劉 恪， 張晨杰， 徐敏敏， 姚建林

蘇州大學(xué)材料與化學(xué)化工學(xué)部， 江蘇 蘇州 215123

引 言

表面增強拉曼光譜(SERS)由于其高增強效應(yīng)和高選擇性， 在表面科學(xué)領(lǐng)域的研究中具有巨大優(yōu)勢， 在化學(xué)、 材料科學(xué)、 納米科學(xué)及生命科學(xué)等領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究中應(yīng)用廣泛， 如電催化[1]、 高分子材料[2]、 生物傳感器、 單分子檢測[3]等。 研究表明， 金屬基底的種類、 表面粗糙度、 表面形貌結(jié)構(gòu)、 粒子的大小及間距等因素均顯著影響SERS信號[4-6]。 表面等離激元共振(surface plasmons resonance, SPR)作為SERS信號的最主要貢獻(xiàn)者， 同時受基底狀態(tài)、 激發(fā)波長、 周圍環(huán)境等多種因素的影響[7-9]。 而SERS的應(yīng)用環(huán)境如空氣， 水、 有機溶劑等介質(zhì)也對檢測也產(chǎn)生重要影響。 因此， 有必要研究SERS效應(yīng)的影響。

迄今為止， 對影響基底增強效應(yīng)的多種因素已有廣泛研究， 然而對所處環(huán)境介質(zhì)的影響研究鮮有報道， 究其原因， 主要是大多數(shù)SERS基底的均勻性與重現(xiàn)性較差， 難以進行橫向的對比， 進而無法準(zhǔn)確、 靈敏地分析環(huán)境改變對SERS效應(yīng)的影響。

Li等[11]發(fā)明了殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy, SHINERS)， 將具有高SERS效應(yīng)的金或銀納米粒子表面包裹一層超薄致密無針孔的惰性SiO2或Al2O3殼層， 以殼層內(nèi)的金、 銀納米粒子為電磁場增強源。 作為一種非接觸模式， SHINERS模型避免了待測分子與SERS增強源間的直接接觸， 使結(jié)果更具真實性， 能準(zhǔn)確反映分子在目標(biāo)基底上的吸附行為[11]， SHINERS技術(shù)的出現(xiàn)再次將SERS的普適性、 靈活性和便捷性提升到新的高度， 這類基底若能進行組裝， 則可望得到具有較好重現(xiàn)性的SERS基底。

本研究制備了Au@SiO2二元核殼結(jié)構(gòu)， 將探針分子修飾在包裹層內(nèi)， 形成(Au-probe)@SiO2粒子， 分別以對巰基苯甲酸(pMBA)和對硝基苯硫酚(PNTP)為探針， 制備不同粒徑的(110 nm Au- pMBA)@SiO2和(55 nm Au- PNTP)@SiO2二元核殼納米粒子， 由于探針分子的表面覆蓋度確定， 通過探針分子的SERS信號可反映SERS基底的增強行為， 因此在研究外界環(huán)境的影響時具有顯著的優(yōu)越性。 通過液液兩相界面法制備(Au-probe)@SiO2納米粒子的單層膜(nanoparticles monolayer films, NMFs)， 以此為SERS基底， 考察了介質(zhì)環(huán)境對SERS效應(yīng)的影響。

1 實驗部分

1.1 Au納米粒子的制備

(1)15 nm Au納米粒子的制備。 100 mL的0.01%(w/v%)的氯金酸水溶液劇烈攪拌下加熱至沸騰， 迅速注入2 mL 1%(w/v%)檸檬酸鈉水溶液， 溶液由淺黃色變黑再逐漸變?yōu)榱良t色。 繼續(xù)攪拌回流15 min后冷卻至室溫， 即得到15 nm Au納米粒子。

(2)55 nm Au粒子的制備。 與15 nm Au制備類似， 注入0.75 mL 1%(w/v%)檸檬酸鈉水溶液即可。

(3)110 nm Au的制備。 取400 μL的15 nm Au納米粒子溶膠加入96 mL超純水、 220 μL 1%(w/v%)的檸檬酸鈉水溶液和1 mL 1%(w/v%)氯金酸水溶液， 攪拌下快速注入1 mL 3.3 mg·mL-1的對苯二酚水溶液， 溶液即刻由淡黃色變?yōu)樽宵S色， 直到變?yōu)橥咙S色， 即得到110 nm的Au納米粒子， 將制備的110 nm Au放置過夜， 于90 ℃下加熱煮沸1 h去除還原劑， 冷卻備用。

