引用本文
张璐涛, 周光明, 张彩红, 罗丹. 新型膜状金纳米活性基底的制备及拉曼光谱增强研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(6): 1741-1746.
ZHANG Lu-tao, ZHOU Guang-ming, ZHANG Cai-hong, LUO Dan. The Preparation of the New Membrane-Like Gold Nanoparticles Substrate and the Study of Its Raman Spectroscopy[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(6): 1741-1746.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)06-1741-06  
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新型膜状金纳米活性基底的制备及拉曼光谱增强研究
张璐涛, 周光明*, 张彩红, 罗丹
西南大学化学化工学院发光与实时分析教育部重点实验室, 重庆 400715

作者简介: 张璐涛, 1992年生, 西南大学化学化工学院硕士研究生 e-mail: 535360122@qq.com

收稿日期: 2017-06-19
基金: 国家自然科学基金项目(21277110)资助
摘要

贵金属纳米粒子作为增强基底已经广泛应用于表面增强拉曼光谱(SERS)研究, 传统的贵金属纳米基底在制备方法、 增强能力、 准确性等方面仍有待改进和提高。 采用一种简易、 高效的方法制备出了一种具有膜状结构的新型金纳米增强基底: 以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作保护剂和粘结剂, 通过化学还原法制备金纳米基底。 实验考察了还原剂种类、 反应温度、 体系pH和柠檬酸钠浓度对反应的影响, 制备出增强效果最佳的新型膜状金纳米基底。 利用罗丹明B作为探针分子, 考察基底的SERS特征, 其增强因子可达6.5×105。 利用扫描电镜(SEM)对纳米粒子的结构进行了表征, 结果表明其具有膜状结构, 且比表面积大, 利于分子的吸附。 相比于传统的贵金属纳米基底, 该实验所制备的新型膜状金纳米基底增强效果更佳、 灵敏度和准确度更高, 具有很大的应用前景。

关键词: 表面增强拉曼光谱; 金纳米粒子; 反应条件; 罗丹明B
中图分类号:O657.3 文献标志码:A
The Preparation of the New Membrane-Like Gold Nanoparticles Substrate and the Study of Its Raman Spectroscopy
ZHANG Lu-tao, ZHOU Guang-ming*, ZHANG Cai-hong, LUO Dan
Key Laboratory of Luminescence and Real-time Analysis of the Ministry of Education, School of Chemistry and Chemical Engineering, Southwest University, Chongqing 400715, China
Abstract

As enhanced substrates, precious metal nanoparticles have been widely used in the study of the SERS.The traditional precious metal nanoparticles were still to be improved in the preparation methods, enhancement ability and accuracy. In this paper, simple and efficient method was developed to prepare a new membrane-like nanoparticles substrate. PVP was used as protectant and binder, gold nanoparticles were perpared by chemical reduction method. The effects of the reaction conditions on the reaction were investigated, including species of reducing agent, the temperature of the reaction, pH of the reaction system and the concentration of reducing agent. In addition, a new membrane-like nanoparticles substrate which had the best enhanced effect was prepared. The SERS characteristic of the substrate was inspected by rhodamine B. Its enhancement factor could reach to 6.5×105.The shape of gold nanoparticles was characterized by SEM. The results showed that it has a membrane structure and a large specific surface area which is conducive to molecular absorption. Compared with the traditional precious metal nanoparticles substrate, the new membrane-like gold nanoparticles substrate had a better enhanced effect and higher detection sensitivity and accuracy. All in all, it has a wide application prospect.

Keyword: SERS; Au nano-particle; Reaction condition; Rhodamine B
引 言

近年来, 纳米技术在国内外受到科研工作者的广泛关注, 这项技术得到了快速的发展, 得益于此, 表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种与纳米技术相结合的新型分析科学技术也得到了许多突破性的进展, 目前已经可以实现单分子量级的检测, 同时给科研者提供了关于分子的丰富的指纹信息[1]。 SERS因具有很高的检测灵敏度及检测效率, 如今已经应用到材料、 医学、 化工、 环境保护、 考古、 地质勘探等多个领域[2, 3]。

