ZHANG Shushan, ZHOU Jianzhang , WU Deyin, TIAN Zhongqun

State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, Department of Chemistry, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, P. R. China.

Abstract: In this study, a localized surface plasmon resonance (LSPR) fiber probe modified with Ag nanoparticles(NPs) was developed. The LSPR fiber probe not only serves as a reaction substrate for plasmonic catalysis, but also detects in situ surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) signals from the reaction product, thereby achieving the integration of the plasmonic catalysis reactions and SERS signal detection. To fabricate the LSPR probe, plasmonic Ag NPs were first selfassembled on the surface of the fiber probe with assistance by the amination and silanization of (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS) molecules. p-Aminothiophenol (PATP) was chosen as a model molecule for plasmonic catalytic reaction. By regulating the self-assembly time of the Ag NPs, a uniform distributed monolayer of Ag NPs was formed on the surface of the probe, with which excellent plasmonic catalysis effects and SERS signal collection from the reaction product of 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) were achieved. It was found that the characteristic SERS signal of the plasmonic catalytic reaction product DMAB obtained from internal excitation and collection was 12.8 times more intense than that from the external excitation and collection under the same laser intensity conditions, demonstrating that the internal excitation and collection method was advantageous in the plasmonic catalysis and SERS signal detection. The LSPR fiber probe was demonstrably qualified to quantitatively detect the concentrations of PATP solutions in the concentration ranges 10-4-10-8 mol?L-1. Using the LSPR fiber probe, we also realized an in situ kinetics study of the PATP coupling reaction enhanced by plasmonic catalysis. The results showed that the Ag NP-based LSPR fiber probe with internal excitation and collection modes had the advantages of high sensitivity, low cost, facile preparation, and most importantly, applicability to in situ detection in a flexible manner with less damage to the samples.The preliminary study also indicated that it was feasible to combine the LSPR fiber probe with near-field scanning optical microscopy, not only to obtain morphological images of the surface but also to simultaneously perform the plasmonic catalysis reaction and the detection of micro-domains of the surface. This permitted the acquisition of a two-dimensional distributional assessment of surface reactions by the plasmonic catalysis.

Key Words: Ag nanoparticles modified fiber probe; Plasmonic catalysis; Surface-enhanced Raman detection;p-Aminothiophenol; 4,4′-Dimercaptoazobenzene

1 引言

當入射光頻率與金屬納米結構表面的電子集體振蕩頻率相一致時，會產生共振，這種現(xiàn)象稱之為局域表面等離激元共振(LSPR)1。當金屬納米結構之間的間隙在數(shù)納米時，由于近場耦合效應，耦合處的局域電磁場會極大地增強，甚至高達數(shù)百萬倍。當目標分子位于此局域電場(熱點)中，將極大增強其表面增強拉曼光譜(SERS)信號2。不同種類的 SERS活性基質和貴金屬納米粒子(例如 Au和 Ag)在平坦基底(例如硅片3、載玻片4和石英片5)上的研究已有大量文獻報道。相比于傳統(tǒng)SERS基底，光纖可用于遠程檢測待測物，也可用于受限區(qū)域的檢測，為原位化學檢測和有機活體內檢測提供可能性，還可用于有毒且易揮發(fā)等會污染光學鏡頭物質的檢測。此外，光纖探針可簡化光學準直校正過程，增強SERS激發(fā)和收集效率6，因此基于 SERS的光纖傳感器展現(xiàn)出了良好的應用前景7,8。

光纖探針末端的外形結構從最初尖端平直光纖9，到具有一定錐角光纖10乃至尖端錐型光纖7。其中錐型光纖探針可為激發(fā)光和 SERS活性材料提供更大的反應面積，且具有較高的光傳輸效率10。在光纖末端組裝或制備具有 LSPR效應的金屬納米結構的方法有激光誘導法11、真空蒸鍍法12、斜角濺射13等。這些方法方便快捷，納米結構單元在表面的附著力也較好，但在精確控制金屬納米粒子粒徑和形狀上具有較大的局限性。將非原位制備的納米粒子通過一定方式修飾到探針表面，則是另外一種技術路徑。如Liu等7采用的納米溶膠自組裝法，在非共價鍵的作用下，使得納米粒子自發(fā)的聚集在光纖表面。由于這類制備方法中納米粒子的合成和自組裝到光纖上的過程分開進行，可將其他方法合成的特定形貌尺寸的納米粒子修飾到探針上，如三角形、立方體以及核殼型納米粒子等均可作為活性材料。LSPR效應與納米粒子形狀和尺寸密切相關14，因而有利于獲得具有各種獨特 LSPR效應的光纖探針。此法的不足在于納米粒子修飾到表面的附著力較差，為此還可進一步通過添加分子偶聯(lián)劑15等來增強附著效果。

