表面增强拉曼光谱检测金纳米粒子表面配体取向

贺海兵，陈 葳

（南京大学化学与化工学院，江苏南京 210093）

表面增强拉曼光谱检测金纳米粒子表面配体取向

贺海兵，陈 葳

（南京大学化学与化工学院，江苏南京 210093）

使用表面增强拉曼光谱研究了苯硫醚在不同曲率半径的金纳米粒子表面的取向差异。结果表明，金纳米粒子半径越小，其表面配体分子中的苯环越倾向与金粒子表面平行排列。

表面增强拉曼光谱；金纳米粒子；分子取向

贺海兵，陈 葳.表面增强拉曼光谱检测金纳米粒子表面配体取向［J］.河北科技大学学报，2014，35（2）：144-148.

HE Haibing，CHEN Wei.Detection of ligand orientation on gold nanoparticle by SERS［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2014，35（2）：144-148.

纳米材料的光、热、磁、力学等方面的性质不同于本体材料，其在生物工程、分子组装等领域拥有广阔的应用前景。纳米材料的表面往往覆盖有一层配体分子层，与外界环境接触的就是这层配体，配体的性质不仅直接影响纳米粒子的表面性质及用途，对纳米粒子本身独特性质的表达也有着至关重要的影响［1－2］。例如：由于蛋白质的反应活性与其二级结构紧密相关，表面吸附了多肽的金纳米粒子，因而构象的改变将极大改变多肽保护的纳米粒子的反应活性［3］。

传统的界面表征方法包括接触角、AFM和XPS等［4－7］，虽然可以表征自组装单分子膜宏观亲疏水性质、形貌以及部分界面成分，但无法获取诸如分子构象、基团或者分子取向方面的信息。红外反射吸收光谱（FTIR-RAS）［8］利用光波在金属表面的反射叠加现象，获取分子在界面的官能团排列方向等结构信息；但FTIR-RAS的增强系数较低，只有普通红外光谱的10～30倍［9］，难以获得单层分子的信号；且该项技术对仪器的灵敏度和操作参数都有较高的要求，大大限制了FTIR-RAS的应用范围。近年来出现的和频振动光谱（SFG）对界面信号具有高度选择性和单分子层的灵敏性，因此SFG可用于判断样品基团在金属表面、界面的绝对取向，并进一步推断该基团在界面的取向角［10－11］。但由于SFG界面选择性的本质是对于反演对称的介质无响应，而对反演对称破缺的体系有高度灵敏性［12］，因而对于界面分子在界面的二维平面内处于无序状态或是界面分子自身结构具有高度对称性的体系，用SFG是无法获取界面分子取向信息的。

表面增强拉曼光谱（SERS）对于与表面、界面直接相接触的分子层振动信号的增强能达到普通拉曼散射的10万～100万倍［13］，可以直接观察到基底表面单层分子的信号。此外，由于SERS对不同振动模式具有选择性增强效应，因此可利用SERS技术获取分子的取向信息。

2007年，KRAATZ等使用反射吸收红外光谱和压片红外光谱发现：在金属平面上，多肽保持与本体物质相同的α螺旋结构；随着基底曲率半径的不断减小，在20，10，5 nm金纳米粒子上，α螺旋结构渐渐地向β折叠结构转变［3］。

受这一思路的启发，笔者推测基底曲率的变化在一定程度上会影响到所吸附的配体分子的构型与取向，基于SERS技术的特殊选择性增强原理，用它来检测吸附分子在不同曲率半径的金纳米粒子表面的取向。本论文工作中，检测了苯硫醚分子在不同曲率半径的金纳米粒子表面的取向，以实验数据为基础推导出纳米粒子表面吸附分子的取向与粒子曲率半径之间的经验关系式。

1 实验部分

1.1 试剂

苯硫醚（phenyl disulfide，PD），购自Sigma-Aldrich，纯度＞99%，使用前未进行预处理。

丙酮、二次蒸馏水、柠檬酸钠、98%（体积分数）浓硫酸、30%（体积分数）双氧水、3-氨基丙基－三甲氧基硅烷（3-aminopropyltrimethoxysilane，APTMS）、四氢呋喃、三氯甲烷、甲醇、乙醇，均为分析纯，使用前重蒸处理。