在过去几十年里, SERS的应用必然离不开基底的研究与发展, 对SERS活性基底的探究也一直是科研工作者研究的重点和难点[4]。 近年来, 各种不同类型的SERS基底层出不穷。 贵金属胶体是一类发现较早, 且应用广泛的基底, 虽然其制备简单, 但是其灵敏度不高且稳定性差[5]。 贵金属电极材料也是SERS的常用基底, 其检测灵敏度高, 但是其制备过程复杂、 耗时长[6, 7]。 分子修饰贵金属纳米粒子和基质复合贵金属纳米SERS基底是目前研究比较多的两类基底, 其构型多样, 但是基底批次间和批次内的重现性差, 且制备流程复杂[8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15]。

金纳米粒子因其独特的等离子发光性质而受到广泛关注, 它也经常作为SERS增强基底[16, 17]。 一些传统的金纳米制备方法复杂, 且制备出来的颗粒不均匀, 大大影响了增强效果[18]。 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作为一种水溶性高分子化合物, 因其具有很好的胶体保护作用、 成膜性、 粘结性, 在贵金属纳米制备中有着广泛应用[17]。 本文建立了一种新型的制备方法, 采用柠檬酸钠作为还原剂, 在保护剂PVP存在的条件下还原氯金酸, 通过改变还原剂种类、 控制反应温度、 反应体系pH和还原剂的浓度大小, 制备出了一种新型的活性基底, 其外层为PVP膜, 内层为金纳米粒子, 外形呈膜状, 该基底具有良好的分散性, 并且增强效果佳, 增强因子可达6.5× 105。 通过实验优化, 得到了制备膜状金纳米基底的最佳条件, 并且表征了基底的表面构型及SERS活性。

1 实验部分
1.1 仪器

RFS-100/s型傅里叶变换拉曼光谱仪(德国Bruker公司), Nd∶ YAG激光光源(1 064 nm); 液氮Ge检测器, 激光强度200 nW(固态样品, 扫描70次)和300 nW(液态样品, 扫描100次), 分辨率为4 cm-1; DF-101S型恒温加热磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司); CQ 50型超声波清洗器; 80-1型台式低速离心机(金坛科技仪器有限公司); S4800型扫描电子显微镜(SEM)(日本日立公司); Ankl TGL-16G型高速离心机; AB104-N型电子分析天平(d=0.000 1 g)。

1.2 试剂

氯金酸(HAuCl4· 4H2O), 聚乙烯吡咯烷酮(PVP), 甲醇(CH3OH), 抗坏血酸(AA), 柠檬酸三钠(Na3-Cit), 硼氢化钠(NaBH4), 盐酸羟胺(HO-NH3Cl), 氢氧化钠(NaOH), 盐酸(HCl), 罗丹明B(RB), pH试纸; 以上试剂均为分析纯, 均购于川东化工试剂厂。 实验用水为自制超纯水, 电阻率为18.3 MΩ · cm。

1.3 化学还原法制备金纳米基底

1.3.1 方法

参考并改进了Frens G[19]制备金纳米粒子的方案。 室温下, 分别配制0.01%的HAuCl4· 4H2O溶液50 mL, 1%的Na3-Cit溶液5 mL, 将50 mL 0.01%的HAuCl4· 4H2O溶液加入到20 mL 6× 10-5 mol· L-1的PVP溶液中, 用玻璃棒搅拌均匀, 油浴加热到100 ℃。 5 min后, 缓慢滴入0.5 mL的Na3-Cit溶液, 观察现象, 1 min后溶液逐渐变为墨绿色, 3 min后溶液逐渐变为红色, 之后红色逐渐加深, 待颜色不再变化后, 恒温控制100 ℃下搅拌反应1 h。 反应结束后将混合溶液冷却至室温, 用酒精超声洗涤5~6次, 在3 000 r· min-1的转速下离心10 min, 得到的混合溶液用酒精稀释保存。 玻璃片分别用C2H5OH, HCl和NaOH超声清洗后, 在室温下晾干后待用。 在干净的玻璃表面上滴1~2滴稀释后的混合溶液, 在空气中晾干, 将10-6 mol· L-1的罗丹明B和混合溶液按体积比为1∶ 2的比例制样, 在室温下晾干后直接测定其拉曼光谱。

此外, 对金纳米粒子的生成条件进行了优化, 实验分别从还原剂种类、 实验温度、 反应体系的pH、 还原剂的浓度四个方面进行了实验和论证, 得到了膜状金纳米粒子生成的最优方案。