近年來，LSPR增強光化學反應受到廣泛關注16-18。Linic等19設計等離激元催化劑，用于催化一氧化碳和乙烯的加成反應，大大提高了反應的選擇性。Halas等18利用Au NPs作為等離激元催化劑，在不同波長下進行氫氣解離的研究。但在等離激元催化過程中的光能利用效率仍然遠遠低于半導體催化劑，如何提高在金屬納米結構上光能利用率的問題仍然亟待解決。對于等離激元催化反應機理，目前存在三種觀點，表面局域電磁場增強機理、光激發(fā)電子轉移機理和光熱效應20。然而，有關增強機理的探討仍有待深入研究。提供更多的等離激元催化化學反應的原位檢測的手段對于研究反應和機理是十分必要的。

本文提出利用末端修飾 Ag納米粒子的光纖作為一種LSPR探針，研究等離激元催化反應。首先采用化學刻蝕法將其末端制成具有納米尖端的錐型探針，再通過硅烷類分子偶聯(lián)劑將球形 Ag NPs自組裝到光纖末端；選用對巰基苯胺(PATP)作為模型分子，探索利用 LSPR光纖探針作為等離激元催化反應及 SERS檢測基底探針，實現(xiàn)反應與檢測一體化。我們探討了不同激發(fā)波長、納米粒子自組裝時間對PATP分子偶聯(lián)反應的影響；通過激發(fā)光從光纖內外部激發(fā)對比實驗，探究內激發(fā)方式是否具有優(yōu)勢；利用不同濃度的PATP溶液研究其對分子吸附及信號檢測的影響；利用LSPR光纖探針實現(xiàn)了對 PATP分子偶聯(lián)反應的動力學過程原位研究；并初步將該 LSPR光纖探針結合掃描近場顯微鏡對樣品表面進行掃描成像，探索進一步將其應用于樣品表面微區(qū)反應及二維分布測定的可行性。

2 實驗部分

2.1 材料與試劑

多模光纖(包層 125 μm，芯徑 105 μm，數(shù)值孔徑 0.22)購于上海聞奕光電科技有限公司；3-氨基丙基三甲氧基硅烷((3-Aminopropyl) trimethoxysilane，APTMS，97%)，對巰基苯胺(paminothiophenol，PATP，98%)購于美國 Alfa Aesar；氫氟酸(HF，40%)、濃鹽酸(HCl，36%-38%)、濃硝酸(HNO3，65%-68%)、濃硫酸(H2SO4，98%)、雙氧水(H2O2，≥ 30%)、硝酸銀(AgNO3，≥ 99.8%)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP，(K值27.0-32.4))、氯化鈉(NaCl，≥ 99.5%)、抗壞血酸(AA，≥ 99.7%)和氫氧化鈉(NaOH，≥ 96.0%)均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司，所有化學試劑未經(jīng)進一步提純。實驗所用玻璃儀器經(jīng)王水(濃鹽酸和濃硝酸以體積比3 : 1混合)和食人魚溶液(濃硫酸和雙氧水以體積比3 : 1混合)浸泡后，超純水沖洗干凈。實驗用水均為電阻率 18.2 MΩ·cm的超純水。

2.2 儀器

實驗中涉及的形貌及尺寸表征采用日本Hitachi公司的S4800 FESEM型掃描電鏡(SEM)；納米粒子的紫外-可見吸收光譜采用日本島津公司生產的UV2550紫外-可見分光光度計；光纖探針的熔接采用南京迪威普光電技術有限公司生產的光纖熔接機(DVP-740)；SERS檢測采用英國Renishaw 公司生產的共聚焦拉曼光譜儀RenishawinVia，配有波長 532 nm 激光器、波長632.8 nm激光器、波長785 nm激光器；光纖探針對樣品掃描成像采用俄羅斯NT-MDT公司生產的NTEGRA Solaris。

