不同Ag殼厚度Au@Ag納米粒子的調控制備表征及表面增強拉曼光譜的效應

李 盼，聶永惠，滕淵潔，劉文涵

不同Ag殼厚度Au@Ag納米粒子的調控制備表征及表面增強拉曼光譜的效應

李 盼，聶永惠，滕淵潔*，劉文涵*

(浙江工業大學化學工程學院 綠色化學合成技術國家重點實驗室培育基地，浙江 杭州 310032)

采用化學還原法制備了以Au為核、包覆Ag的雙金屬核殼Au@Ag納米粒子，并成功地用于表面增強拉曼光譜(SERS)分析測試。通過改變制備液中Ag/Au的量比來調控Ag殼包覆厚度。采用透射電子顯微鏡(TEM)和紫外-可見光譜儀(UV-Vis)對Au@Ag納米粒子的構貌進行表征。TEM顯示明顯存在核殼結構，且Ag殼層隨Ag/Au的量比的增加而逐漸變厚；UV-Vis表明隨著Ag/Au的量比的增加，Au@Ag納米粒子出現了Au核與Ag殼吸收峰的2個等離子體共振峰，同時伴隨著Au峰的藍移和Ag峰的紅移。以雙甲脒為分析物，考察了不同Ag/Au的量比時的Au@Ag納米粒子的SERS活性。結果表明，SERS活性隨Ag/Au的量比的增加先增大后減小，在6：5時其SERS增強效應最佳，此時Ag殼厚度約為6 nm。以對巰基苯胺(4-ATP)、結晶紫(CV)和雙甲脒為分析測試對象，對比了Au@Ag、Ag、Au 3種基底的SERS活性。結果表明，所制備的Au@Ag納米粒子的SERS活性要明顯優于單純的Au、Ag納米粒子。

Au； Ag; Au@Ag； 納米粒子； 表面增強拉曼光譜

1 引 言

表面增強拉曼光譜(SERS)是一種靈敏度較高的新型光譜分析技術，能從分子水平獲得物質表面的結構和化學組成信息，具有檢測時間短、操作方便等優點，已應用于物理、化學、生物醫藥、環境監測、公共安全等領域[1-3]。

SERS活性基底的制備是獲得SERS信號的前提，目前，主要包括金屬電極、貴金屬溶膠、金屬島膜、金屬薄膜等。其中，Au、Ag貴金屬溶膠體系具有SERS增強效果好、易于儲存等優點且制備簡單，不需要特殊的儀器與設備，在普通實驗室即可完成，因而被廣泛用作SERS活性基底。已報道有納米棒、納米線、納米立方體等[4-7]多種結構的Au、Ag單金屬溶膠納米粒子，其等離子體共振特性也被進行了深入的研究。通常，Ag納米粒子的SERS增強效果更好，Au納米粒子則具有粒徑均一可控、性能穩定等特點。雙金屬納米粒子兼具兩種單金屬納米粒子的優良特性，并且組分、結構可調，使其在電子學、催化、光學等領域有著廣泛的應用[8-9]。采用化學還原的方法將Ag沉積到Au納米粒子的表面，可以得到粒徑均一可控的SERS增強效應好的Au核Ag殼雙金屬納米粒子(Au@Ag NPs)[10-12]。

本文以預制備的Au納米粒子為“種子”，用化學還原法將Ag+還原并包覆于Au核表面形成Ag殼層，改變Ag與Au的量的比例，對包覆的Ag殼厚度進行調控。以雙甲脒為分析對象，考察了不同Ag/Au比例的Au@Ag納米粒子的SERS活性，并對Au、Ag及Au@Ag 3種納米粒子的SERS活性進行了對比。

2 實 驗

2.1 試劑與儀器

雙甲脒分析標準品(Aladdin試劑公司)：純度≥99.0%；對巰基苯胺(Aladdin試劑公司)：純度≥99.0%；氯金酸(國藥集團)、硝酸銀、抗壞血酸、結晶紫等試劑均為分析純及以上；實驗用水為18.3 MΩ·cm超純水。

實驗中使用的儀器主要有LabRAM HR UV 800激光共焦顯微拉曼光譜儀(法國JOBIN YVON公司)、Tecnai G2 F30 S-Twin型高分辨率投射電子顯微鏡(荷蘭Philips-FEI公司)；CARY100紫外-可見分光光譜儀(美國VARIAN公司)。拉曼光譜儀的激發光源為He-Ne激光器(632.81 nm)，共焦孔徑為300 μm，光柵刻線數為600 lines/mm，物鏡為50倍長焦鏡頭。

