賀海兵，陳 葳

（南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇南京 210093）

表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測金納米粒子表面配體取向

賀海兵，陳 葳

（南京大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，江蘇南京 210093）

使用表面增強(qiáng)拉曼光譜研究了苯硫醚在不同曲率半徑的金納米粒子表面的取向差異。結(jié)果表明，金納米粒子半徑越小，其表面配體分子中的苯環(huán)越傾向與金粒子表面平行排列。

表面增強(qiáng)拉曼光譜；金納米粒子；分子取向

賀海兵，陳 葳.表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測金納米粒子表面配體取向［J］.河北科技大學(xué)學(xué)報，2014，35（2）：144-148.

HE Haibing，CHEN Wei.Detection of ligand orientation on gold nanoparticle by SERS［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：144-148.

納米材料的光、熱、磁、力學(xué)等方面的性質(zhì)不同于本體材料，其在生物工程、分子組裝等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料的表面往往覆蓋有一層配體分子層，與外界環(huán)境接觸的就是這層配體，配體的性質(zhì)不僅直接影響納米粒子的表面性質(zhì)及用途，對納米粒子本身獨特性質(zhì)的表達(dá)也有著至關(guān)重要的影響［1－2］。例如：由于蛋白質(zhì)的反應(yīng)活性與其二級結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，表面吸附了多肽的金納米粒子，因而構(gòu)象的改變將極大改變多肽保護(hù)的納米粒子的反應(yīng)活性［3］。

傳統(tǒng)的界面表征方法包括接觸角、AFM和XPS等［4－7］，雖然可以表征自組裝單分子膜宏觀親疏水性質(zhì)、形貌以及部分界面成分，但無法獲取諸如分子構(gòu)象、基團(tuán)或者分子取向方面的信息。紅外反射吸收光譜（FTIR-RAS）［8］利用光波在金屬表面的反射疊加現(xiàn)象，獲取分子在界面的官能團(tuán)排列方向等結(jié)構(gòu)信息；但FTIR-RAS的增強(qiáng)系數(shù)較低，只有普通紅外光譜的10～30倍［9］，難以獲得單層分子的信號；且該項技術(shù)對儀器的靈敏度和操作參數(shù)都有較高的要求，大大限制了FTIR-RAS的應(yīng)用范圍。近年來出現(xiàn)的和頻振動光譜（SFG）對界面信號具有高度選擇性和單分子層的靈敏性，因此SFG可用于判斷樣品基團(tuán)在金屬表面、界面的絕對取向，并進(jìn)一步推斷該基團(tuán)在界面的取向角［10－11］。但由于SFG界面選擇性的本質(zhì)是對于反演對稱的介質(zhì)無響應(yīng)，而對反演對稱破缺的體系有高度靈敏性［12］，因而對于界面分子在界面的二維平面內(nèi)處于無序狀態(tài)或是界面分子自身結(jié)構(gòu)具有高度對稱性的體系，用SFG是無法獲取界面分子取向信息的。

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）對于與表面、界面直接相接觸的分子層振動信號的增強(qiáng)能達(dá)到普通拉曼散射的10萬～100萬倍［13］，可以直接觀察到基底表面單層分子的信號。此外，由于SERS對不同振動模式具有選擇性增強(qiáng)效應(yīng)，因此可利用SERS技術(shù)獲取分子的取向信息。

2007年，KRAATZ等使用反射吸收紅外光譜和壓片紅外光譜發(fā)現(xiàn)：在金屬平面上，多肽保持與本體物質(zhì)相同的α螺旋結(jié)構(gòu)；隨著基底曲率半徑的不斷減小，在20，10，5 nm金納米粒子上，α螺旋結(jié)構(gòu)漸漸地向β折疊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變［3］。

受這一思路的啟發(fā)，筆者推測基底曲率的變化在一定程度上會影響到所吸附的配體分子的構(gòu)型與取向，基于SERS技術(shù)的特殊選擇性增強(qiáng)原理，用它來檢測吸附分子在不同曲率半徑的金納米粒子表面的取向。本論文工作中，檢測了苯硫醚分子在不同曲率半徑的金納米粒子表面的取向，以實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)推導(dǎo)出納米粒子表面吸附分子的取向與粒子曲率半徑之間的經(jīng)驗關(guān)系式。