1.2 (Au-probe)@SiO2二元納米粒子的制備

參照文獻(xiàn)[10]的方法， 在Au納米粒子表面包裹SiO2殼層。 由于在其內(nèi)嵌入探針分子， 需對制備步驟稍加修正。

(1)取10 mL 110 nm Au納米粒子溶膠加入15 μL 1 mmol·L-1的pMBA乙醇溶液， 攪拌30 min后加入135 μL 1 mmol·L-1的(3-巰丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)乙醇溶液， 再次攪拌15 min后加入1 080 μL 0.54(w/v%)的Na2SiO3水溶液(pH 10.5左右)， 3 min后立即轉(zhuǎn)移至96 ℃的水浴中， 反應(yīng)1.5 h， 取出置于冰水浴中急速冷卻至室溫， 離心清洗2～3次， 即可得到以110 nm Au為內(nèi)核的(Au-pMBA)@SiO2， 濃縮至5 mL待用。

(2) (55 nm Au-PNTP)@SiO2二元核殼納米粒子的制備方法與(110 nm Au-pMBA)@SiO2相似， 其中使用的探針分子為PNTP， 硅烷偶聯(lián)劑為氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)的水溶液， 96 ℃的水浴鍋中反應(yīng)時間為0.5 h， 其余實驗條件均保持不變。

1.3 液液界面(Au-probe)@SiO2二元納米粒子單層膜的制備

采取液液兩相界面法制備(Au-pMBA)@SiO2二元納米粒子單層膜。 首先， 取2 mL濃縮后的(Au-probe)@SiO2溶膠加入至10 mL小燒杯中， 再加入400 μL甲苯， 形成甲苯在上層、 溶膠在下層清晰的油水兩相界面。 沿?zé)诰徛渭覦MF， 發(fā)現(xiàn)粒子由水相向油相運動， 并在兩相界面上被捕獲形成單層納米粒子膜。 靜置1 min后， 再沿著燒杯壁緩慢滴加丙酮。 迅速用提拉法將單層膜轉(zhuǎn)移至硅片表面， 以無水乙醇多次沖洗后晾干備用。

1.4 拉曼光譜測定

首先在干燥基底上測得探針分子的SERS譜圖。 隨后， 在基底表面滴加少量的液體介質(zhì)， 獲得介質(zhì)環(huán)境中的SERS譜圖。 由于表面張力， 液滴在基底表面呈中間厚邊緣薄的半球形。 激光在穿透該液膜時會發(fā)生反射和折射等光學(xué)過程， 降低了到達(dá)基底表面的激光功率， 從而降低SERS信號。 為了降低該現(xiàn)象對實驗的影響， 采用在樣品表面覆蓋極薄的石英片的方法， 有效削弱光的衰減。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米粒子和單層膜的形貌表征

納米粒子表征圖1(a)和(c)是合成的55和110 nm的Au納米粒子的TEM圖。 由圖可見， 兩種納米粒子均呈準(zhǔn)球形。 圖1(b)和(d)為(Au-probe)@SiO2二元核殼納米粒子的TEM圖， 其中b以55 nm Au為核， 平均殼層厚度約為3.5 nm， d以110 nm Au為核， 平均殼層厚度約為4.0 nm， 所制備的SiO2殼層連續(xù)性、 完整性和均一性良好。

單層膜的形貌表征圖2(a)和(b)分別為SiO2殼層厚度為3.5 nm的(55 nm Au-PNTP)@SiO2和殼層厚度為4 nm的(110 nm Au-pMBA)@SiO2二元納米粒子單層膜的SEM。 納米粒子排列緊密， 分散性較好， 幾乎未觀察到雙層或多層結(jié)構(gòu)。

圖1 55 nm Au (a), (55 nm Au-PNTP)@SiO2 (b), 110 nm Au (c) and (110 nm Au-pMBA)@SiO2 (d)納米粒子的TEM形貌圖

圖2 (55 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜(a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜(b)的SEM表征(標(biāo)尺： 200 nm)