2.2 實驗方法

Au溶膠的制備：采用改進的Frens法[13]，將100 μL 10%的HAuCl4·4H2O加入到100 mL的超純水中，攪拌加熱至沸騰，然后快速加入1.5 mL 1%的檸檬酸三鈉溶液，繼續加熱30 min直到溶液變成酒紅色，停止加熱，在攪拌下冷卻至室溫。所合成的Au納米溶膠于4 ℃保存備用。

Ag溶膠的制備采用檸檬酸鈉還原法[14]：取1.0 mL 0.1 mol/L的AgNO3溶液加入燒瓶中，加水至100 mL，在劇烈攪拌下加熱至沸騰，快速加入4.0 mL 1%的檸檬酸三鈉溶液，繼續加熱保持沸騰30 min，在攪拌下自然冷卻至室溫。所合成的Ag納米溶膠于4 ℃保存備用。

Au@Ag核殼納米粒子的制備：采用種子生長法通過兩步得到[15]，在攪拌下將10 mL上述合成的Au溶膠納米粒子和1 mL 0.1 mol/L的抗壞血酸混合，然后將1 mmol/L不同體積(0.5，1，2，3，4 mL)的AgNO3緩慢逐滴加入其中。AgNO3被還原不斷地生長于Au核的表面。在溶液由酒紅色逐漸變成橙黃色后，攪拌30 min，最后得到不同Ag殼厚度的Au@Ag納米粒子。

2.3 拉曼光譜測試

常規拉曼光譜(NRS)測試：取少量雙甲脒粉末于干凈的載玻片上，用另一載玻片將粉末輕輕按壓成均勻的薄層，進行常規拉曼測試。

SERS測試：將上述不同種類的金屬溶膠納米基底分別與一定體積的3種待測分子(雙甲脒、結晶紫、對巰基苯胺)分別進行混合，然后滴于載玻片上進行SERS檢測。

拉曼測試掃描范圍為200～4 000 cm-1，NRS和SERS測試的曝光時間分別為30 s和60 s，積分2次平均。

3 結果與討論

3.1 不同包裹厚度的Au@Ag的制備及表征

納米粒子的組成、形貌及尺寸對其SERS增強效果有很大的影響[16]。為了考察Au納米粒子包覆Ag殼后的粒子表面形態，對包覆前的Au納米粒子與純Ag納米粒子進行了TEM測試，結果如圖1所示。從圖1中可以看出Au、Ag納米粒子粒徑均一，約為25 nm和60 nm，基本為球形且分散性良好。通過改變AgNO3的加入量來改變Ag與Au的比例，合成了不同包覆Ag殼厚度的Au@Ag核殼納米粒子，其TEM的結構和形貌如圖2所示。

圖1 Au納米粒子(a) 和Ag納米粒子(b) 的TEM圖Fig.1 TEM images of Au NPs (a) and Ag NPs (b)

從圖2可以看出，隨著Ag/Au的量比的增加，包覆在Au核表面的Ag殼逐漸變厚。當Ag/Au的量比為1：5時，Ag殼并不明顯，經TEM在線測試Ag殼厚度平均為1 nm。隨著Ag/Au的量比從2：5增加到4：5、6：5、8：5，Ag殼厚度也由3 nm增加到5，6，8 nm。從圖2(c)、(d)、(e) 可以看到明顯的Au與Ag的不同襯度，并包覆完全，形成了良好的核殼結構。對Au@Ag納米粒子進行EDX測試，出現了Au、Ag的特征峰(圖3)，表明所制備的核殼結構納米粒子確實由Au和Ag構成。

圖2 不同Ag/Au量比的Au@Ag納米粒子的TEM圖。(a)1：5；(b)2：5；(c)4：5；(d)6：5；(e)8：5。Fig.2 TEM images of Au@Ag NPs with different Ag/Au molar ratios.(a)1：5.(b)2：5.(c)4：5.(d)6：5.(e)8：5.

