H+誘導金納米顆粒組裝體的電子顯微學研究及其表面拉曼增強活性＊

高鈺航 馮 冉 王 聰

（北京工業(yè)大學材料與制造學部，北京 100124）

1.實驗部分

1.1 材料及儀器

鹽酸（HCl）、硝酸、檸檬酸鈉，北京虹湖聯(lián)合化工產(chǎn)品有限公司；氯金酸、羅丹明6G，阿拉丁試劑有限公司。所有化學試劑均為分析純。

透射電子顯微鏡，Tecnai G2-T20，賽默飛，F(xiàn)EI；掃描電子顯微鏡，Quanta 650 FEG，賽默飛，F(xiàn)EI；X 射線衍射儀，D8 Advance，布魯克；X 射線光電子能譜儀，ESCALAB 250Xi，Thermo Fisher；紫外-可見分光光度計，UH-4150，日立；納米激光粒度儀，Nano9200，海鑫瑞，激光顯微共聚焦拉曼光譜儀，Renishaw。

1.2 AuNS 和SERS 芯片的制備

1.2.1 AuNS

首先，使用0.097g 的檸檬酸鈉和0.98%（質(zhì)量分數(shù)）HAuCl4·3H2O 溶液制備Au NPs。將0.097g 檸檬酸鈉溶入150ml 去離子水中，加熱15min，期間不斷攪拌。待沸騰后加入1ml 0.98%（質(zhì)量分數(shù)）的HAuCl4·3H2O溶液。繼續(xù)加熱攪拌10min，降溫到90℃。將0.176g 檸檬酸鈉溶入10ml 去離子水中，制成濃度為60mM 的檸檬酸鈉溶液。將2ml 檸檬酸鈉溶液加入Au NPs 溶膠當中，保持90℃加熱2min，加入1ml 0.98%（質(zhì)量分數(shù)）的HAuCl4·3H2O 溶液，繼續(xù)加熱30min。重復加入濃度為60mM 的檸檬酸鈉溶液2ml 和加入0.98%（質(zhì)量分數(shù)）的HAuCl4·3H2O 溶液1ml 的步驟。將所得金納米顆粒（Au Nano Particles，Au NPs 溶膠取出，靜置待其自然降溫。

然后，將Au NPs 溶膠裝入試管中進行離心洗滌。轉(zhuǎn)速2000rpm，離心時間3min，洗去過大Au NPs 顆粒，保留上清液，并分別裝入8 個2ml 的試管當中。轉(zhuǎn)速7000rpm，離心時間10min，洗去過小的Au NPs 顆粒，保留沉淀。

最后，利用酸誘導Au NPs 發(fā)生團簇的方法制備Au NS。將濃鹽酸加入去離子水進行稀釋，配置成濃度為23%的稀鹽酸。配置出pH=1、pH=1.5、pH=2、pH=2.5、pH=3、pH=4、pH=5、pH=6 的稀鹽酸各5ml。分別將不同pH的稀鹽酸1.5ml 與離心洗滌后的Au NPs 顆粒混合，超聲得到團簇大小不同的Au NS 溶液。

1.2.2 SERS 芯片的制備

首先，使用王水（濃硝酸與濃鹽酸混合物）對硅片進行刻蝕。將裁剪好的硅片放入王水中浸泡12h。

其次，將團簇大小不同的Au NS 溶膠轉(zhuǎn)速6000rpm，離心時間10min，保留沉淀。將10μL 乙醇與離心后的Au NS 沉淀混合，超聲得到重分散的Au NS 溶液。

