峰和2D峰，(b)石墨烯的方阻，(c)铜箔表面的石墨烯SEM图，(d)转移到Si/SiO2片上的石墨烯SEM图Fig.4 (a) The Raman spectrum of Gr excited by 532 nm wavelength laser shows the main Raman characteristic peaks: G peak and 2D peak; (b) square resistance of Gr; (c) SEM image of Gr on copper foil surface; (d) SEM images of Gr transferred to Si/SiO2 sheets

2.2 Si/SiO2和Si/SiO2/SY形貌表征

采用AFM技术表征Si/SiO2/SY和Si/SiO2的表面形貌，如图 5(a)所示，Si/SiO2结构的表面起伏程度在1～2 nm，均方根粗糙度(Rq)为0.773 nm。而Si/SiO2/SY结构的表面起伏程度在4～6 nm，均方根粗糙度(Rq)为1.17 nm(如图 5(b))，这表明SY有机荧光染料较为均匀致密地分布在目标衬底上，因此可以有效地减少淬灭结构的紫外可见吸收光谱和荧光发射光谱的测试误差。但与Si/SiO2结构相比，其表面形貌相对粗糙，导致石墨烯与衬底的贴合较差，甚至可能会引起石墨烯的局部破损，从而影响荧光淬灭效率。

图5 (a)Si/SiO2的AFM图像；
(b)Si/SiO2/SY的AFM图像Fig.5 (a) AFM image of Si/SiO2; (b) AFM image of Si/SiO2/SY

2.3 淬灭结构的紫外可见吸收光谱和荧光光谱

图 6为4种不同结构(Si/SiO2/SY、Si/SiO2/Gr/SY、Si/SiO2/SY/Gr、Si/SiO2/Gr/SY/Gr)的紫外可见吸收光谱和PL光谱。如图 6(a)所示，随着石墨烯在淬灭结构中位置的变化，淬灭结构吸收光谱的强度有所差异，其中三明治结构(Gr/SY/Gr)的吸收率最强。并且4种淬灭结构的吸收峰位大致相同，在约460 nm处均有一个较强的吸收峰。研究表明，在静态淬灭过程中，由于荧光团基态与淬灭剂之间会形成络合物，荧光团的紫外可见吸收光谱会发生改变[23-25]。如图 6(a)所示，不同淬灭结构的紫外可见吸收光谱没有观察到新条带的产生，峰位没有出现明显的偏移，这表明淬灭不是一个静态过程。

如图 6(b)所示，SY的荧光发射光谱在556 nm处(对应黄绿色发射)呈现一个较强的峰，峰的强度随着淬灭结构的差异而变化。其中Gr/SY/Gr结构的荧光淬灭效率到达了30%，Gr/SY的淬灭效率为27.5%，SY/Gr的淬灭效率为3.26%，该结果表明石墨烯是一种有效的荧光淬灭剂。在Gr/SY结构中，旋涂的SY与石墨烯贴合度较高，而SY/Gr结构是在SY的表面转移的一层石墨烯，SY的表面的起伏会导致SY与石墨烯之间存在一定的范德华间隙，作用力降低，从而对载流子的运输有阻碍作用，因此Gr/SY结构较SY/Gr结构的淬灭效果更明显，同时局部起伏程度过高(图5(b))也会导致单层石墨烯受损，降低荧光淬灭效率。而三明治结构叠加了Gr/SY和SY/Gr的淬灭效果，因此淬灭效率更高。

图6 (a)4种不同结构的紫外可见吸收光谱，(b)在460 nm激发光照射下SY和基于石墨烯的不同淬灭结构的荧光发射光谱Fig.6 (a) UV-Vis absorption spectra of four different structures; (b) fluorescence emission spectra of SY and Gr-based different quenching structures under excitation light at 460 nm

2.4 石墨烯淬灭SY的机理

前文我们已通过UV-Vis吸收光谱证实石墨烯与SY的荧光淬灭机理不是静态淬灭。此外石墨烯的吸收光谱与SY的发射光谱没有重叠(图7(a))，因此石墨烯和SY并不是通过荧光共振能量转移(FRET)机理产生淬灭[26-28]。由此可推测，石墨烯的荧光淬灭应遵循基于电子转移的动态淬灭机理[21,29]。

同时，已有研究表明SY的LUMO能级为-3.06 eV，HOMO能级为-5.32 eV[20]，石墨烯的功函数为-4.42 eV[30-31]，低于SY的LUMO能级。当石墨烯与具有π共轭体系的SY染料激发态电子发生π-π堆叠作用时，电子将从SY激发态转移到石墨烯形成的淬灭能级[22,29]，最终电子将以非辐射迁移的方式回到HOMO能级[22,32]。因此我们采用基于电子转移的动态淬灭机理来解释石墨烯与SY的淬灭过程。图7(b)左图所示，在光照下，SY的电子在HOMO能级上受到光激发后，就会跃迁到LUMO能级，处于LUMO能级上的电子不稳定，会回到HOMO能级与空穴复合，并释放出光子，实现光致发光(辐射跃迁)。如图7(b)右图所示，当石墨烯与SY相互作用时，石墨烯会在低于SY的LUMO能级处形成一个淬灭能级当SY的HOMO能级上的电子受到光激发后，便会跃迁至LUMO能级，在LUMO能级上的电子不会直接回到SY的HOMO能级上，而是转移到石墨烯形成的淬灭能级上，再以非辐射跃迁的方式从淬灭能级返回到HOMO能级，从而发生荧光淬灭现象。

图7 (a) SY发射光谱和石墨烯的紫外可见吸收光谱，(b)动态淬灭原理示意图Fig.7 (a) SY emission spectrum and Gr UV-Vis absorption spectrum; (b) schematic diagram of dynamic quenching

通过制备4种不同的淬灭结构，探究了石墨烯与SY之间产生的荧光淬灭效应。实验表明，石墨烯作为淬灭剂处于结构中的不同位置都会对SY产生淬灭效果，三明治结构(Gr/SY/Gr)的淬灭效率尤为显著，由此确定了石墨烯较高的荧光淬灭效率的新结构。同时证实了石墨烯淬灭SY过程为动态淬灭，这也为后续石墨烯的荧光淬灭应用于荧光传感器、生物荧光标记、环境污染检测等领域奠定了基础。