2.3 Ag NPs的合成

2.3.1 AgCl前驅體的合成

用40 mL去離子水將0.17 g PVP溶解于100 mL燒瓶中，磁力攪拌溶解完全，然后加入0.17 g的 AgNO3，最后加入 400 μL 的 5.0 mol·L-1NaCl溶液，暗室環(huán)境下攪拌15 min后備用。

2.3.2 Ag NPs的合成

取 0.05 mol·L-1的抗壞血酸溶液 40 mL加入4.4 mL 0.5 mol·L-1NaOH溶液中，然后加入5.0 mL新制備的AgCl前驅體，暗室環(huán)境下攪拌2 h，得到直徑約90 nm的Ag NPs，分別用去離子水和乙醇超聲清洗多次備用。

2.4LSPR光纖探針的制備

2.4.1錐型光纖探針的制備

采用化學刻蝕法制備納米尖端的光纖探針。用光纖鉗剪下15 cm的多模光纖，一端剝去2 cm涂覆層(A端)，用于制備錐型探針，另一端剝去3 cm涂覆層(B端)，用于熔接傳輸光纖。兩端均用光纖切割刀切平，保證端面平整。將光纖固定在自制光纖架上，A端2 cm浸入食用油液封的氫氟酸溶液中2 min，使光纖表面粗糙化，而后將光纖上移，使末端浸入刻蝕液中 20 min，尖端刻蝕一定的錐角后取出，用去離子水浸泡清洗備用。

當保持刻蝕條件相同時，不同光纖刻蝕后基本具備相近尺寸，圖S1 (見Supporting Information)為不同光纖探針SEM形貌圖，取光纖刻蝕后尖端部位(圖中紅線區(qū)域)，分別測量四根光纖的母線和底面直徑。對光纖圓錐區(qū)域表面積 S1，圓柱區(qū)域表面積S2以及自組裝有Ag NPs區(qū)域總面積S進行計算，圓錐體的側表面積計算公式為：S1=πDL/2；圓柱型區(qū)域表面積計算公式為：S2= πDh；故自主裝有 Ag NPs區(qū)域總面積 S = πDL/2 + πDh。其中D為圓錐體底面直徑，L為圓錐體母線長，π為圓周率，h為圓柱體高度(本文中光纖組裝 Ag NPs長度均控制在1 mm)。各項參數(shù)對比見表1，自組裝有 Ag NPs區(qū)域總面積平均值為 324695.4 μm2，標準差為 918.8 μm2，說明所制備的錐型光纖探針重現(xiàn)性較好。

2.4.2Ag NPs修飾光纖探針

光纖探針修飾過程分為羥基化，氨基化，自組裝Ag NPs三部分。首先將光纖尖端浸泡在食人魚溶液中30 min，使其羥基化；去離子水清洗后，將尖端浸泡在氨基硅烷溶液(APTMS 330 μL，0.1 mol·L-1HCl溶液 30 μL，30 mL 去離子水)中 12 h，使其充分氨基化；去離子水清洗后，將探針尖端1 mm浸泡在Ag NPs溶膠中進行自組裝過程，然后取出備用。探究 Ag NPs不同自組裝時間對探針LSPR效應的影響時，自組裝時間采用1、3、6、9、12、24 h；其余實驗則采用Ag NPs自組裝時間6 h的光纖探針。

表1 不同光纖探針各項參數(shù)Table 1 Parameters of different fiber probes.