最后，用差速旋涂的方式制備SERS 芯片，旋涂轉(zhuǎn)速分別設置為2000rpm/4000rpm/5500rpm/7000rpm，每個梯度轉(zhuǎn)速時長設置為30s。將刻蝕后的硅片取出，放入去離子水中清洗。打開旋涂機，將去離子水中的硅片用鑷子夾起，放至旋涂機中央。點擊吸片，再點擊開始，等待旋涂機工作4 個階段后，硅片表面已無去離子水存在。再次點擊吸片，用移液槍取出試管內(nèi)重分散后的Au NS 溶液，向硅片上滴下一滴溶液。點擊開始，待硅片上已無液體存在時，再次滴下一滴溶液。分別在旋涂機工作的第一個階段內(nèi)滴入3 滴溶液，第二個階段內(nèi)滴入2 滴溶液，第3 個階段內(nèi)滴入2 滴溶液，第四個階段內(nèi)滴入1 滴溶液。在旋涂機工作結(jié)束后，將硅片用鑷子夾起，放置提前標號的培養(yǎng)皿中。其制備過程如圖1 所示。

圖1 Au NS芯片的制備與微觀結(jié)構

1.3 AuNS 芯片的表征

1.3.1 結(jié)構表征

利用TEM、SEM、STEM（HAADF）觀察Au NS 的微觀形貌；通過XRD 表征Au NS 的晶體結(jié)構，掃描范圍2θ為20°～70°；采用UV-vis 表征Au NS 在不同波長下光吸收率的變化；運用XPS 表征Au NS 的表面化學活性；使用納米激光粒度儀表征Au NS 的團簇在溶膠中的平均尺寸。

1.3.2 SERS 性能表征

將制好的SERS 芯片浸泡在濃度為10mol/L ～7mol/L的R6G 溶液中，常溫浸泡1h。用激光顯微共聚焦拉曼光譜儀對其表面吸附的R6G 分子拉曼譜進行測試，測試所用激光器波長為532nm，激光功率為0.5mW，曝光時間為10s。

2.結(jié)果與討論

2.1 Au NS 芯片的結(jié)構表征

2.1.1 形貌與元素分析

圖1（a）為Au NS 芯片的合成示意圖，選用乙醇作為金納米顆粒溶膠的溶劑而非水是因為其與硅片間的接觸角更小且在空氣中蒸發(fā)的速度更快，這有利于溶膠在高速旋涂的過程中液滴在硅片基片表面更均勻的分布。通過有梯度設計的轉(zhuǎn)速旋涂可以得到Au NS 芯片，圖1（b）為掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）下的芯片表面，可見金納米顆粒溶膠在自然條件下（pH=6）是處于單分散的狀態(tài)，金納米顆粒（Au Nano Particles,Au NPs）在硅片基片的表面呈現(xiàn)出均勻且隨機的分布，顆粒間距大都大于10nm。圖1（c）為高分辨透射電子顯微鏡下的金納米顆粒的高角環(huán)形暗場像，測得金的（1,1,1）面晶面間距為0.228 nm。

2.1.2 XRD、UV-vis 和XPS 分析

對照金的PDF 卡片，如圖2（a）所示的XRD 結(jié)果進一步確認了樣品的成分為金。用稀鹽酸調(diào)整金溶膠的pH，分別在pH=5/4/3/2.5/2/1.5/1 時取樣并測試其紫外-可見光吸收譜。如圖2（b）所示，pH=5（黑線）與pH=4（紅線）的光吸收曲線完全重合，此時溶液中納米顆粒的分散狀態(tài)尚未發(fā)生變化。當pH 降低到3 時溶膠在529nm 處的吸收峰顯著下降，同時對600nm 之后的紅光吸收增強，此時納米顆粒已經(jīng)開始在溶液中H+的誘導下開始聚集，從而影響了樣品對紅光的吸收。值得注意的是，當pH 降低到2.5 時出現(xiàn)了新的吸收峰。如圖2（e）所示，對吸收曲線進行雙峰擬合，藍色區(qū)域為金納米顆粒基礎的SPR吸收峰（529nm），紅色區(qū)域為新增的吸收峰（687nm），這表明金納米顆粒組裝體產(chǎn)生了新的共振吸收模態(tài)[1-2]。當pH 繼續(xù)下降，如圖2（d）所示已經(jīng)能用肉眼明顯觀察到溶膠顏色逐漸變紫變深，這在光吸收譜上的變化體現(xiàn)在樣品對紅光的吸收能力不斷提高，當pH 下降到1 時樣品對紅光的吸收能力甚至超過了其在529nm 處的SPR 吸收。圖2（c）為調(diào)整pH 前后金納米顆粒的X 射線光電子能譜，其4f 軌道電子結(jié)合能83.03eV 和86.73eV 并未發(fā)生變化，說明H+誘導金納米顆粒組裝的策略不會影響其表面活性。