圖3 Au@Ag納米粒子的EDX圖Fig.3 EDX spectrum of Au@Ag NPs

3.2 Au、Ag及Au@Ag納米粒子的UV-Vis光譜

納米粒子吸收峰的位置與其表面等離子體共振有關，而表面等離子體共振取決于納米粒子的組成、尺寸和形貌[11]。為了考察不同Ag/Au量比時Au@Ag納米粒子的組成及等離子體吸收峰情況進行了UV-Vis測試，結果如圖4所示。

從圖4可看出，單純的Au納米粒子在520 nm左右出現等離子體共振峰，且半峰寬較窄，說明粒徑均一。Ag納米粒子的等離子體共振峰在420 nm。當Ag/Au的量比為1：5時，只在515 nm處出現一個靠近Au的等離子體共振峰，說明此時Ag殼還很薄不能將Au核全包覆，所以呈現的主要是Au的等離子體共振峰。隨著Ag/Au的量比的增加，出現了兩個等離子體共振峰，分別為Au核和Ag殼的吸收峰，同時Au峰逐漸減弱而Ag峰逐漸增強。當Ag/Au的量比增加到8：5時，Ag峰完全占據主導地位，Au峰幾乎消失。從圖5可看出，Ag/Au的量比的增加導致Ag殼逐漸變厚，并伴隨著Au峰的藍移和Ag峰的紅移，最終Au的吸收峰藍移到467 nm，而Ag的吸收峰紅移到398 nm。

圖4 Au、Ag和不同Ag/Au量比的Au@Ag納米粒子的UV-Vis光譜。Fig.4 UV-Vis absorption spectra of Au NPs，Ag NPs and Au@Ag NPs with different Ag/Au ratios.

圖5 不同Ag/Au量比對Ag(a)、Au(b)吸收峰和Ag殼厚度(c)的影響。Fig.5 Absorption peak wavelengh of Ag(a)and Au(b),and Ag shell thickness(c) vs.Ag/Au molar ratio.

3.3 不同Ag/Au量比對Au@Ag的SERS活性影響

以雙甲脒為分析測試對象考察了不同Ag/Au量比對Au@Ag納米粒子的SERS活性影響，結果如圖6所示。

從圖6可以看出，SERS增強效應與Ag/Au的量比密切相關。在1：5到6：5范圍內，隨著量比的增加，雙甲脒的SERS信號逐漸增強，當Ag/Au的量比超過6：5后，SERS信號反而減弱。這表明Au核表面的Ag殼厚度并非越厚越好，有一最佳區域，當Ag殼厚度為6 nm時，Au@Ag納米粒子的SERS增強效果最好。

圖6 (a)不同Ag/Au量比的Au@Ag對雙甲脒的SERS光譜與NRS的對比；(b) 723 cm-1特征峰強與Ag殼厚度的關系。Fig.6 (a) NRS spectrum and SERS spectra of amitraz using Au@Ag NPs with different Ag/Au ratios.(b) Relationship of amitraz Raman intensity at 723 cm-1 and Ag shell thickness.

3.4 Au、Ag及Au@Ag不同納米粒子的SERS性能對比

為考察Au包覆Ag殼后Au@Ag納米粒子的SERS增強效果，與純Au、Ag納米粒子進行了對比實驗，同時考察了不同物質產生的SERS光譜，結果如圖7所示。圖8為3種不同納米粒子產生增強效果的信號對比圖。

從圖7可以看出，4-ATP、CV和雙甲脒在Au@Ag納米粒子表面的SERS信號均明顯大于單純的Au、Ag納米粒子。其中4-ATP上的1 083 cm-1為4-ATP的C—S振動峰，1 150 cm-1為C—H的面內彎曲振動峰，1 589 cm-1為C—C的伸縮振動峰[17]。CV在444 cm-1為芳香環和環上C—C的彎曲振動，1 179 cm-1、1 375 cm-1為C—H的面內彎曲和N-苯環的伸縮振動，1 621 cm-1處的拉曼譜峰則歸屬于苯環上C—C的伸縮振動。雙甲脒在723 cm-1為苯環的不對稱伸縮振動。SERS信號強弱的順序為：Au@Ag納米粒子最強，Ag納米粒子次之，Au納米粒子最弱，即Au@Ag?Ag>Au。

圖7 4-ATP(a)、CV(b)和雙甲脒(c)在不同納米粒子表面的SERS光譜。Fig.7 SERS spectra of 4-ATP(a)，CV(b)和amitraz (c) with different kinds of nanoparticles.

圖8 Au、Ag及Au@Ag納米粒子的SERS活性對比圖。Fig .8 Comparison of SERS enhanced effects of Au,Ag and Au@Ag NPs.