1.3.2 实验条件

1.3.2.1 还原剂种类的影响

通过化学还原法, 依次用Na3-Cit, HO-NH3Cl, AA, NaBH4作为还原剂, 在其余实验条件相同的情况下, 还原HAuCl4· 4H2O制备金纳米粒子, 将所制备的金纳米粒子用酒精稀释, 依照RB与金纳米粒子体积比为1∶ 2的比例制样, 在室温下晾干, 测定其拉曼光谱。 图1是RB吸附在使用不同还原剂时还原HAuCl4· 4H2O合成的金纳米粒子表面的SERS。 图1(a)中a1— d1依次是以Na3-Cit, HO-NH3Cl, AA, NaBH4为还原剂合成金纳米, 在金纳米基底上RB的SERS谱图, 图1(b)为不同金纳米基底上RB的SERS中1 359 cm-1处特征峰的强度的柱状图, 对比两图可以看出, 在相同的出峰位置, 增强的程度却不尽相同。 其中使用Na3-Cit作还原剂制备的金纳米基底增强效果最佳。

图1 (a)不同还原剂合成金纳米粒子上罗丹明B的SERS; (b)不同还原剂合成金纳米粒子上罗丹明B在1 359 cm-1处的特征峰强度大小
a1: 柠檬酸钠; b1: 盐酸羟胺; c1: 抗坏血酸; d1: 硼氢化钠Fig.1 (a) The SERS Spectra of Rhodamine B Derived from Au Nps with Different Reducing Agents; (b) the SERS Intensity of Rhodamine B Characteristic peak(1 359 cm-1) for Au Nps with different Reducing Agents
a1: Na3-Cit; b1: HO-NH3Cl; c1: AA; d1: NaBH4

1.3.2.2 反应温度的影响

控制反应温度分别为80, 90, 100, 110和120 ℃, 在其余实验条件相同的情况下, 用Na3-Cit作还原剂还原氯金酸制备金纳米粒子, 讨论反应温度对金纳米粒子生成的影响。 把合成后的金纳米粒子用酒精稀释, 依照RB与金纳米粒子体积比为1∶ 2的比例制样, 测定其拉曼光谱。 图2(a)为RB吸附在不同温度下制备的金纳米粒子基底表面上所测的SERS谱图, 图中a2— e2依次为反应温度在90, 100, 80, 110和120 ℃下合成金纳米基底上罗丹明B的SERS谱图, 图2(b)为不同温度下合成金纳米基底上RB的SERS在1 353 cm-1处的峰强度的变化。 结合两图, 我们可以看出随着反应温度的增大, 其合成的金纳米基底增强效果有一个先增大后降低的过程, 反应温度过高或者过低都对金纳米粒子的生长存在影响, 温度过低可能会使其达不到反应所需要的活化能, 温度过高可能会使金纳米粒子粒径增大而发生团聚现象, 影响其形貌, 从而影响其增强效果。 通过几组实验, 可以看出, 当反应温度控制为90 ℃时, 其合成的金纳米增强基底的增强效果最佳。

图2 (a)不同温度下合成金纳米粒子上罗丹明B的SERS; (b)不同温度下合成金纳米粒子上罗丹明B在1 353 cm-1处的特征峰强度大小
a2: 90 ℃; b2: 100 ℃; c2: 80 ℃; d2: 110 ℃; e2: 120 ℃Fig.2 (a) The SERS Spectra of Rhodamine B Derived from Au Nps in Different Reaction Temperature; (b) the SERS Intensity of Rhodamine B Characteristic peak (1 353 cm-1) for Au Nps in Different Reaction Temperature
a2: 90 ℃; b2: 100 ℃; c2: 80 ℃; d2: 110 ℃; e2: 120 ℃