圖2 金納米顆粒材料的基礎表征

2.1.3 顯微結(jié)構與組裝體尺寸分析

為了進一步研究不同pH 下Au NS 的顯微結(jié)構，借助動態(tài)光散射儀和掃描電子顯微鏡共同表征。前文的光吸收譜表明pH=6/5/4 的金溶膠在光學上沒有差異，都是單分散的。如圖3（a）和（a’）所示，DLS 測出的平均粒徑為32.4nm，SEM 照片中黑色的硅片基片上，白色的小球為金納米顆粒，其分布隨機且均勻，顆粒間隙大于10nm。圖3（b），（b’）為pH 降低至3 后的測試結(jié)果，樣品的平均粒徑為255nm，硅片表面出現(xiàn)了明顯的組裝體，周圍伴有大量未組裝的單顆粒。當pH 下降到2.5 時，如圖3（c）和（c’）所示，組裝體的平均尺寸提高到了825nm，SEM 照片中已經(jīng)看不到單分散的金顆粒，說明金納米顆粒已經(jīng)完成了組裝，形成了具有獨特SPR特性的Au NS。當pH 下降至2 時，組裝體尺寸已經(jīng)超過了1μm 此時DLS 測試已經(jīng)不再準確；通過SEM 圖像測出組裝體尺寸為3μm。相應的，pH=1.5 時Au NS 尺寸為7μm；pH=1 時Au NS 尺寸為12μm。結(jié)合前文的光吸收譜結(jié)論，當Au NS 的尺寸較大時，疏松多孔的三維結(jié)構會吸收并熱耗散掉大量長波長的紅光，從而引起紅光區(qū)的吸收增強。

圖3 不同pH下金納米顆粒組裝體的微觀尺寸與結(jié)構表征

2.2 Au NS 芯片的SERS 活性

2.2.1 Au NS 納米結(jié)構分析

SEM 的成像分辨率限制了對AuNS 納米結(jié)構的研究，利用透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy,TEM）可以對納米顆粒表面形貌、納米顆粒間隙等微觀參量進行研究。如圖4（a）所示，Au NPs 總體上為表面光滑的球體，pH=3 時的組裝體內(nèi)部已經(jīng)能夠形成1nm ～10nm 的間隙結(jié)構，根據(jù)熱點效應理論[3]，激光照射到這類納米間隙中時會在金屬表面激發(fā)出很強的電磁場從而放大材料的SPR 效應。pH=2.5 和pH=2 時形成的組裝體也會形成類似的納米間隙，如圖4（b）和（c）所示，測量得到納米間隙的平均尺寸為3nm。