1.2 仪器

Horiba Jobin Yvon Lab Raman，激发波长为633 nm，17 m W，分辨率≤1 cm－1。

1.3 实验步骤

Frens法金纳米的制备及组装如下：在100 m L煮沸的0.01%（体积分数）的氯金酸水溶液中加入2.0，0.6，0.32 m L体积分数为1%的柠檬酸钠溶液，待溶液颜色变化后继续煮沸1 h，得到16，70，150 nm的金纳米粒子。将1 cm×1 cm的石英片依次置于四氢呋喃、丙酮、乙醇中，在超声仪中超声15 min，氮气吹干。将石英片置于3份浓硫酸和1份双氧水配成的食人鱼洗液中，于80℃加热，1 h后取出，用二次蒸馏水洗涤3次，氮气吹干，然后放在1份3-氨基丙基－三甲氧基硅烷与4份甲醇的混合液中24 h。取出洗净后置于3种不同大小的金溶胶中24 h，使得金纳米粒子能够在石英片表面充分吸附。将制备好的基底置于0.1 mmol／L的PD的三氯甲烷溶液中，使得探针分子能够充分吸附在金纳米表面。24 h后取出，用三氯甲烷洗涤多次，用氮气吹干，即可进行测试。

2 实验结果与讨论

2.1 PD普通拉曼及吸附在70 nm金纳米粒子表面的SERS信号分析

图1是PD的普通拉曼图和吸附在70 nm金纳米粒子表面的SERS信号。各峰归属如下［14－15］：250 cm－1代表的是C—H的弯曲振动；345 cm－1和544 cm－1分别代表C—S—S弯曲振动 和S—S伸缩振动的特征峰；472 cm－1代表苯环的面外振动；740 cm－1代表C—H的面外弯曲振动；1 076 cm－1代表C—S的伸缩振动；1 581 cm－1代表苯环的伸缩振动。对比PD的普通拉曼和SERS信号，发现了一个新峰273 cm－1，这意味着形成了新的化学键——金硫键［16］，也就是S—S断裂了，断裂之后硫原子和金纳米表面结合；同时也可以观察到345 cm－1和544 cm－1消失了，同样也表明硫醚中S—S键的断裂。1 002 cm－1在普通拉曼图中相对强度是最大的，但在SERS信号中，它没有1 073 cm－1和1 573 cm－1处的相对强度大，说明SERS可以选择性增强某些峰。

由于苯环结构与硫原子直接相连，与金纳米粒子基底的距离很近，取向有序，因此有着强烈的SERS信号。根据SERS选择定律，当某种振动模式的矢量与SERS基底垂直时，它的振动谱带将会得到明显的增强；当某种振动模式的矢量与基底平行时，相应的振动峰将会明显减弱。由图1可知，1 073 cm－1和1 573 cm－1分别代表C—S伸缩振动和苯环面内振动峰的振动模式得到极大增强，表明C—S键和苯环垂直于基底表面，整个分子垂直吸附在基底上。此外，997 cm－1及1 023 cm－1代表苯环面内变形振动、平面内C—H的变形振动峰也得到了极大的增强，进一步佐证了PD分子S—S键断裂之后是以金硫键垂直吸附于基底表面的。

图1 PD普通拉曼图及吸附在70 nm金纳米粒子上的SERS信号Fig.1 Noramal Raman of PD and SERS on 70 nm gold nanoparticles

2.2 PD吸附在16，70，150 nm金纳米粒子上的SERS信号（见图2）

图2 PD吸附在金纳米粒子表面的SERS及基线重合之后的局部放大图Fig.2 SERS of PD gold nanoparticles and enlarged view with baseline coincide