1 實驗部分

1.1 試劑

苯硫醚（phenyl disulfide，PD），購自Sigma-Aldrich，純度＞99%，使用前未進(jìn)行預(yù)處理。

丙酮、二次蒸餾水、檸檬酸鈉、98%（體積分?jǐn)?shù)）濃硫酸、30%（體積分?jǐn)?shù)）雙氧水、3-氨基丙基－三甲氧基硅烷（3-aminopropyltrimethoxysilane，APTMS）、四氫呋喃、三氯甲烷、甲醇、乙醇，均為分析純，使用前重蒸處理。

1.2 儀器

Horiba Jobin Yvon Lab Raman，激發(fā)波長為633 nm，17 m W，分辨率≤1 cm－1。

1.3 實驗步驟

Frens法金納米的制備及組裝如下：在100 m L煮沸的0.01%（體積分?jǐn)?shù)）的氯金酸水溶液中加入2.0，0.6，0.32 m L體積分?jǐn)?shù)為1%的檸檬酸鈉溶液，待溶液顏色變化后繼續(xù)煮沸1 h，得到16，70，150 nm的金納米粒子。將1 cm×1 cm的石英片依次置于四氫呋喃、丙酮、乙醇中，在超聲儀中超聲15 min，氮氣吹干。將石英片置于3份濃硫酸和1份雙氧水配成的食人魚洗液中，于80℃加熱，1 h后取出，用二次蒸餾水洗滌3次，氮氣吹干，然后放在1份3-氨基丙基－三甲氧基硅烷與4份甲醇的混合液中24 h。取出洗凈后置于3種不同大小的金溶膠中24 h，使得金納米粒子能夠在石英片表面充分吸附。將制備好的基底置于0.1 mmol／L的PD的三氯甲烷溶液中，使得探針分子能夠充分吸附在金納米表面。24 h后取出，用三氯甲烷洗滌多次，用氮氣吹干，即可進(jìn)行測試。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 PD普通拉曼及吸附在70 nm金納米粒子表面的SERS信號分析

圖1是PD的普通拉曼圖和吸附在70 nm金納米粒子表面的SERS信號。各峰歸屬如下［14－15］：250 cm－1代表的是C—H的彎曲振動；345 cm－1和544 cm－1分別代表C—S—S彎曲振動 和S—S伸縮振動的特征峰；472 cm－1代表苯環(huán)的面外振動；740 cm－1代表C—H的面外彎曲振動；1 076 cm－1代表C—S的伸縮振動；1 581 cm－1代表苯環(huán)的伸縮振動。對比PD的普通拉曼和SERS信號，發(fā)現(xiàn)了一個新峰273 cm－1，這意味著形成了新的化學(xué)鍵——金硫鍵［16］，也就是S—S斷裂了，斷裂之后硫原子和金納米表面結(jié)合；同時也可以觀察到345 cm－1和544 cm－1消失了，同樣也表明硫醚中S—S鍵的斷裂。1 002 cm－1在普通拉曼圖中相對強(qiáng)度是最大的，但在SERS信號中，它沒有1 073 cm－1和1 573 cm－1處的相對強(qiáng)度大，說明SERS可以選擇性增強(qiáng)某些峰。

由于苯環(huán)結(jié)構(gòu)與硫原子直接相連，與金納米粒子基底的距離很近，取向有序，因此有著強(qiáng)烈的SERS信號。根據(jù)SERS選擇定律，當(dāng)某種振動模式的矢量與SERS基底垂直時，它的振動譜帶將會得到明顯的增強(qiáng)；當(dāng)某種振動模式的矢量與基底平行時，相應(yīng)的振動峰將會明顯減弱。由圖1可知，1 073 cm－1和1 573 cm－1分別代表C—S伸縮振動和苯環(huán)面內(nèi)振動峰的振動模式得到極大增強(qiáng)，表明C—S鍵和苯環(huán)垂直于基底表面，整個分子垂直吸附在基底上。此外，997 cm－1及1 023 cm－1代表苯環(huán)面內(nèi)變形振動、平面內(nèi)C—H的變形振動峰也得到了極大的增強(qiáng)，進(jìn)一步佐證了PD分子S—S鍵斷裂之后是以金硫鍵垂直吸附于基底表面的。

圖1 PD普通拉曼圖及吸附在70 nm金納米粒子上的SERS信號Fig.1 Noramal Raman of PD and SERS on 70 nm gold nanoparticles

2.2 PD吸附在16，70，150 nm金納米粒子上的SERS信號（見圖2）

圖2 PD吸附在金納米粒子表面的SERS及基線重合之后的局部放大圖Fig.2 SERS of PD gold nanoparticles and enlarged view with baseline coincide