1.3.2.3 pH大小的影响

用HCl和NaOH改变反应体系的pH值, 在其余实验条件相同的情况下, 讨论pH对金纳米粒子生成的影响。 同样, 将合成的金纳米粒子用酒精稀释, 依照罗丹明B与金纳米粒子体积比为1∶ 2的比例制样, 测定其拉曼光谱。 图3(a)为罗丹明B吸附在不同pH条件下生成的金纳米粒子表面上的SERS谱图, 图中a3— e3的反应体系中pH大小依次为7, 4, 10, 1和13, 图3(b)为罗丹明B的SERS在1 348 cm-1处的特征峰强度的变化。 结合两图, 我们可以看出, 不同pH环境下生长的金纳米粒子的增强效果不尽相同, pH过高或者过低都可能会使得反应过程中金纳米粒子的形貌和性质发生不同程度的改变, 从而影响金纳米粒子的生长, 进而影响其增强效果。 通过几组实验, 可以看出, 当反应体系的pH控制在7时, 其合成的金纳米基底增强效果最佳。

图3 (a)不同pH下合成金纳米粒子上罗丹明B的SERS; (b)不同pH下合成金纳米粒子上罗丹明B在1 348 cm-1处的特征峰强度大小
a3: pH 7; b3: pH 4; c3: pH 10; d3: pH 1; e3: pH 3Fig.3 (a) The SERS Spectra of Rhodamine B Derived from Au Nps in Different pH; (b) the SERS Intensity of Rhodamine B Characteristic peak (1 348 cm-1) for Au Nps in Different pH
a3: pH 7; b3: pH 4; c3: pH 10; d3: pH 1; e3: pH 3

1.3.2.4 还原剂Na3-Cit浓度的影响

配制不同浓度的Na3-Cit溶液, 在其余条件相同的情况下, 还原HAuCl4· 4H2O制备金纳米粒子, 探讨还原剂浓度对金纳米粒子生长的影响。 同样, 将合成的金纳米粒子用酒精稀释, 依照罗丹明B与纳米金粒子体积比为1∶ 2的比例制样, 测定其拉曼光谱。 图4(a)为罗丹明B吸附在用不同浓度的Na3-Cit制备的金纳米基底上的SERS谱图, 图中a4— d4依次代表柠檬酸钠浓度为1%, 0.5%, 1.5%和2%。 图4(b)为罗丹明B的SERS在1 354 cm-1处的拉曼光谱峰强度变化。 结合两图, 可以看出还原剂Na3-Cit的浓度对制备出的金纳米基底的增强效果有显著影响, 随着还原剂浓度由小到大, 其制备的金纳米粒子的拉曼增强效果呈现出先升高后降低的趋势, 分析其中的原因, 可能是加入还原剂浓度太低时, 其还原反应速率太慢, 还原得到的纳米粒子少, 而当加入还原剂浓度太大时, 会使得反应剧烈, 造成金纳米粒径增大而团聚, 得到的金纳米粒子减少。 经过几组实验对比后, 使用1%的Na3-Cit作还原剂时制备的金纳米基底增强效果最佳。

图4 (a)不同柠檬酸钠浓度下合成金纳米粒子上罗丹明B的SERS; (b)不同柠檬酸钠浓度下合成金纳米粒子吸附罗丹明B在1 354 cm-1处的峰强度
a4: c=1%; b4: c=0.5%; c4: c=1.5%; d4: c=2%Fig.4 (a) the SERS Spectra of Rhodamine B Derived from Au Nps with Different Contentration of Na3-Cit; (b) the SERS Intensity of Rhodamine B Characteristic peak (1 354 cm-1) for Au Nps with Different Contentration of Na3-Cit
a4: c=1%; b4: c=0.5%; c4: c=1.5%; d4: c=2%

2 结果与讨论
2.1 金纳米基底的紫外谱图分析

金纳米粒子的大小、 形貌、 尺寸和聚集形态都会影响AO的紫外吸收光谱。 在室温下测定其紫外-可见吸收光谱, 如图5所示, 其中a曲线表示金纳米基底未加入RB的紫外吸收曲线, b曲线表示加入RB后混合液的紫外吸收曲线。 由图5中a曲线可知, 金纳米颗粒在524 nm处出现最大吸收峰, 与文献报道基本一致, 在加入RB后, 如图5中b曲线所示, 吸收曲线出现了红移, 在553 nm处出现了最大吸收峰, 说明RB附着在金纳米基底表面上, 使得金纳米的偶极矩增大。 对比a和b曲线, 可以看出加入罗丹明B后其最大吸收峰强度明显增大了, 其原因可能是由于罗丹明B附着在金纳米基底上, 二者之间的电子出现了强烈的作用, 有的电子由于受到相互作用后激发出一部分能量导致峰增强。