图2 a）是PD吸附在16，70，150 nm金纳米粒子表面的SERS信号（以Au—S键归一化），图2 b）—图2 d）是基线重合之后的局部放大图。为了比较苯环倾斜角度的大小，由于金硫键与苯环的倾斜角度无关，故以金硫键为标准归一化处理。当金纳米粒子的直径逐渐变大（16，70，150 nm）时，997，1 023，1 073，1 573 cm－1代表面内振动的峰都得到了不同程度的增强。根据前述SERS选择定律，它们的振动矢量在垂直于金纳米粒子基底方向的分量越来越大，由此可以得出苯环与金纳米粒子基底的法线之间夹角逐渐变小，即更倾向于垂直取向。与此相反的是，472 cm－1和740 cm－1处代表的面外弯曲振动，当金纳米粒子尺寸逐渐增大时，它们的振动矢量在垂直于金纳米粒子基底方向的分量却逐渐变小，也进一步印证了这一结果。由此认为在较小纳米粒子表面，苯环更倾向于与基底平行取向；在较大纳米粒子表面，苯环更倾向于垂直取向。

PEMBERTON等用苯环平面与基底法线的夹角θ描述苯环平面与基底的取向关系，θ与吸附分子的SERS强度和Raman强度比之间存在如下关系［17］：

式中：Ioop表示面外振动；Iip表示面内振动。

根据上述公式，选取代表苯环面外振动的472 cm－1处峰和代表苯环面内振动的1 573 cm－1处峰的比值计算3种不同大小纳米粒子表面苯环的θ值，θ16＝33°，θ70＝21°，θ150＝10°。

用θ对吸附在不同曲率半径的金纳米粒子表面的PD分子的取向作定性描述。金纳米粒子的曲率半径越小，θ越大。如图3所示，θ16＞θ70＞θ150。

图3 苯环在不同曲率半径金纳米粒子上取向示意图Fig.3 Orientation of phenyl ring on different size gold nanoparticles

笔者发现PD分子面外振动峰和面内振动峰强度的比值Ioop／Iip与金纳米粒子曲率半径R之间存在如下关系：

式中：k和m为常数。

该关系式可对吸附在不同曲率半径的金纳米粒子表面的PD分子的取向进行定量描述。当选取代表C—H面外振动的740 cm－1处峰和代表C—S面内振动的1 073 cm－1处峰的比值以及代表苯环面外振动的472 cm－1处峰和代表苯环面内振动的1 573 cm－1处峰的比值代入时，该经验公式都成立。

3 结 语

本工作使用不同曲率半径的金纳米粒子作为SERS基底，比较了PD分子的取向差异。实验结果表明，PD分子的苯环在较小曲率半径的金纳米粒子表面更加倾向与基底表面平行。该取向差异可用PD分子面外振动峰和面内振动峰强度的比值Ioop／Iip进行定量描述。

［1］ SCHIFFELERS R M，ANSARI A.Cancer siRNA therapy by tumor selective delivery with ligand-targeted sterically stabilized nanoparticle［J］.Nucleic Acids Research，2004，32（19）：149-152.

［2］ TEMPLETON A C，HOSTETLER M J，KRAFT C T，et al.Reactivity of monolayer-protected gold cluster molecules：Steric effects［J］.Journal of the American Chemical Society，1998，120（8）：1906-1911.

［3］ MANDAL H S，KRAATZ H B.Effect of the surface curvature on the secondary structure of peptides adsorbed on nanoparticles［J］.Journal of the American Chemical Society，2007，129（20）：6356-6357.

［4］ 孟建兵，董小娟，黄雪梅.金属基橡塑模具抗黏附表面制备的研究进展［J］.河北科技大学学报，2013，34（3）：173-181.

MENG Jianbing，DONG Xiaojuan，HUANG Xuemei.Research development of anti-adhesion surface of metal matrix rubber and plastic molds［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2013，34（3）：173-181.

［5］ 康志敏，郝彦忠，孙 宝，等.制备工艺对TiO2纳米结构电极光电响应的影响［J］.河北科技大学学报，2004，25（2）：1-3.

KANG Zhimin，HAO Yanzhong，SUN Bao，et al.Influence of fabrication on the photocurrent of TiO2nanostructured electrode［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2004，25（2）：1-3.