圖2 a）是PD吸附在16，70，150 nm金納米粒子表面的SERS信號（以Au—S鍵歸一化），圖2 b）—圖2 d）是基線重合之后的局部放大圖。為了比較苯環(huán)傾斜角度的大小，由于金硫鍵與苯環(huán)的傾斜角度無關(guān)，故以金硫鍵為標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理。當(dāng)金納米粒子的直徑逐漸變大（16，70，150 nm）時，997，1 023，1 073，1 573 cm－1代表面內(nèi)振動的峰都得到了不同程度的增強(qiáng)。根據(jù)前述SERS選擇定律，它們的振動矢量在垂直于金納米粒子基底方向的分量越來越大，由此可以得出苯環(huán)與金納米粒子基底的法線之間夾角逐漸變小，即更傾向于垂直取向。與此相反的是，472 cm－1和740 cm－1處代表的面外彎曲振動，當(dāng)金納米粒子尺寸逐漸增大時，它們的振動矢量在垂直于金納米粒子基底方向的分量卻逐漸變小，也進(jìn)一步印證了這一結(jié)果。由此認(rèn)為在較小納米粒子表面，苯環(huán)更傾向于與基底平行取向；在較大納米粒子表面，苯環(huán)更傾向于垂直取向。

PEMBERTON等用苯環(huán)平面與基底法線的夾角θ描述苯環(huán)平面與基底的取向關(guān)系，θ與吸附分子的SERS強(qiáng)度和Raman強(qiáng)度比之間存在如下關(guān)系［17］：

式中：Ioop表示面外振動；Iip表示面內(nèi)振動。

根據(jù)上述公式，選取代表苯環(huán)面外振動的472 cm－1處峰和代表苯環(huán)面內(nèi)振動的1 573 cm－1處峰的比值計算3種不同大小納米粒子表面苯環(huán)的θ值，θ16＝33°，θ70＝21°，θ150＝10°。

用θ對吸附在不同曲率半徑的金納米粒子表面的PD分子的取向作定性描述。金納米粒子的曲率半徑越小，θ越大。如圖3所示，θ16＞θ70＞θ150。

圖3 苯環(huán)在不同曲率半徑金納米粒子上取向示意圖Fig.3 Orientation of phenyl ring on different size gold nanoparticles

筆者發(fā)現(xiàn)PD分子面外振動峰和面內(nèi)振動峰強(qiáng)度的比值Ioop／Iip與金納米粒子曲率半徑R之間存在如下關(guān)系：

式中：k和m為常數(shù)。

該關(guān)系式可對吸附在不同曲率半徑的金納米粒子表面的PD分子的取向進(jìn)行定量描述。當(dāng)選取代表C—H面外振動的740 cm－1處峰和代表C—S面內(nèi)振動的1 073 cm－1處峰的比值以及代表苯環(huán)面外振動的472 cm－1處峰和代表苯環(huán)面內(nèi)振動的1 573 cm－1處峰的比值代入時，該經(jīng)驗公式都成立。

3 結(jié) 語

本工作使用不同曲率半徑的金納米粒子作為SERS基底，比較了PD分子的取向差異。實驗結(jié)果表明，PD分子的苯環(huán)在較小曲率半徑的金納米粒子表面更加傾向與基底表面平行。該取向差異可用PD分子面外振動峰和面內(nèi)振動峰強(qiáng)度的比值Ioop／Iip進(jìn)行定量描述。

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Detection of ligand orientation on gold nanoparticle by SERS

HE Haibing，CHEN Wei
（Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210093，China）

Surface-enhanced Raman spectroscopy is used to systematically investigate the orientation of phenyl disulfide on gold nanoparticles.The result shows the benzene ring planes have higher tendency to arrange parallel to the surface of gold nanoparticles with smaller curvature radius.

surface-enhanced Raman spectroscopy；gold nanoparticle；molecular orientation

O657.37

A

1008-1542（2014）02-0144-05

10.7535／hbkd.2014yx02006

2013-12-30；

2014-01-25；責(zé)任編輯：張士瑩

國家自然科學(xué)基金（21074052）

賀海兵（1987-），男，湖北洪湖人，碩士研究生，主要從事表面增強(qiáng)拉曼光譜方面的研究。

陳 葳副教授。E-mail：weichen＠nju.edu.cn

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