图5 室温下金纳米的紫外吸收光谱图Fig.5 UV-Visible absorption spectra of Au Nps

2.2 罗丹明B的SERS谱图分析

染料分子(例如结晶紫、 罗丹明B、 罗丹明6G等)是采用比较多的一类 SERS探针分子。 目前SERS已经可以测定单分子的结构, 在单分子水平上, 罗丹明B分子的灵敏度是罗丹明6G的几倍, 因此采用罗丹明B作为探针分子具备更高的精确性。 金纳米粒子主要以单亚层分子分布, 受到拉曼光源的激发后, 其表面等离子体会从基态跃迁到激发态, 从而使其周围电场强度增强, 同时使吸附在表面的罗丹明B分子的极化率增大, 从而提高分子的拉曼响应信号, 得到其SERS谱图[20]。 图6为吸附在金纳米表面上罗丹明B的SERS谱图及RRS谱图, 同时给出了罗丹明B的化学结构式, 如图6所示, 在波数1 592, 1 506, 1 409, 1 350, 1 278和1 198 cm-1处出现明显的特征峰, 这是苯环中C=C的骨架伸缩振动; 1 074, 918和272 cm-1处出现明显的特征峰, 这是C— N的伸缩振动, 表明了罗丹明B分子是以平铺的形式吸附在金纳米表面上。 1 641 cm-1处的峰处于高波数, 表征C=O的伸缩振动。

图6 金纳米基底上罗丹明B的SERS(a)和RRS(b)Fig.6 The SRES (a) and RRS (b) of RhB Adsorbed in Au Substrate

本文所合成的新型膜状金纳米粒子基底是一种稳定高效的SERS基底, 如图6, 综合对比图中罗丹明B的SERS(a)及RRS(b)峰位置和峰强度, 结合理论计算, 得出其增强因子可以达到6.5× 105, 此种基底应用于样品检测可以达到很好的增强效果获得很高的灵敏度。

2.3 金纳米的扫描电镜(SEM)图谱分析

取上述实验中最优条件合成的金纳米粒子于清洁硅片上, 喷金制样, 干燥后在加速电压为20 KV的扫描电镜下扫描。 图7为优化条件后合成的金纳米粒子的SEM照片, 从图7(a)中可以看出金纳米粒子呈膜状堆积, 金纳米粒被PVP紧紧包围, 表面粗糙且其比表面积大, 使得样品分子能够更加多且紧密地吸附在其表面, 应用于SERS能够得到更好的增强效果。 图7(b)中可以看出金纳米粒子粒径大小不尽相同, 这可能是合成过程中条件的控制影响了金纳米的形态, 但这对SERS的影响可忽略不计。 因传统的金溶胶基底普遍存在制备周期长、 易团聚、 且难以清洗等不足, 对非水相体系的SERS的测定存在阻碍等特点, 故在本实验中, 采用把金纳米粒子滴于干净的玻璃片上干燥后用于测试样品的方法, 此种方法可以运用于更多的体系中, 极大的扩宽了其应用范围, 且测试过程更加灵敏和快捷, 是一种理想的SERS基底材料。

图7 金纳米粒子的SEM图Fig.7 SEM of the Au Nps

3 结 论

在PVP存在的环境下, 采用化学还原法制备膜状金纳米SERS增强基底, 尝试了在不同还原剂、 pH环境、 Na3-Cit浓度、 温度等实验条件下金纳米粒子的生长情况, 得到了合成金纳米粒子的最佳条件为: 当以1% Na3-Cit为还原剂, 控制反应温度为90 ℃, 控制反应体系中pH为7时增强效果最佳。 此方法制备的基底是一种新型的具有膜状金纳米结构的增强基底, 相比于传统的贵金属基底, 此种膜状金纳米基底具有分布均匀、 比表面积大等优点, 其增强效果更佳、 准确度更高、 重现性更好, 并且制备过程简单, 此种基底材料可应用于食品药品类的检测、 环境类有毒有害物的监测、 医学上病菌检测等多个领域, 具有很广的应用前景, 可以广泛地作为SERS活性基底。

The authors have declared that no competing interests exist.

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