2.2 單層膜的性能表征

雖然由之前的TEM表征可初步判斷核殼結(jié)構(gòu)納米粒子殼層結(jié)構(gòu)的完整性， 但由于不同Au晶面上Na2SiO3的水解速率可能存在差異， 導(dǎo)致其殼層包裹和生長的速度快慢不一， 從而形成不連續(xù)島狀結(jié)構(gòu)SiO2。 因此， 進一步借助CV技術(shù)對粒子的殼層結(jié)構(gòu)進行考察。 將(Au-probe)@SiO2納米粒子濃縮液滴加在玻碳電極表面進行CV測試(如圖3所示)， 其中(c)為未包裹SiO2的110 nm Au的CV曲線， 可以明顯觀察到位于1.3 V左右的Au的氧化峰和位于0.8 V左右的還原峰。 (a)和(b)的CV曲線上均未觀察到上述兩個峰， 表明此時溶膠中所有的粒子均處于完全包裹的狀態(tài)。

若SiO2殼層存在微小針孔， 但整體殼層是連續(xù)的， 依然可以將內(nèi)核Au與電極隔絕， 從而使Au納米粒子不會發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)。 為此， 選取吡啶(Py)為探針分子對SiO2殼層進行針孔效應(yīng)測試。 滴加5 μL 10 mmol·L-1的吡啶(Py)水溶液在所制備的(55 nm Au-PNTP)@SiO2或(110 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜表面， 蓋上石英片， 等待3 min后進行SERS檢測， 結(jié)果如圖4。

圖3 (55 nm Au-PNTP)@SiO2 (a), (110 nm Au-pMBA)@SiO2 (b)和110 nm Au (c)納米粒子的循環(huán)伏安曲線

通常， 若未檢測到吡啶的SERS信號， 則表明SiO2殼層致密無針孔。 圖4(a)和(b)中， 曲線(1)為預(yù)吸附了探針分子的單層膜的譜圖， 所觀察的為典型的探針分子的特征SERS光譜， 曲線(2)為滴加了吡啶溶液后測得的譜圖。 在所制備的(55 nm Au-PNTP)@SiO2和(110 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜上的吡啶測試中， 位于1 013 cm-1(吡啶的ν1環(huán)呼吸振動)以及1 038 cm-1(吡啶的ν12對稱三角環(huán)呼吸振動)處[12]的吡啶SERS特征峰均未出現(xiàn)， 如圖4(a)和(b)中曲線(2)所示； 表明制備的二元核殼納米粒子的SiO2殼層是致密、 無針孔。

研究介質(zhì)對SERS效應(yīng)的影響， 需在多個基底上進行橫向的比較， 進而準(zhǔn)確、 靈敏地分析介質(zhì)的改變對SERS效應(yīng)的影響。 這對研究所使用的基底均勻性提出較高的要求。 在二元核殼納米粒子單層膜表面任意選取7 μm×10 μm的區(qū)域， 以1 μm為步長， 對其進行SERS的mapping測試， 考察基底的SERS信號均勻性， 結(jié)果如圖5(a)和(b)所示。 (55 nm Au-PNTP)@SiO2單層膜上PNTP位于1 338 cm-1處峰強度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)約為5.38%[見圖5(a)]， (110 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜上pMBA位于1 077 cm-1處峰強度的RSD約為5.97%[見圖5(b)]， 通常RSD為10%以內(nèi)則證明基底的均勻性較好， 因此兩種二元核殼納米粒子單層膜的SERS均勻性良好。

2.3 介質(zhì)對(Au-probe)@SiO2膜SERS影響

SERS增強因子與金屬的介電常數(shù)、 介質(zhì)的介電常數(shù)密切相關(guān)。 介質(zhì)的折射率數(shù)值上等于相對介電常數(shù)的平方根， 因此， 可以選擇不同折射率的介質(zhì)研究介電常數(shù)對SERS的影響。 在對Au@SiO2進行針孔測試時， 對Au@SiO2單層膜表面滴加水溶液， 可看作Au@SiO2介質(zhì)由空氣變?yōu)樗?對比圖4(a)和(b)中曲線(1， 2)可知， 水層的加入導(dǎo)致SERS信號強度略降低， 主要由于液體介質(zhì)和石英片的存在， 導(dǎo)致激光和SERS信號穿透液層時不可避免地發(fā)生吸收、 折射和反射等光學(xué)過程， 從而使SERS信號略有降低。

圖4 (55 nm Au-PNTP)@SiO2單層膜(a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2單層膜(b)表面吡啶的SERS光譜

圖5 PNTP吸附在(55 nm Au-PNTP)@SiO2 (a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2(b)單層膜表面的SERS成像光譜