2.5LSPR光纖探針上PATP分子等離激元催化反應及SERS信號的檢測

LSPR光纖探針上PATP分子等離激元催化反應及SERS信號的檢測裝置如圖 1所示?？涛g并組裝 Ag NPs后的錐型光纖探針通過光纖熔接機接入傳輸光纖，熔接后光損耗為極小(0.00 db)。本實驗采用拉曼鏡頭為10倍NA 0.25的物鏡，光照時間10 min，采集時間10 s。本實驗采用PATP分子作為等離激元催化反應物，先用去離子水配制濃度為 1.00 × 10-3mol·L-1的 PATP 溶液，然后采用 10 倍稀釋法依次配制 1.00 × 10-4、7.00 × 10-5、5.00 × 10-5、3.00 × 10-5、1.00 × 10-6、1.00 × 10-7、1.00 × 10-8、1.00 × 10-9mol·L-1的 PATP 溶液，同一濃度條件下，分別采用 3根制備條件相同的光纖探針進行等離激元催化反應并檢測SERS信號。激發(fā)光從光纖內部激發(fā)時，光功率的大小從光纖末端檢測；激發(fā)光從光纖外部激發(fā)時，光功率的大小均從光斑對焦到光纖表面處檢測。探究不同激發(fā)方式等離激元催化所需最小光功率密度實驗采用不同光功率密度，其余實驗采用光纖末端光功率密度4.6 × 10-4W·cm-2；探究激光對等離激元催化的影響實驗時采用不同波長激光，其余實驗均采用532 nm激光作為激發(fā)光；探究PATP濃度對分子吸附及信號檢測的影響，采用實時檢測(邊吸附邊反應)的方式光照 10 min檢測不同濃度的PATP溶液的等離激元催化反應所得SERS信號，其余實驗光照前在 1.00 × 10-4mol·L-1PATP 水溶液中浸泡吸附5 min，使其充分吸附后再進行等離激元催化反應。

圖1 LSPR光纖探針等離激元催化反應和SERS信號檢測裝置及光纖探針制備過程示意圖Fig. 1 experimental installation of plasmonic catalysis reaction and SERS detection using the LSPR fiber probe and the process of fiber probe preparation.

3 結果與討論

3.1 LSPR光纖探針的表征

尺寸范圍約為10-200 nm的貴金屬納米粒子具有較強的LSPR特性，當納米粒子粒徑較小時，可提高檢測分辨率，但其散射信號較弱；當納米粒子粒徑較大時，散射信號得到增強，有利于提高信噪比，但會出現(xiàn)四極峰，使得半峰寬變寬，降低峰檢測的分辨率21。本實驗采用文獻方法22合成Ag NPs，由圖 S2a，b (見 Supporting Information)的形貌圖可見：所得粒子尺寸分布較均一，粒子間不易團聚，分散性較好。由Ag NPs粒徑分布統(tǒng)計(圖S2c)可知，粒子尺寸主要分布在88-90 nm；由Ag NPs的紫外-可見吸收光譜圖(圖S2d)可知，最大吸收峰位置出現(xiàn)在412 nm，半峰寬約為80 nm，進一步說明所合成的Ag NPs粒徑較均一，尺寸分布較窄。此法制備的Ag NPs有利于后續(xù)在光纖探針表面自組裝形成單粒子層，且合成步驟簡單。

圖2a，b是光纖探針刻蝕后的SEM圖。由圖可知，光纖末端呈較規(guī)整的圓錐型。圖2b顯示尖端尺寸約50 nm。圖2c，d為光纖末端組裝Ag NPs后的SEM圖，Ag NPs的自組裝時間為6 h，由圖2c局部放大圖可以看出，相對于未經(jīng)硅烷化處理的光纖探針(見圖S3，Supporting Information)，可使Ag NPs較均勻地組裝在光纖表面，且大部分呈單層吸附。圖2d為圖2c尖端放大部分，探針尖端修飾有Ag NPs，使得尖端尺寸近似為單顆粒Ag NP大小。這表明有可能在尖端修飾上相應尺寸的單顆納米粒子，從而進一步用于提高對樣品表面掃描成像的空間分辨率。

圖2 光纖探針刻蝕后(a, b)及組裝上Ag NPs后的SEM圖(c, d)Fig. 2 SEM images of fiber probe after etching (a, b) and assembly of Ag NPs (c, d).