3.5 Au@Ag納米粒子的SERS增強機理

Au@Ag納米粒子優異的SERS增強性能是Au核和Ag殼兩者協同增強的效果，一味地增加Au核表面的Ag殼厚度并不能使其SERS增強性能無限增大，Ag殼厚度存在一最佳值。這是因為Au核與Ag殼之間存在著等離子體共振耦合效應，隨著制備液Ag/Au量比的增加，包覆在Au核表面的Ag殼逐漸變厚(圖2和圖5)，Ag殼與Au核之間的等離子體共振耦合效應增強，進而導致Au@Ag納米粒子的局域電磁場大幅增強。SERS強度與電磁場強度的平方成正比，因此吸附在Au@Ag納米粒子周圍的雙甲脒等分子的SERS信號逐漸增強。當Ag/Au的量比超過6：5后，增厚的Ag殼等離子體共振占主導地位，掩蓋了Au核的等離子體共振(圖4)，協同等離子體共振耦合效應減弱，從而導致SERS效應減弱。因此，當Ag/Au的量比為6：5即Ag殼厚度為6 nm時，Au@Ag納米粒子的SERS增強效果最佳，此時Au核與Ag殼之間存在最強的協同等離子體共振耦合效應，與文獻[18]報道的當金屬外殼層厚度為5～10 nm時，等離子體共振耦合效應最強的理論相吻合。

4 結 論

采用化學還原法，通過兩步合成得到具有核殼結構的雙金屬Au@Ag納米粒子。通過改變Ag/Au的量比可以對Ag殼的厚度進行調控。當Ag/Au的量比為6：5時，Au@Ag納米粒子的SERS活性最強，此時Au核與Ag殼之間存在最強的協同等離子體共振耦合效應。以Au、Ag和Au@Ag納米粒子為SERS活性基底分別對4-ATP、CV和雙甲脒三種待測物進行分析，結果表明Au@Ag納米粒子具有更強的SERS活性，明顯強于純的Au、Ag納米粒子，因此Au@Ag納米粒子是更好的SERS活性基底，可用于樣品的分析測試等。

[1] CIALLA D,MARZ A,BOHME R,etal..Surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS): progress and trends [J].Anal.andBioanal.Chem.,2012,403(1):27-54.

[2] HAN X X,ZHAO B,OZAKI Y.Surface-enhanced Raman scattering for protein detection [J].Anal.andBioanal.Chem.,2009,394(7):1719-1727.

[3] YUI H.Electron-enhanced Raman scattering: a history of its discovery and spectroscopic applications to solution and interfacial chemistry [J].Anal.andBioanal.Chem.,2010,397(3):1181-1190.

[4] WU H Y,HUANG W L,MICHAEL H H.Direct high-yield synthesis of high aspect ratio gold nanorods [J].Cryst.GrowthDes.,2007,7(4):831-835.

[5] SUN Y G,XIA Y N.Shape-controlled synthesis of gold and silver nanoparticles [J].Science,2002,298:2176-2179.

[6] KIM D Y,YU T,CHO E C,etal..Synthesis of gold nanohexapods with controllable arm lengths and their tunable optical properties [J].Angew.Chem.Int.Ed.,2011,50(28):6328-6331.

[7] CHEN C L,FURUSHO H,MORI H,etal..Silver nanowires with a monoclinic structure fabricated by a thermal evaporation method [J].Nanotechnology,2009,20(40):5605-5068.

[8] 李莉，楊武，郭昊，等.內部具有可移動金核的中空銀納米顆粒的制備、表征及其表面增強拉曼效應 [J].高等學校化學學報，2008,29(11):2121-2126.LI L,YANG W,GUO H,etal..Preparation and characterization of hollow Ag nanoparticles with movable Au cores inside and their application to surface-enhanced Raman scattering [J].Chem.J.Chin.Univ.,2008,29(11):2121-2126.(in Chinese)

[9] BAO Y P,CALDCRON H,KRISHNAN K M.Synthesis and characterization of magnetic-optical Co-Au core-shell nanoparticles [J].J.Phys.Chem.C,2007,111(5):1941-1944.

[10] ASWATHY B,SONY G,GOPCHANDRAN K G.Shell thickness-dependent plasmon coupling and creation of SERS hot spots in Au@Ag core-shell nanostructures [J].Plasmonics,2014,9(6):1323-1331.

[11] WANG H,GUO X Y,FU S Y,etal..Optimized core-shell Au@Ag nanoparticles for label-free Raman determination of trace Rhodamine B with cancer risk in food product [J].Foodchem.,2015,188:137-142.

[12] SONG L L,MAO K,ZHOU X D,etal..A novel biosensor based on Au@Ag core-shell nanoparticles for SERS detection of arsenic (Ⅲ) [J].Tanlanta,2016,146:285-290.

[13] KANJANAWARUT R,SU X D.Colorimetric detection of DNA using unmodified metallic nanoparticles and peptide nucleic acid probs [J].Anal.Chem.,2009,81:6122-6129.

[14] LEE P C,MEISEL D.Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols [J].J.Phys.Chem.C,1982,86(17):3391-3395.