［6］ MCGUIRE G E，FUCHS J，HAN P，et al.Surface characterization［J］.Analytical Chemistry，1999，71（12）：373-388.

［7］ 高俊芳，周 毅，张瑞英，等.配体交换制备表面功能化的ZnS NPS及其光学性质研究［J］.河北科技大学学报，2012，33（6）：488-491.

GAO Junfang，ZHOU Yi，ZHANG Ruiying，et al.Preparation and optical properties of surface functionalized ZnS NPS via ligand exchange［J］.Journal of Hebei University of Science and Technology，2012，33（6）：488-491.

［8］ GREENLER R G.Infrared study of adsorbed molecules on metal surfaces by reflection techniques［J］.Journal of Chemical Physics，1966，44（1）：310-315.

［9］ YOSHIDA S，ISHIDA H.A study on the orientation of imidazoles on copper as corrosion-inhibitor and possible adhesion promoter for electric devices［J］.Journal of Chemical Physics，1983，78（11）：6960-6969.

［10］ LU Xiaolin，SHEPHARD N，HAN Jianglong，et al.Probing molecular structures of polymer／metal interfaces by sum frequency generation vibrational spectroscopy［J］.Macromolecules，2008，41（22）：8770-8777.

［11］ LU Xiaolin，LI Dawei，KRISTALYN C B，et al.Directly probing molecular ordering at the buried polymer／metal interface［J］.Macromolecules，2009，42（22）：9052-9057.

［12］ CHEN Zhan，SHEN Y R，SOMORJAI G A.Studies of polymer surfaces by sum frequency generation vibrational spectroscopy［J］.Annual Review of Physical Chemistry，2002，53（1）：437-465.

［13］ JEANMAIRE D L，VANDUYNE R P.Surface raman spectroelectrochemistry（Ⅰ）：Heterocyclic，aromatic，and aliphatic-amines adsorbed on anodized silver electrode［J］.Journal of Electroanalytical Chemistry，1977，84（1）：1-20.

［14］ SZAFRANSKI C A，TANNER W，LAIBINIS P E，et al.Surface-enhanced Raman spectroscopy of aromatic thiols and disulfides on gold electrodes［J］.Langmuir，1998，14（13）：3570-3579.

［15］ ZHENG Yuanhui，THAI T，REINECK P，et al.DNA-directed self-assembly of core-satellite plasmonic nanostructures：A highly sensitiveand reproducible near-IR SERS sensor［J］.Advanced Functional Materials，2013，23（12）：1519-1526.

［16］ CARRON K T，HURLEY L G.Axial and azimuthal angle determination with surface-enhanced Raman-spectroscopy-thiophenol on copper，silver，and gold metal-surfaces［J］.Journal of Physical Chemistry，1991，95（24）：9979-9984.

［17］ PEMBERTON J E，BRYANT M A，SOBOCINSKI R L，et al.A simple method for determination of orientation of adsorbed organics of low symmetry using surface-enhanced Raman-scattering［J］.Journal of Physical Chemistry，1992，96（9）：3776-3782.

Detection of ligand orientation on gold nanoparticle by SERS

HE Haibing，CHEN Wei
（Chemistry and Chemical Engineering，Nanjing University，Nanjing Jiangsu 210093，China）

Surface-enhanced Raman spectroscopy is used to systematically investigate the orientation of phenyl disulfide on gold nanoparticles.The result shows the benzene ring planes have higher tendency to arrange parallel to the surface of gold nanoparticles with smaller curvature radius.

surface-enhanced Raman spectroscopy；gold nanoparticle；molecular orientation

O657.37

A

1008-1542（2014）02-0144-05

10.7535／hbkd.2014yx02006

2013-12-30；

2014-01-25；责任编辑：张士莹

国家自然科学基金（21074052）

贺海兵（1987-），男，湖北洪湖人，硕士研究生，主要从事表面增强拉曼光谱方面的研究。

陈 葳副教授。E-mail：weichen＠nju.edu.cn

book=148,ebook=83