取光纖表面不同位置區(qū)域考察Ag NPs分布情況，如圖S4 (見Supporting Information)。不同位置處的 Ag NPs在光纖表面基本都呈現(xiàn)單層分布，用Image J軟件分別對圖中粒子所占百分比進行分析，得到三圖中Ag NPs覆蓋率分別為90.3%、88.7%、86.1%，平均覆蓋率為88.4%。說明Ag NPs在光纖表面覆蓋度較高，且分布較均勻。綜合上述表征可知，本實驗所用光纖探針制備方法重現(xiàn)性好，納米粒子在光纖表面分布較均勻且基本呈單層吸附。

3.2LSPR光纖探針在PATP等離激元催化反應研究中的應用

PATP分子是SERS研究中最重要的分子之一23，可通過巰基吸附在絕大多數(shù)的 SERS基底上構成自組裝單分子層，且能夠產生非常獨特的高質量 SERS信號24，其等離激元催化條件下生成 的 偶 聯(lián) 產 物 4,4′- 二 巰 基 偶 氮 苯 (4,4′-dimercaptoazobenzene，DMAB)也具有較強 SERS信號，可利用SERS手段將DMAB方便檢測出來，因而本文選用 PATP作為等離激元催化反應研究的模型分子。PATP分子的偶聯(lián)反應方程式如下：

為了探究不同激發(fā)波長對等離激元催化反應的影響，我們以532、632.8、785 nm激光從光纖內部激發(fā) PATP分子等離激元催化反應，此時采用從光纖末端所測光功率密度4.6 × 10-4W·cm-2。將光纖探針在10-4mol·L-1的PATP溶液中浸泡吸附5 min，光照10 min后，進行等離激元催化結果檢測。由圖3可知，SERS譜圖中出現(xiàn)的主要特征峰有 1080、1145、1190、1390、1435、1580 cm-1，其中1180、1580 cm-1為PATP和DMAB共有特征峰，1145、1390、1435 cm-1為DMAB特征峰25。通過檢測DMAB特征峰1145 cm-1強度變化可知，當激發(fā)光波長由532 nm可見光區(qū)域逐漸向近紅外區(qū)域785 nm過渡時，DMAB分子特征峰1145 cm-1強度逐漸變弱。由于 Ag NPs的最大吸收波長在412 nm處(見圖S2d)，532 nm激光較632.8、785 nm激光更接近其最大吸收波長，利于Ag NPs等離激元催化 PATP分子，產生更強的 SERS信號26，因而本文后續(xù)研究均采用532 nm激光作為激發(fā)光。

圖3 不同激發(fā)波長(532, 632.8, 785 nm)對SERS信號的影響Fig. 3 Influence of different excitation wavelengths(532, 632.8, 785 nm) on SERS signals.

圖4 Ag NPs不同自組裝時間對反應產物SERS信號的影響Fig. 4 Influence of different self-assembly time of Ag NPs on SERS signals of the reaction product.

為了探究Ag NPs自組裝時間對等離激元催化反應及 SERS檢測的影響，本文對不同自組裝時間進行對比實驗。不同自組裝時間條件下，光纖表面 Ag NPs吸附量和分布存在差異，如圖 S5 (見Supporting Information)，自組裝時間為1、3 h時，納米粒子在光纖表面吸附量較少且分散稀疏；自組裝時間為6 h，粒子在光纖表面基本呈現(xiàn)滿單層吸附且粒子間間距較小；當自組裝時間為9、12、24 h時，納米粒子緊密堆積形成多層狀態(tài)。對應圖4所得等離激元催化反應后的 SERS譜圖結果可知，自組裝時間過短和過長都不利于光纖表面Ag NPs對 PATP分子的等離激元催化反應及SERS信號檢測。這是由于光纖探針上自組裝的Ag NPs之間的間隙小到數(shù)納米時，由于耦合作用LSPR電磁場可大大增強，進而增強SERS27。自組裝時間過短，使得Ag NPs覆蓋量較少且粒子間間隙過大，表面缺乏熱點，等離激元催化反應不易進行；自組裝時間過長，Ag NPs覆蓋量較多，粒子間過于緊密堆積也會導致熱點減少，且過厚Ag NPs層也會影響光纖探針對SERS信號的收集28。圖 4右上角插圖為不同自組裝時間所得等離激元催化反應產物DMAB特征峰1145 cm-1峰強變化趨勢。由圖可見，當Ag NPs自組裝時間為6 h時，光纖探針組裝Ag NPs等離激元催化PATP反應及信號收集可達到最佳效果。因而本文對納米粒子自組裝時間均控制在6 h。

