基于Au/SiO₂納米粒子的結晶紫表面增強拉曼特性研究

摘 要 采用自組裝-化學鍍法制備了以SiO2為核， Au為殼層的核殼結構納米粒子(Au/SiO2)，以生物染色劑結晶紫為探針分子， 研究了Au/SiO2的表面增強拉曼散射(SERS)效應， 并考察了Cl－對SERS增強效應的影響。實驗表明， Cl－對SERS有明顯的增強效果，這主要是由于Cl－的加入使得Au/SiO2發生團聚，產生大量“熱點”，從而使SERS增強效果進一步加強。以Au/SiO2 (5×1010 mL－1)為活性基底，KCl (0.01 mol/L)為額外增強劑，在水溶液中實現了對結晶紫(CV)的痕量檢出，最低檢測濃度可達到5×10－10 mol/L。

關鍵詞 金納米粒子; 核殼結構; 表面增強拉曼光譜; 熱點

2010-07-22收稿；2010-11-22接受

本文系國家自然科學基金(No.60477015)和廣東省自然科學基金(No. 9151063201000018) 資助項目

 E-mail：t-sqman@jnu.edu.cn

1 引 言

納米殼層(Nanoshells)是一種核-殼型納米材料，是由一個電介質核(如氧化硅、聚合物等)及包覆于其上形成均勻殼層的金屬(如金、銀等)所構成的特殊結構納米材料。目前，研究最多的是由二氧化硅與金所構成的納米殼層，因為Au/SiO2具有由強烈的光學吸收和光學散射所構成的等離子體共振性能［1～3］，而這種等離子體共振的頻率可以通過改變核殼相對尺寸進行系統調節［4］。光學共振范圍從可見光調節到中紅外，涵蓋了對于生物組織有最佳穿透性的近紅外區域(700～1300 nm)。同時Au/SiO2具有良好的生物相容性［5］，所以目前很多學者在藥物緩釋［6］、免疫分析［7］、癌癥治療和成像［8，9］以及生物傳感［10］等應用領域對其開展了廣泛研究。利用金納米殼層(Au/SiO2)的粗糙表面［11］作為活性位點，若可以獲得理想的表面增強拉曼散射(SERS)，將大大拓展Au/SiO2在生物醫學領域的應用［12］。基于此，本研究采用生物常用染色劑結晶紫（CV）作為探針分子，在水溶液中以Au/SiO2為活性基底，對CV的表面增強拉曼散射(SERS)特性進行了研究，同時還研究鹵素離子對SERS的影響，建立了對CV能夠實現痕量檢測的體系。另外，CV具有高毒素、高殘留和致癌、致畸、致突變等特點，許多國家都將其列為水產養殖的禁用藥物。本研究為痕量CV的檢測提供了有效方案。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

Tecnai-10型高分辨透射電子顯微鏡(TEM，荷蘭Philips公司)，在100 kV加速電壓下工作，測試前將樣品在去離子水中充分超聲分散，取少許滴加在銅網上，于空氣中自然干燥；Cary 5000 型紫外-可見-近紅外分光光度計 (200～900 nm，美國 Varian 公司)；R-3000型便攜式拉曼光譜儀（海洋光學公司），配有激發波長785 nm的二極管激光器，激光功率90 mW。正硅酸乙酯、CV（分析純，天津化學試劑有限公司）；氨丙基三甲拉基硅烷（APTMS， 97%），HAuCl4（分析純，上海國藥集團化學試劑有限公司）。

2.2 實驗方法

Au/SiO2的制備：使用Stber法［13］制備了單分散的納米氧化硅球（直徑120 nm），將10 mL高純水加入到三角燒瓶中，再加入25 mL無水乙醇，5 mL氨水，攪拌均勻后加入1.5mL正硅酸乙酯，室溫下攪拌12 h。加入80

SymbolmA@ L APTMS，慢攪10 min，靜置至少8 h后，水浴蒸煮2 h，離心洗滌數次（6000 r/min）。得到樣品SiO2-NH2， 進行TEM測試，納米微球粒徑約為120 nm，分布較均勻。

用Duff法［14］制備粒徑1～2 nm金膠體，將其與制備的SiO2-NH2混合后，觸點超聲30 s，于冰箱中陳化8 h，離心洗滌數次，得到金種。取適量金種與HAuCl4緩沖液(0.3 mmol/L)混合后，加入甲醛片刻，即可觀察到顏色變化。通過控制金種與HAuCl4溶液的混合比，可以得到不同密度金殼層。