[15] OLSON T Y,SCHWARTZBERG A M,ORME C A,etal..Hollow gold-silver double-shell nanospheres: structure,optical absorption,and surface-enhanced Raman scattering [J].J.Phys.Chem.C,2008,112(16):6319-6329.

[16] HE S T,YAO J N,JIANG P,etal..Formation of silver nanoparticles and self-assembled two-dimensional ordered superlattice [J].Langmuir,2001,17(5):1571-1575.

[17] 劉文涵，馬蘇珍，滕淵潔，等.巰基苯并咪唑在銀電極表面的自組裝吸附特性及表面增強拉曼光譜 [J].發光學報,2015,36(1):106-112.LIU W H,MA S Z,TENG Y J,etal..Self-assembly behavior of 2-mercaptobenzimidazole on silver electrode investigated by surface enhancement Raman scattering [J].Chin.J.Lumin.,2015,36(1):106-112.(in Chinese)

[18] PENA-RODRIGUEZ O,PAL U.Enhanced plasmonic behavior of bimetallic (Ag-Au) multilayered spheres [J].Nano.Res.Lett.,2011,6:279-283.

李盼(1992-)，男，湖北監利人,碩士研究生，2014年于桂林理工大學獲得學士學位，主要從事表面增強拉曼光譜農殘快速檢測方面的研究。

E-mail: lipan@zjut.edu.cn

劉文涵(1956-)，男，江蘇無錫人，碩士，教授，1986年于杭州大學(今浙江大學)獲得碩士學位，主要從事儀器分析、原子分子光譜分析、激光拉曼光譜、電化學分析測試及在線聯用檢測等方面的研究。

E-mail: liuwh@zjut.edu.cn

滕淵潔(1983-)，女，浙江臺州人，博士，講師，2011年于華東理工大學獲得博士學位，主要從事表面增強拉曼光譜的痕量分析、電化學-表面增強拉曼光譜聯用表面分析、光電小型快速檢測分析等方面的研究。

E-mail: yuanjieteng@zjut.edu.cn

Preparation and Characterization of Au@Ag Nanoparticles with Different Thickness of Ag Shell and Their Effects on Surface-enhanced Raman Scattering Detection

LI Pan,NIE Yong-hui,TENG Yuan-jie*,LIU Wen-han*

(StateKeyLaboratoryBreedingBaseofGreenChemistry-SynthesisTechnology,CollegeofChemicalEngineering,ZhejiangUniversityofTechnology,Hangzhou310032,China)

Au@Ag core-shell bimetallic nanoparticles were prepared by chemical reduction method and successfully applied to surface-enhanced Raman scattering (SERS) analysis.The thickness of the coated Ag shell is regulated by changing the Ag/Au molar ratios in the preparation solution.The morphology of the Au@Ag nanoparticles were characterized by TEM and further confirmed by UV-Vis.TEM spectra show that Au@Ag nanoparticles have obvious core-shell structure,and the Ag shell layer becomes thicker with the increasing of Ag/Au molar ratio.UV-Vis spectra show that Au@Ag nanoparticles exhibit two plasmon resonance absorption peaks assigned to Au and Ag plasmonic absorption.When Ag/Au molar ratio increases,the Au core resonance is blue-shifted and the Ag shell resonance is red-shifted.The enhanced effects of Au@Ag nanoparticles with different Ag/Au molar ratios in SERS were investigated by using amitraz as a probe.It is found that the SERS intensity of amitraz is enhanced firstly and then becomes weaker with the increasing of Ag/Au molar ratios,The optimum SERS signal appeares when the Ag/Au molar ratio is 6：5 and the thickness of Ag shell is 6 nm.Moreover,the SERS effects of Au@Ag,Ag and Au nanparticles were further compared by using p-mercaptoaniline (4-ATP),crystal violet (CV) and amitraz as analytes.The results show that the SERS effect of Au@Ag nanoparticles is obviously stronger than that of pure Au or Ag nanoparticles.

Au; Ag; Au@Ag; nanparticles; surface-enhanced Raman scattering

1000-7032(2017)09-1233-07

2017-01-18；

2017-03-07

浙江省公益性技術應用研究(分析測試)計劃項目(2015C37068)； 浙江省自然科學基金(LQ17B050002)資助項目

O657.37

A

10.3788/fgxb20173809.1233

*CorrespondingAuthors,E-mails:liuwh@zjut.edu.cn;yuanjieteng@zjut.edu.cn

Spported by Analysis and Measurement Foundation of Zhejiang Province(2015C37068); Natural Science Foundation of Zhejiang Province (LQ17B050002)