雖然光纖傳感具有多場合原位檢測等優(yōu)點，但是激光引入光纖后，照射到樣品上的光強度比起物鏡直接聚焦照射的強度弱了很多，這是否不利于等離激元催化反應和產物的 SERS信號檢測？為了揭示這個問題，我們進行了光纖內外兩種激發(fā)及收集方式的等離激元催化反應對比實驗。圖 5a，b為激發(fā)光分別從光纖內外部激發(fā)和收集裝置示意圖。對比兩種激發(fā)及收集方式下反應后產物DMAB的SERS信號可知(以特征峰1145 cm-1的強度作為比較，圖5c)，內激發(fā)及收集方式所得 SERS信號為外激發(fā)及收集方式所得信號強度的12.8倍。激發(fā)光從光纖內部激發(fā)時，光纖錐形尖端表面上絕大多數(shù)Ag NPs和PATP均可發(fā)生反應，反應面積為324695.4 μm2；激發(fā)光從光纖外部激發(fā)時，光纖表面只有聚焦光斑所在區(qū)域發(fā)生反應，10 × 0.25 NA物鏡光斑直徑為2.6 μm，面積為5.3 μm2。由于物鏡與光纖耦合時存在光損，內激發(fā)及收集方式實際所用功率為物鏡輸出的40%，光纖表面等離激元催化所用光功率密度為4.6 × 10-4W·cm-2，外激發(fā)及收集光功率密度為69.4 W·cm-2。在內激發(fā)及收集所用光功率密度小于外激發(fā)及收集所用光功率密度條件下，內激發(fā)及收集所得信號反而強于外激發(fā)及收集所得信號。我們認為有如下幾個原因：(1) 有文獻發(fā)現(xiàn)，背光側(類似內激發(fā))產生的SERS信號比近光側的(類似外激發(fā))明顯要強，理論模擬表明背光側的場強約是近光側的 2倍29。所以內激發(fā)方式較外激發(fā)具有更明顯的電磁場增強效應。(2) 雖然內激發(fā)所用光功率密度遠小于外激發(fā)光功率密度，但光照10 min后，內外激發(fā)條件下反應均達平衡，而內激發(fā)時反應面積存在較大優(yōu)勢，Ag NPs及PATP分子參與數(shù)量較多，對等離激元催化反應及信號的收集貢獻較大。(3) 本文中Ag NPs的滿單層分布可使激光在錐型尖端發(fā)生多次反射10(如圖 5a所示)。多次反射可提高光子利用效率，增強LSPR電磁場，促進PATP反應，還可提高SERS信號收集效率，增強SERS信號。

為了研究 PATP等離激元催化反應及信號收集內、外方式所需最小激光強度，我們進行了最小激光強度對比實驗。以Ag納米粒子修飾光纖探針吸附有 PATP分子等離激元催化反應后所得 1145 cm-1峰強/未吸附 PATP分子時光纖探針在 1145 cm-1處所得基底信號，即ISERS(1145 cm-1)/Inoise(1145 cm-1)，分別得到內激發(fā)及收集方式(圖 5d)和外激發(fā)及收集方式(圖5e)信噪比—光強關系曲線圖。由圖可知，由于前期光強較弱，1145 cm-1峰SERS信號并不明顯，因而所得信噪比變化較??；隨著光強的增強，1145 cm-1峰在某光強下產生明顯SERS信號，信噪比發(fā)生明顯變化，而后所得信噪比隨著光強增強迅速變大。延長兩階段變化曲線交于一點，得到Ag NPs修飾光纖探針對PATP等離激元催化及 SERS信號檢測所需最小光強，外激發(fā)及收集條件下光強為 6.1 W·cm-2，內激發(fā)及收集條件下光強為1.1 × 10-4W·cm-2。由此可知，激發(fā)光從光纖探針內部激發(fā)及收集所需最小光強遠小于從外部激發(fā)所需光強，說明內激發(fā)及收集方式具有更強SERS信號、對樣品損壞較小的優(yōu)勢。在此基礎上，光纖探針可應用于對光熱敏感且信號較弱樣品的檢測。

圖5 不同激發(fā)方式示意圖及所得SERS信號：(a) 內部激發(fā)；(b) 外部激發(fā)；(c) 物鏡輸出相同激光功率密度69.4 W·cm-2條件下內(紅線)、外(黑線)激發(fā)所得信號；(d) 內激發(fā)及收集方式和(e)外激發(fā)及收集方式在1145 cm-1處所得信噪比-光強關系曲線圖Fig. 5 Diagram of different excitation modes and SERS signals: (a)internal excitation; (b)external excitation; (c) SERS signals obtained by internal (red curve) and external excitation (black curve) under the same laser power intensity of 69.4 W·cm-2 outputted by objective lens; Relationship between ratio of signal to noise and laser power intensity at 1145 cm-1 under the internal excitation and collection mode (d) and external excitation and collection mode (e).