圖4 Au NS芯片的表面增強拉曼性能及其構效關系

2.2.2 AuNS SERS 活性

利用顯微共聚焦拉曼儀對AuNS 芯片的SERS 活性進行研究，圖4（d）展示了pH 由初始值（pH=5）逐漸下降到2.5 過程中，其表面吸附的R6G 分子的拉曼譜，R6G 分子溶液的摩爾濃度為10-7M。取譜圖612cm-1處的振動峰作為分子的特征峰，pH=5 時峰強為4986；pH=4 時峰強為8762；pH=3 時峰強為14632; pH=2.5 時峰強為17230。隨著溶液pH 的下降，H+誘導金納米顆粒逐漸組裝，組裝體占總顆粒數(shù)的比例不斷提高且納米間隙不斷生成，帶來了分子拉曼信號的顯著增強。當pH 繼續(xù)下降，R6G 分子的拉曼信號并沒有繼續(xù)增強反而出現(xiàn)了下降，如圖4（e）所示，pH=2 時峰強為6241；pH=1.5 時峰強為2163；pH=1 時峰強為0。將溶液pH 與分子拉曼譜特征峰強度的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，得到圖4（f）中的紅色曲線（拉曼信號強度數(shù)值對應左側(cè)縱坐標軸）。從信號強度變化趨勢上看，隨著pH 從5 降低至2.5，分子的拉曼信號強度不斷提高且在pH=2.5 時取極大值；之后pH 從2.5 繼續(xù)降低至1，分子的拉曼信號強度快速下降，直至為零。從前文的電子顯微學研究可知，pH 降低到2 以下時Au NS 的尺寸將超過1μm，這樣大尺寸的疏松多孔結(jié)構將會對拉曼散射信號產(chǎn)生強烈的阻礙和吸收，使得采集器收集到的拉曼信號顯著降低[4]。因此最佳的組裝體尺寸應在1μm 以下，同時盡可能提高組裝體站總顆粒數(shù)的比例且形成穩(wěn)定的、尺寸在1nm ～10nm 的納米間隙，而pH=2.5 時形成的825nm Au NS 就能很好地滿足上述條件。

2.2.3 Au NS 穩(wěn)定性

除了SERS 活性，Au NS 溶膠的穩(wěn)定性也是一個重要的性能指標。通過靜置的方式來探究溶膠穩(wěn)定性，若溶膠中出現(xiàn)不溶的沉淀則視為失去活性。將溶液pH 與溶液失活所需時間的數(shù)據(jù)繪制成折線圖，得到圖4（f）中的綠色曲線（失活時間對應右側(cè)縱坐標軸）。顯然當溶液pH ≤2時Au NS 溶膠失活的很快，在合成后的數(shù)小時內(nèi)就會發(fā)生聚沉。當溶液中h+濃度很高時金納米顆粒表面的檸檬酸根會被徹底質(zhì)子化，使得Au NPs 表面的電荷被中和并失去保持顆粒間隙的能力，從而導致溶膠穩(wěn)定性下降引發(fā)聚沉[5-6]。而pH ≥2.5 的樣品由于仍能維持Au NPs 的表面電荷，使其具有較好的穩(wěn)定性[7]，在密封放置超過24h后仍未觀察到聚沉失活的現(xiàn)象。

3.結(jié)論

通過用稀鹽酸調(diào)整溶液中H+離子濃度的方式，誘導金納米顆粒形成一系列尺寸的組裝體。之后采用變速旋涂的方法將組裝體制成具有表面拉曼增強（SERS）活性的硅基芯片。XPS 測試表明，H+誘導金納米顆粒組裝的策略并不會影響其表面的化學性質(zhì)。用摩爾濃度為10-7M 的R6G 分子溶液測試Au NS 芯片的SERS 活性，從拉曼圖譜中可以看出，pH=2.5 時所得到的組裝體表現(xiàn)出優(yōu)異的拉曼活性，拉曼位移在612cm-1處峰值強度為17230，相較于傳統(tǒng)金溶膠提高了兩倍。光吸收譜表明，此時金納米顆粒組裝體產(chǎn)生了新的吸收方式，帶來了宏觀顏色的改變。電子顯微學測試表明，此時組裝體的平均尺寸為825nm 且顆粒與顆粒之間形成了3nm 左右的間隙結(jié)構，引發(fā)了“熱點”效應，從而提高材料的拉曼活性。材料在室溫條件下長時間靜置保存后不會發(fā)生失活現(xiàn)象。因此，AuNS 芯片具備較強的SERS 活性與良好的穩(wěn)定性，而且制備方法簡單、成本低，在微量物質(zhì)的檢測中具有廣闊的應用前景。