小尺寸金石墨納米顆粒的合成與表征

劉芳，張魯鳳，董倩，陳卓

湖南大學化學生物傳感與計量學國家重點實驗室，長沙 410082

1 引言

表面增強拉曼散射(SERS)自發現以來，已被廣泛應用在單分子檢測1,2、生物醫學診斷3,4、環境監控5,6等領域。等離子體納米顆粒，如金、銀納米粒子，因為其固有介電函數，納米級尺寸和等離子體振蕩特性展現出獨特的光學性質7，被廣泛應用在生物醫學納米技術中。在十到數百納米的尺寸范圍內，來自金屬納米顆粒表面的電子和來自入射光的光子耦合產生局域表面等離子體共振(LSPR)效應，增強了納米顆粒附近的電磁場，這種高的電磁場能極大的增強分析物的拉曼信號8。因此等離子體納米平臺被用作拉曼信號放大器，使SERS成為了超靈敏的檢測工具。等離子體金屬基底的制備一直是過去幾十年的研究熱點9-14，然而開發的金屬基底通常穩定性和重現性差，因此制備穩定的等離子體金屬納米基底仍是一個挑戰15。

自從2004年Novoselov等16在石墨中分離出石墨烯以來，大量的研究工作一直致力于石墨烯和石墨烯復合材料的研究與應用17,18。石墨烯是一種無限延伸的二維碳晶體，是由碳原子緊密排列形成的蜂窩網狀六角平面晶體19。石墨烯具有大的比表面積，高透明度，優異的機械強度和柔韌性，良好的導熱性和導電性以及優異的電子性能等20。除了這些優異的電學和光學性質外，2009年報道發現其具有石墨烯增強拉曼散射(GERS)21，因此將它和等離子體納米粒子結合能夠有效地提高SERS性能。與等離子體金屬納米顆粒的SERS基底相比，除了化學增強作用，石墨烯同時具備表面分子富集、猝滅熒光、表面高度均勻、強的化學穩定性等特點。因此石墨金屬復合納米材料制備的SERS基底，受到各國研究人員的關注22-25。

本文通過化學氣相沉積(CVD)法合成小尺寸的具有核殼結構的金石墨納米顆粒(Au@G)，其粒徑約為17 nm。Au@G中內核的Au NP具有拉曼增強作用，石墨化的外層保證了材料的穩定性并且其大的比表面積又具有很強的富集功能，是一種較理想的SERS基底。通過CVD法制備得到的Au@G表面潔凈，拉曼光譜峰獨特，在分子檢測與細胞內的成像分析等領域中具有巨大的應用潛能。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯(TEOS)購于阿拉丁；十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)、硼氫化鈉(NaBH4)購于國藥集團化學試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)、氯金酸(HAuCl4)、氫氟酸(HF)、乙醇購于長沙試劑公司；結晶紫(CV)、C18-PEG購于Sigma Aldrich。所有試劑均為分析純，實驗用水均來自Milli-Q Integral System的超純水(電阻率＞ 18 M?·cm)。

JEOL 2010透射電子顯微鏡(日本電子株式會社)，Zeta sizer Nano ZS90激光粒度儀(英國馬爾文儀器有限公司)，UV 2450紫外分光光度計(日本島津公司)，Invia-reflex激光共聚焦拉曼光譜儀(英國雷尼紹公司)。

2.2 實驗部分

2.2.1 合成TTAB穩定的金溶膠

TTAB溶液(12.5 mL，100 mmol·L-1)與29.5 mL水混合，室溫攪拌條件下加入HAuCl4(5 mL，10 mmol·L-1)溶液，并繼續攪拌10 min。將溶液在攪拌條件下加熱到50 °C，緩慢加入冰的NaBH4溶液(3 mL，500 mmol·L-1)，50 °C下攪拌反應15 h。

2.2.2 合成Au@m-SiO2

Au@m-SiO2通過模板法合成26，取18 mL TTAB穩定的金溶膠，加入TTAB溶液(162 mL，0.15 mmol·L-1)，混合均勻，然后加入NaOH溶液(0.9 mL，1 mmol·L-1)調節pH至11.4，加入TEOS溶液(0.4-1.5 mL)，在25 °C下攪拌反應3 h。

2.2.3 合成Au@G

Au@m-SiO2溶液分別用水、乙醇離心洗滌(12000 r·min-1，5 min)，洗去多余的TTAB，并在60 °C下干燥得到固體。將固體研磨成粉末并在550 °C下煅燒3 h。然后稱取適量粉末放入CVD管式爐中，于1000 °C下在CH4與H2氣氛下進行化學氣相沉積，得到的產物冷卻至室溫后加入HF酸處理去除二氧化硅模板并用超純水洗至中性，最后加入C18-PEG超聲分散。

2.2.4 TEOS濃度優化

在合成Au@m-SiO2這一步時，改變加入TEOS的體積，TEOS濃度為7.7、6.2、5.1、3.1、2.1 mg·mL-1分別對應加入TEOS的體積為1.5、1.2、1.0、0.6、0.4 mL。反應其他條件不變。

2.2.5 結晶紫(CV)分子的檢測

CV的SERS光譜：取10 μL Au@G與CV混合溶液(CV，3 μmol·L-1)滴于玻片上，室溫干燥后進行拉曼測試(532 nm，10%激光功率，曝光時間1 s，累積1次)。

CV拉曼光譜：取10 μL CV水溶液(10μmol·L-1)滴于玻片上，室溫干燥后進行拉曼測試(532 nm，10%激光功率，曝光時間1 s，累積5次)。

3 結果與討論

3.1 透射電子顯微鏡分析

在TTAB作為保護劑條件下，利用NaBH4還原HAuCl4得到了粒徑在7 nm左右的Au NP，如圖1a、b，可以看出所合成的Au NP粒徑較為均一。

在合成的TTAB保護的金溶膠中，以TEOS為原料，TTAB為模板，在Au NP上包覆了介孔二氧化硅層(Au@m-SiO2)。圖1c、d是Au@m-SiO2的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，可以看出Au NP的尺寸沒有太大變化，在9 nm左右，包覆的介孔二氧化硅層的厚度約為45 nm。

圖1 Au NP, Au@m-SiO2, Au@G的透射電子顯微鏡圖像Fig. 1 TEM images of Au NP, Au@m-SiO2,Au@G.(a, b) TEM images of Au NP; scale bar, (a) 50 nm, (b) 20 nm.(c, d) TEM images of Au@m-SiO2; scale bar, (c) 50 nm, (d) 20 nm.TEM (e) and HR-TEM (f) images of Au@G; scale bar, 20 nm and 5 nm.

將得到的Au@m-SiO2通過CVD法在Au NP上生長石墨化的碳層，之后將得到的產物用HF刻蝕去掉二氧化硅模板,得到金石墨納米顆粒(Au@G)。圖1e是Au@G的TEM圖像，Au NP的尺寸明顯增大，尺寸約為17 nm。在CVD沉積石墨階段，反應溫度達1000 °C，Au NP在此溫度下呈熔融狀態，易與周圍金顆粒相互熔合導致尺寸變大，所以Au@m-SiO2盡管有外層介孔二氧化硅的保護，但是尺寸上還是存在一定程度的增大。Au@G是由內核的Au NP和外層的石墨殼構成，如圖1f是Au@G的高分辨率透射電子顯微鏡(HR-TEM)圖像，可以看出Au NP外部包覆了較薄的石墨化碳層。

3.2 Au@G的表征

圖2a是Au NP和Au@G的紫外吸收光譜，Au NP的共振吸收峰在518 nm處，與其TEM上顯示的粒徑尺寸一致。相比Au NP，Au@G的共振吸收峰發生了紅移出現在523 nm處，說明Au@G的尺寸變大，這與TEM上的分析結果一致。Au@G的紫外吸收光譜在249 nm處出現了新的吸收峰，對應芳香C＝C的躍遷，與TEM上分析結果一致，進一步說明石墨化碳層的成功包覆。圖2b是Au@G的Zeta電位測試，Au@G表面帶少量負電荷(-4.7 mV)，其表面的負電荷可能是由于在石墨生長過程中引入了少量的含氧基團。圖2c是Au@G的拉曼光譜，其中1350 cm-1為D峰，D峰為石墨中sp2雜化碳原子的環呼吸振動模式，表現的是碳晶格的無序和缺陷。G峰在1600 cm-1，G峰是石墨sp2雜化碳原子的面內振動模式。

圖2 所合成的Au@G的表征Fig. 2 Characterization of synthesized Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au NP (red line) and Au@G (blue line). (b) Zeta potential of Au@G. (c) Raman spectrum of Au@G.

3.3 TEOS濃度對合成Au@G的影響

在制備Au@G過程中，為避免CVD高溫反應過程中Au NP互相熔合，而導致其尺寸難以控制，我們在Au NP上包覆了一層介孔二氧化硅，但是二氧化硅層的厚度也會對石墨化碳層的沉積產生影響。二氧化硅層的厚度通過TEOS的濃度來控制，因此我們研究了TEOS的濃度對CVD生長過程中石墨化碳層沉積的影響。圖3a是不同濃度下TEOS所制得Au@G的紫外吸收光譜。從圖中可以看出，所有條件下合成的Au@G的共振吸收峰都在相同區域。說明在試驗中所使用的濃度范圍內，不同濃度的TEOS條件下所形成的二氧化硅層都能夠對Au NP很好的包覆，在CVD反應過程起到了保護尺寸的作用。圖3b是不同濃度TEOS所制得Au@G的拉曼光譜。從圖中看出，隨TEOS濃度的降低，所制得Au@G的G峰變得尖銳且G峰與D峰強度比值增加。而G峰對應石墨結構的峰，D峰為晶格的缺陷峰，說明TEOS的濃度降低，石墨化程度增高。TEOS濃度降低，導致所合成的二氧化硅層變薄，使Au@m-SiO2在CVD生長過程中，高溫裂解的C原子能更容易的接觸到金顆粒表面，最終得到石墨化程度高的Au@G。所以在試驗所用的濃度范圍內，不同濃度的TEOS對Au@G的尺寸影響不大，但是TEOS濃度的降低有利于合成石墨化程度高的Au@G。

3.4 結晶紫分子的檢測

使用CVD法來生長石墨，這種高溫制備方法得到的金石墨納米顆粒幾乎沒有雜質，拉曼光譜中也只有石墨的特征峰，與直接使用Au NP來進行SERS分析相比干擾更小。Au@G內核是Au NP，具有LSPR效應，能夠作為SERS基底進行分子檢測。Au@G的石墨化外殼還能進行分析物的表面富集，能夠進一步提高SERS檢測靈敏度。因此，我們利用Au@G作為SERS基底對結晶紫(CV)進行了拉曼測試(圖4a)。Au@G能夠明顯增強CV的拉曼信號，除了石墨的D、G峰之外都是CV的特征峰(805、913、1171、1360 cm-1等)，分析待測物的拉曼圖譜較為簡單。將CV位于1171 cm-1處的拉曼峰(圖4a中箭頭處)的強度進行量化，得到圖4b，根據公式EF = (ISERS/IRaman) × (CRaman/CSERS)計算得到(I是CV在1171 cm-1處的拉曼峰強度，C代表CV濃度)，Au@G對CV的增強超過200倍。

圖3 TEOS濃度對Au@G合成的影響Fig. 3 Influence of TEOS concentration to the synthesis of Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS. (b) Raman spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS.

圖4 CV分子的拉曼檢測Fig. 4 Raman detection of CV molecules.(a) Raman detection of 3 μmol·L-1 CV with Au@G (red line) and 10 μmol·L-1 CV without Au@G (black line).(b) Corresponding quantitative data analysis of (a).

4 結論

本文通過CVD法制備了小尺寸的Au@G，通過在Au NP上包覆介孔二氧化硅層，來控制Au@G的尺寸，最終得到的Au@G粒徑約為17 nm。此外，我們研究了反應過程中TEOS的濃度對合成Au@G的影響。結果表明在試驗所用TEOS濃度范圍內，TEOS的濃度變化對Au@G的粒徑影響不大，但是降低TEOS濃度能得到石墨化程度更高的Au@G。通過CVD制備得到的小尺寸Au@G表面潔凈，拉曼光譜峰簡單，具有內核Au NP的增強作用，外層石墨化碳層保證了材料的穩定性，是一種增強效果較好的SERS基底。利用Au@G作為SERS基底對CV進行檢測，CV的信號有明顯增強，表明Au@G在分子檢測與細胞內的成像分析等方面具有很大的應用潛力。