圖6 (a) 不同濃度的PATP溶液中反應產物的實時檢測SERS信號圖；(b) DMAB特征峰1145 cm-1隨PATP濃度變化趨勢圖Fig. 6 (a) Real-time detection of SERS signals of the reaction product in PATP solutions with different concentrations ; (b)Tendency of DMAB characteristic peak 1145 cm-1 with different PATP concentration.

在光纖探針體系中，為了研究不同濃度的PATP溶液對等離激元催化及信號檢測的影響，我們采用邊吸附邊反應的方式對不同濃度的 PATP溶液進行檢測。如圖6a所示，隨著PATP濃度的降低，光纖探針等離激元催化后所得產物DMAB特征峰 1145 cm-1隨之減弱，當 PATP濃度低至10-8mol·L-1時，光纖探針仍能檢測到DMAB特征峰。由圖 6b 可知，當 PATP 濃度(10-8-10-6mol·L-1)較低時，1145 cm-1峰強與PATP濃度基本呈線性關系；當 PATP濃度較高時，1145 cm-1峰強隨PATP濃度的增加緩慢增強而后趨近不變。由于本實驗中，Ag納米粒子在光纖表面呈現(xiàn)均勻滿單層分布狀態(tài)，假設PATP分子在Ag納米粒子表面平行排列，根據(jù)最大分子層計算方法，雖然Ag粒子與―SH間采用非平行絡合方式，但也可近似認為PATP分子單層吸附30,31。DMAB特征峰1145 cm-1的強度I與PATP在Ag粒子上的表面覆蓋度成比例32，而本實驗采用實時檢測8方式，PATP在光纖探針表面的吸附過程不可忽略，我們采用Langmuir吸附等溫式對I及PATP溶液濃度C進行擬合，得到1145 cm-1峰強與PATP溶液濃度關系如下：

其中a = 14034.3；b = 2.7；d = 0.6；C為PATP溶液的濃度。由于實際體系與理想條件存在差異，且SERS信號貢獻主要來自于表面熱點處的PATP分子，因而此處存在校正系數(shù)a和d。此曲線趨勢與圖6b的變化趨勢相符，擬合相關系數(shù)的平方R2=0.995。因此，當 PATP 濃度在 10-4-10-8mol·L-1范圍內時，可利用此關系式可對其偶聯(lián)反應進行定量分析，即該LSPR光纖探針也可用于SERS活性分子的定量分析。

異相表面催化過程在研究催化反應中非常關鍵，其中原位監(jiān)測催化劑表面的反應過程具有很大的挑戰(zhàn)性。對于金屬納米粒子等離激元催化反應，SERS可通過分子的拉曼振動光譜的強度變化很靈敏地原位監(jiān)測分子的變化33。為了原位探討光纖探針表面等離激元催化反應過程，我們利用LSPR光纖探針結合 SERS檢測手段，開展了對PATP分子偶聯(lián)反應的原位動力學分析。SERS信號采集前，將光纖探針在10-4mol·L-1PATP溶液中靜置吸附5 min，通過將采集時間設置為間隔10 s連續(xù)采集，從而記錄了SERS信號強度隨著光照時間延長的變化趨勢(圖 7a)。以光纖基底信號作為內標，對1145 cm-1的峰強歸一化處理，得到圖7b變化趨勢圖。1-60 s內，特征峰1145 cm-1信號強度隨著光照時間的增加而快速增強；60-780 s內，隨著反應的進行，1145 cm-1信號強度隨時間變化增強速度減慢，而后趨近不變。取初始反應t = 1 s時 1145 cm-1峰強為 I0，t時 1145 cm-1峰強為It，對ln(It/I0)與t作圖，如圖7c，0-60 s內，ln(It/I0)與t呈線性關系，遵循準一級反應動力學過程34。此時反應速率常數(shù)k可由下式得到：