SERS光譜檢測：取適量CV滴加到各Au/SiO2基底溶液中，靜置5 min后測試。拉曼光譜儀使用參數：功率0.40 mW，積分時間10 s 。

3 結果與討論

3.1 CV的普通拉曼光譜

CV是三苯甲烷類染色劑，具有3個苯環的大平面共軛結構。CV具有一些獨特的熒光性質，其熒光超出可見區一直延伸到近紅外區。由于這種強熒光的干擾，加之拉曼信號本身很弱，因此， 無論在可見光區，還是近紅外光區，都很難獲得理想的拉曼振動譜。圖1A為CV固態粉末的普通拉曼散射，強大的熒光包遮蓋了拉曼振動譜峰，無法分辨及確認拉曼振動的峰位；圖1C為CV在水溶液中的拉曼光譜，水的稀釋作用使得熒光背底有所降低，但噪聲干擾強，依然無法得到清晰的拉曼振動峰。

第6期張浩然等： 基于Au/SiO2納米粒子的結晶紫表面增強拉曼特性研究

3.2 CV的SERS光譜

將金種與不同體積的HAuCl4(0.3 mmol/L)溶液反應，制備了不同Au殼密度的Au/SiO2。所得樣品的吸收光譜如圖1B所示。在圖1B中，a為金膠體吸收光譜，峰位在513 nm處；b為將金膠體吸附到胺基化的SiO2表面形成金種后的吸收光譜，峰位在539 nm，與金膠體相比明顯紅移。當加入HAuCl4溶液，隨著還原出來的金逐漸沉積在SiO2表面，Au殼密度增大， 其吸收峰強度逐漸增強的同時，在長波方向逐漸出現一個很寬的吸收帶。

圖1 A：固體CV粉末的拉曼散射光譜；B：各種活性基底的吸收光譜；C：CV在各種活性基底上的SERS光譜；D：相應活性基底Au/SiO2的TEM照片

Fig．1 A：Ordinary Raman scattering spectrum of solid crystal violet (CV); B: Optical absorption spectra of various active substrate solutions; C: Surface enhanced Raman scattering（SERS） spectra of CV based on various active substrates; D: TEM photos of several Au/SiO2 samples

a：金膠體； b：金種；c～i為不同殼層密度的Au/SiO2樣品，25

SymbolmA@ L金種分別與不同體積的HAuCl4 (0.38 mmol/L)反應制得 c：4 mL，d：8 mL; e：12 mL，f：16 mL，g：20 mL，h：24 mL，i：28 mL。2×10－5 mol/L CV。 a: gold colloids; b: gold seeds; c～i : Au/SiO2 samples synthesized by reaction of 25

SymbolmA@ L seed with different amount of HAuCl4 (0.38 mmol/L) solution c: 4 mL， d: 8 mL， e: 12 mL， f: 16 mL， g: 20 mL， h: 24 mL， i: 28 mL. 2×10－5 mol/L CV.

研究了不同活性基底對CV的SERS特性。金膠體（圖1C-a）與金種（圖1C-b）溶液對CV的SERS效果不顯著；而Au/SiO2作為活性基底時，對CV具有明顯SERS增強效果（圖1C-c～i），而且隨著Au殼密度增加，增強效果也越來越顯著。CV中的N具有孤對電子，苯環上具有π電子，所以CV很容易與Au表面發生電荷轉移，并形成分子無輻射衰減通道，從而使得CV的熒光明顯淬滅，進而得到拉曼信號。而Au/SiO2可以認為是在SiO2表面形成的大量Au的聚集體。Au殼密度越大，其表面等離子共振越強，CV的SERS得到的電磁增強效應也越多。但是，隨著Au殼密度進一步增大，吸收峰進一步紅移(圖1B-g～i)的同時，Au殼對CV的SERS(圖1C-g～i)增強趨勢不明顯， 這主要是由于拉曼光譜儀的激發光源為785 nm。而當Au/SiO2的吸收在長波方向繼續紅移時，則逐漸遠離785 nm，從而減弱了Au/SiO2在785 nm處所能激發起的表面等離子共振。CV的SERS增強效果在Au殼密度逐漸增加的過程中，開始是由Au殼密度起主導作用，當長波上的吸收峰跨越并逐漸遠離785 nm時，特征吸收起主導作用。選取圖1C-g對應的樣品進行實驗。 圖2 不同Au/SiO2濃度對CV (2×10－5 mol/L)的SERS光譜

Fig．2 SERS spectrum of CV (2×10－5 mol/L) based on different amount of Au/SiO2 in aqueous solution

［Au/SiO2］: (1) 1×1012 mL－1；(2) 5×1011 mL－1；

(3) 1×1011 mL－1；(4) 5×1010 mL－1; (5) 1×1010 mL－1;

(6) 5×109 mL－1

3.3 Au/SiO2濃度對CV的SERS影響

從圖2可見，隨著Au/SiO2濃度的遞減，CV的SERS強度先增加后減弱。這主要是由于基底溶液濃度過高時，在瓶底觀察到明顯的沉淀，導致SERS增強效果減弱。本研究選擇圖2和圖3所對應的Au/SiO2濃度5×1010 mL－1作為基底溶液。

3.4 鹵化物對SERS的影響

取3支試管，加入Au/SiO2與CV溶液，使得Au/SiO2與CV濃度分別為5×1010 mL－1和2×10－5 mol/L，再分別加入KCl， KBr和KI溶液，使得鹵素離子的濃度為0.01 mol/L。靜置5 min后測得拉曼光譜如圖3A所示，KCl對拉曼光譜增強效果最好。圖3B為樣品放置1 d后測得的拉曼光譜，雖然增強效果均低于即時測得的結果，但仍然清晰可見，

圖3 分別添加鹵化鉀后Au/SiO2對CV的SERS光譜。A圖為即時測得結果，B圖為放置24 h后測得結果

Fig．3 SERS spectrum of CV based on Au/SiO2 after the addition of potassium halide(KX)， left was the instant result and the right was obtained in 24 h

5×1010 mL－1 Au/SiO2， 2×10－5 mol/L CV； 0.01 mol/L KX．

KCl對樣品的增強效果最好。本研究選擇在Au/SiO2-CV體系中添加KCl。

鹵離子對SERS效應的影響已有報道［15～17］，一般認為［17］， 鹵素離子是SERS的額外增強劑，它與金屬原子結合，在粗糙金屬表面形成有利于分子化學吸附，并且具有某些結構的SERS活性位點，使得吸附在活性位點的分子SERS信號進一步增強。但膠體中加入鹵素離子同時會導致膠體顆粒的凝聚，從而產生物理增強。

3.5 CV濃度極限檢測以及峰位歸屬

在最佳條件下進行痕量CV的檢測，可檢測出的CV最低濃度為5×10－10 mol/L。未添加KCl時，Au/SiO2基底溶液對CV的最低檢測濃度僅為2×10－6 mol/L。

表1列出了圖4中觀察到的CV的主要特征振動峰的拉曼位移及其歸屬。從圖4及表1可見：加入KCl前后，CV的拉曼散射峰位移動較小，說明了化學增強在加入KCl前后對體系的SERS增強效果的貢獻很小，對進一步增強起主要作用的是物理增強中的等離激元共振增強機制，同時還說明在加入KCl前后，CV對基底的作用取向未改變。

由結合之前的表面增強拉曼光譜可知， CV與Au殼發生偶合，Au殼對CV有明顯的SERS增強效應。加入KCl后，CV與Au殼的相互作用明顯減弱，但卻表現出更為優越的SERS增強效應。為了解釋此現象，對兩個體系的微觀形貌進行了研究。圖6為兩個SERS增強體系下Au/SiO2的電鏡圖，在加入KCl之前，CV-Au/SiO2與單純Au/SiO2基本相同，無明顯差異；加入KCl后，Au/SiO2發生明顯的團聚，這也正是CV的SERS明顯增強的原因。關于SESR增強機理，普遍認為SERS效應主要來自物理和化學增強［21］，前者主要來源于貴金屬納米粒子表面的等離子體共振，與金屬的介電常數以及外界的激發光有關，而與吸附的分子無關，通常稱為電磁場增強；后者主要來源于激發光-分子-金屬之間的偶合作用，與吸附分子密切相關。在一般情況下， 前者的增強效應遠大于后者。因此， 在加入KCl之前，CV的SERS增強效應中既有物理增強的貢獻， 又有化學增強的貢獻；而在加入KCl之后，由于CV與Au殼的偶合作用被破壞，所以SERS的增強效應中只有電磁增強一種貢獻。然而單一的貢獻卻明顯強于兩種貢獻所得到的SERS增強效果，這主要是由于熱點效應的結果。近年來，有關表面增強拉曼光譜的研究中發現了熱點效應［22，23］，這種熱點是由于金屬納米粒子之間的等離子激元共振形成的電場相互疊加，導致局域電場增強，這些熱點可以實現超低濃度樣品的拉曼光譜檢測。在CV-Au/SiO2體系中加入KCl后，CV與Au殼偶合作用被破壞的同時，也導致Au/SiO2發生團聚(圖6b)，產生許多熱點，進而使得單一貢獻的SERS增強效果有增無減。

表面修飾了胺基的SiO2，其表面呈現正電荷，而金膠體表面則呈現負電荷，兩者通過靜電作用吸附在一起形成金種，金種表面的金膠體逐漸長大形成金殼Au/SiO2。從圖6及圖1D可見，所用Au/SiO2尚未形成連續緊密的殼層，是處于成長過程中的金殼層，仍能看到呈現正電荷的SiO2背底，即整個Au/SiO2可能仍呈現出正電荷。 圖6 Au/SiO2透射電鏡圖， a為CV-Au/SiO2體系，b為CV-Au/SiO2-KCl體系

Fig．6 TEM images of Au/SiO2 nanoparticles in different systems of CV-Au/SiO2 (a) and CV-Au/SiO2-KCl (b)CV中的N具有孤對電子，苯環上具有π電子，在電子云的驅動下CV向Au/SiO2靠近并與毗鄰的Au偶合， 致使CV的吸收光譜發生紅移（圖5b）。加入KCl后，Cl－優先向呈現正電荷的Au/SiO2靠近，中和多余的正電荷，放出CV，并破壞了CV與Au之間的偶合，吸收光譜（圖5c)再次體現出單獨CV的特征。

Au/SiO2的穩定性主要取決于其表面電荷之間的排斥力與范德華力的抗衡，雖然體現正電荷的Au/SiO2是處于較穩定的狀態，但是加入的Cl－中和了其富余的正電荷，導致Au/SiO2之間的斥力明顯減弱，致使范德華力勝出，Au/SiO2發生團聚（圖6b），其吸收光譜進一步紅移至900 nm后，所以體現在圖5c中就是單分散Au/SiO2的特征峰消失。

4 結 論

在水溶液中， 以Au/SiO2為基底，KCl為額外增強劑，使用便攜式拉曼光譜儀，實現了對痕量CV的監測，具有操作簡單、增強效果明顯、信號穩定的特點。研究了增強原因，發現添加KCl之前， 增強效果是物理增強與化學增強的雙重貢獻; 而添加KCl之后， 變為物理增強的單一貢獻。但由于加入KCl后， 發生了殼層的團聚， 產生了大量熱點，使得增強效果進一步增強。

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Surface-enhanced Raman Scattering Activities of

Crystal Violet Based on Au/SiO2

ZHANG Hao-Ran1，2， MAN Shi-Qing1，2

1(Department of Electronic Engineering， Jinan University， Guangzhou 510632)

2(Institute of Nano-Chemistry， Jinan University， Guangzhou 510632)

Abstract Nanoparticles Au/SiO2， consisting of a silica core with a gold shell， were prepared by a combination of molecular self-assembly and the subsequent electroless plating of gold. The surface-enhanced Raman scattering (SERS) activities of Au/SiO2 were investigated by employing biological dye， crystal violet (CV)， as the probe molecule. The chloride ion effects on surface-enhanced Raman scattering (SERS) activities of Au/SiO2 were studied. It was found that chloride ion could further enhance the SERS， which mainly arose from the aggregation of Au/SiO2， and a lot of \"hot spots\" produced. Au/SiO2 (5×1010 mL－1) was used as the active substrate， KCl (0.01 mol/L) as the extra intensifier and the detection limit of crystal violet (CV) in solution was 5×10－10 mol/L.

Keywords Gold nanoparticle; Core-shell; Surface enhanced Raman scattering; Hot spot

(Received 22 July 2010; accepted 22 November 2010)