已有文獻(xiàn)報道當(dāng)Au納米粒子間距較小或處于聚集狀態(tài)時， 其SPR吸收峰位置向長波長方向移動； 反之， 當(dāng)Au納米粒子間距較大或處于分散狀態(tài)時， 其SPR吸收峰位置則向短波長方向移動[13]。 在目前研究中， (110 nm Au-pMBA)@SiO2粒子殼層厚度約為4.5 nm， 基底上粒子間間距較大， SPR吸收峰向低波長方向位移。 且由于粒子間距的增加， 相鄰Au納米粒子之間的“熱點”效應(yīng)急劇減小[14]， 導(dǎo)致信號強度顯著降低。 (55 nm Au-PNTP)@SiO2粒子殼層厚度約為3.5 nm， 相比于(110 nm Au-pMBA)@SiO2基底SERS活性更強， 為此選用該基底進行不同介質(zhì)及不同激發(fā)線下SERS效應(yīng)的研究， 結(jié)果如圖6(a)和(b)。 在不同波長下， 介質(zhì)由空氣變?yōu)樗畷r， SERS信號幾乎不發(fā)生改變。 由于納米粒子間距較小， Au納米粒子之間的“熱點”效應(yīng)較強， SERS信號明顯強于(110 nm Au-pMBA)@SiO2基底， 因此， 液膜對激光和SERS信號的衰減的影響較小， SERS信號的降低可以忽略。 值得說明的是， 由于不同激發(fā)光下納米粒子對分子拉曼信號的增強具有譜峰位置關(guān)聯(lián)性， 以及檢測器對不同波長的響應(yīng)效率存在差別， 由此導(dǎo)致檢測到或收集到的拉曼信號相對強度發(fā)生變化。

根據(jù)本課題組以往研究， 在Au納米單層膜表面存在一定的水溶液時， 其SERS信號顯著增強， 這由于Au周圍的介質(zhì)發(fā)生變化所致， 理論模擬表明其SPR的位置發(fā)生位移， SPR與所用的激光更加匹配， 由此SERS信號增強[16]。 本研究中的二元核殼納米粒子單層膜表面， Au核被致密無針孔效應(yīng)的SiO2殼層包裹， 且探針分子內(nèi)嵌其中， 由此完全隔絕了電磁場增強源Au納米粒子及探針分子與介質(zhì)的直接接觸， 當(dāng)改變基底上的介質(zhì)時， 實際上Au核所處的介質(zhì)環(huán)境仍為SiO2(n=1.57)， 因此SERS信號不發(fā)生改變。 在上述實驗中， 還發(fā)現(xiàn)作為探針分子的PNTP或pMBA， 由于被包裹在SiO2殼層內(nèi)， 介質(zhì)溶劑及氧氣等均無法參與反應(yīng)， 因此探針分子未發(fā)生SPR催化反應(yīng)， 始終保持穩(wěn)定的光譜特征。 在SiO2的隔絕下， 作為電磁場增強源的Au與變化的介質(zhì)環(huán)境隔絕， 故在(Au-probe)@SiO2二元核殼納米粒子單層膜上， 改變外部介質(zhì)的折射率， 無法引起SERS效應(yīng)的變化， 證明基底上的SERS效應(yīng)只與電磁場增強源周圍的局部折射率相關(guān)。 由此可見類內(nèi)嵌探針分子的二元核殼納米粒子單層膜可作為一種多環(huán)境介質(zhì)下使用的SERS基底， 即可作為增強源用于高靈敏度檢測， 又可作為穩(wěn)定的內(nèi)標(biāo)或標(biāo)記。

圖6 (55 nm Au-PNTP)@SiO2單層膜分別在638 nm (a)和785 nm (b)激光下空氣和水中的SERS光譜

3 結(jié) 論

合成了內(nèi)核尺寸及修飾分子不同的兩種(Au-probe)@SiO2二元核殼納米粒子， 并通過液液兩相成膜的方法制備了單層膜SERS基底。 該基底以殼層內(nèi)的金納米粒子作為電磁場增強源， 具有較高的檢測靈敏度和較好的均勻性。 同時， 通過超薄致密無針孔的惰性SiO2殼層包裹高SERS效應(yīng)的金納米粒子， 避免介質(zhì)環(huán)境與待測分子和SERS增強源間的直接接觸。 在兩種基底上， 不同激發(fā)波長下， 改變外部介質(zhì)， SERS效應(yīng)均不發(fā)生明顯變化， 表明介質(zhì)需直接接觸SPR增強源才對SERS產(chǎn)生顯著影響。 此類基底在高靈敏度檢測以及作為穩(wěn)定SERS內(nèi)標(biāo)方面具有重要潛在用途。