k = 0.104 s-1。反應初期，PATP在LSPR光纖探針上的等離激元催化反應速率較快，后續(xù)反應速率急劇減慢。這是由于納米粒子之間相互耦合部位為熱點位置，可極大加快反應的進行及增強SERS信號。反應初期，熱點處的PATP分子等離激元催化反應及信號的收集占主導，且初期熱點位置PATP分子數(shù)量較多，因而反應速率較快；隨著反應的進行，光纖表面熱點處已有大量 PATP分子反應達到平衡，反應速率較慢且信號較弱的非熱點位置反應占主導，因而后續(xù)反應速率急劇減慢。綜上，LSPR光纖探針可用于納米粒子等離激元催化反應的動力學研究。

圖7 等離激元催化反應隨時間變化趨勢圖：(a) SERS信號圖；(b) DMAB特征峰1145 cm-1隨時間變化趨勢圖；(c) ln(It/I0)隨t的變化趨勢Fig. 7 Plasmonic catalysis reaction changes over time: (a) SERS signals; (b) Variation tendency of DMAB characteristic peak 1145 cm-1 over time; (c) Variation tendency of ln(It/I0) over time.

本文制備的 LSPR光纖探針借助近場掃描光學顯微技術還可對樣品的微納米區(qū)間進行掃描成像，獲得樣品表面形貌信息，如圖S6 (見Supporting Information)。圖 S6a為硅基底掃描所得二維形貌圖，從中可觀察到硅基底為表面刻蝕有間距相等且形狀規(guī)則的正方體陣列；圖 S6b為硅基底掃描所得三維形貌圖，縱向變化范圍在0-40 nm內，故可更加清晰的觀察到硅基底表面分布情況及規(guī)則正方體表面呈現(xiàn)凹凸不平的狀態(tài)。光纖探針利用近場掃描光學顯微技術對基底樣品進行掃描成像時，縱向分辨率可達亞納米級別，水平方向分辨率可達 50-100 nm (取決于探針孔徑)。本文自制的LSPR光纖探針較商品化掃描近場光學顯微探針(未組裝納米粒子)成本較低，組裝上Ag納米粒子后也可獲得接近商品針尖的空間分辨率。因此，將該 LSPR光纖探針與近場掃描光學顯微結合，還有望進一步實現(xiàn)對表面的等離激元催化反應和信號傳感，并獲得表面反應的二維分布信息(如圖S6c 所示)。

4 結論

本文發(fā)展了一種Ag NPs自組裝的LSPR光纖探針，研究了等離激元催化PATP分子轉化為DMAB的反應。實驗結果表明，自組裝時間為6 h時，直徑約90 nm的Ag NPs在光纖表面形成均勻分布的單層，并獲得最佳的等離激元催化效果及信號收集效果；通過對比激光從光纖內、外部兩種激發(fā)及收集方式，發(fā)現(xiàn)相同光源條件下，內部激發(fā)方式由于具有反應面積大、可多次反射、電磁場明顯增強等優(yōu)點，產物的SERS信號強度提高了約12倍。體現(xiàn)了內激發(fā)和收集方式在等離激元催化及信號收集方面具有較大優(yōu)勢；探針在不同濃度的PATP溶液中研究表明， PATP濃度較低時，反應產物DMAB的特征峰(1145 cm-1)強度隨濃度呈線性增強，且PATP濃度在10-4-10-8mol·L-1范圍內變化時，可用Langmuir吸附等溫式擬合得到的關系式對PATP溶液的濃度進行定量分析；我們還采用該LSPR光纖探針對PATP等離激元催化反應過程進行了原位動力學分析，發(fā)現(xiàn)PATP等離激元催化反應具有2個反應階段。在初期，反應符合準一級反應動力學過程。本文制備的Ag NPs自組裝光纖探針借助近場掃描光學技術還可用于對樣品進行掃描成像，結合其等離激元催化反應、信號傳感功能，有望研究樣品表面微區(qū)的二維反應分布。

Supporting Information:available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn