不同粒径、超均匀球形金纳米粒子合成及其表面增强拉曼散射效应研究

蒋思文，李 霞，张月皎，朱根松*，李剑锋*

1. 江西理工大学应用科学学院矿冶工程系, 江西 赣州 341000 2. 浙江中烟工业有限责任公司技术中心，浙江 杭州 310024 3. 厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005

不同粒径、超均匀球形金纳米粒子合成及其表面增强拉曼散射效应研究

蒋思文1，李 霞2，张月皎3，朱根松1*，李剑锋3*

1. 江西理工大学应用科学学院矿冶工程系, 江西 赣州 341000 2. 浙江中烟工业有限责任公司技术中心，浙江 杭州 310024 3. 厦门大学化学化工学院，福建 厦门 361005

以氯金酸为原料，抗坏血酸为还原剂，柠檬酸钠为保护剂，用化学还原(种子生长)法制备了不同粒径、超均匀的球形金纳米粒子溶胶，并通过紫外可见吸收光谱(UV-Vis)和扫描电子显微镜(SEM)进行表征。结果表明，随着金纳米粒子粒径的增大，其UV-Vis光谱中的吸收峰发生红移并出现四极峰。为进一步研究金纳米粒子表面增强拉曼散射(SERS)效应的作用机理并优化其灵敏度，我们以罗丹明6G(R6G)为探针分子，对不同粒径的金纳米粒子进行SERS表征，发现R6G的SERS信号随着金纳米粒子的增大先增强后减弱。当金纳米粒子的平均粒径达到120 nm时，产生最强SERS信号增强，增强因子约为1.1×107。三维时域有限差分法(3D-FDTD)理论模拟纳米粒子阵列电磁场分布结果与实验数据的趋势一致。

超均匀；金纳米粒子；表面增强拉曼光谱

引 言

表面增强拉曼光谱(SERS)[1-3]具有极高的表面检测灵敏度，甚至可以达到单分子检测水平[4-5]。利用它的高灵敏度和表面选律，可以研究纳米结构与表面吸附分子间的相互作用，提供纳米材料表面固/液相(或气相)界面分子水平的指纹振动信号，获得界面处丰富的物理、化学和生物性质的信息，具有极其重要的应用前景。金属纳米粒子特殊的形貌特征、表面结构及电子组态决定着其诸多性能，是人们一直关注的焦点。币族金属(如银、金、铜)纳米粒子能够产生极强的SERS效应，其中金纳米粒子因具有相对于银和铜更好的稳定性而备受青睐，其SERS效应的强弱与纳米粒子的大小、形状和间距密切相关[6-11]。

目前已有大量关于采用不同还原剂和方法合成具有不同形状和尺寸金纳米粒子的报道[12-15]。例如，Natan等[12]发展的种子法合成，以弱还原剂柠檬酸钠或盐酸羟胺还原金盐得到粒径为20～100 nm的金纳米粒子。Rodriguez-Fernandez等[14]使用抗坏血酸为还原剂合成了100 nm以上较大粒径的金纳米粒子，但由于合成中使用了吸附性很强的表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)为保护剂，使得后续清洗纳米粒子表面非常困难，从而干扰待测物种SERS信号的检测。而且，采用上述方法合成100 nm以上金纳米粒子时，粒子的形状往往不是很均匀的球形[15]，而是诸如链状，椭圆形或多面体等。这些形貌的存在导致在探讨纳米粒子光学性质时还需考虑纳米颗粒的不均匀形貌因素，尤其在表面组装后的复杂化，使得理解纳米结构表面SERS机理时变得更加困难。

为了更好地理解SERS现象，把实验和理论模拟结合起来，必须获得不同尺寸，特别是粒径大于100 nm的超均匀球形金纳米粒子。实验中先以柠檬酸钠法制备的金纳米粒子作为种子，通过晶种生长法，严格控制还原剂和氯金酸的浓度比，进一步制备出更大粒径、表面光滑、尺寸均一的球形金纳米粒子，并利用紫外可见吸收光谱(UV-Vis)、扫描电子显微镜(SEM)和SERS等手段系统研究和优化金纳米粒子的SERS效应。

1 实验部分

1.1 化学试剂

氯金酸(HAuCl4·3H2O，99.99%)、抗坏血酸(C6H8O6)、柠檬酸三钠(C6H5Na3O7·2H2O)购买自Alfa公司。罗丹明6G(C28H31N2O3Cl，99%)购买自Aldrich公司。盐酸、硝酸、硫酸均为分析纯试剂。实验用水是经过Milli-Q系统纯化的18.2 MΩ·cm的超纯水。

1.2 仪器

扫描电镜实验在日本HITACHI公司生产的S-4800扫描电子显微镜上进行。紫外-可见吸收光谱实验在日本岛津公司生产的UV-2100紫外-可见光谱仪上进行。拉曼光谱实验在法国DILOR公司生产的共聚焦显微拉曼光谱仪上进行，激发光源为氦-氖激光器，波长为632.8 nm，到达样品表面功率是8.2 mW。

1.3 金纳米粒子种子的制备

将200 mL质量分数为0.01%的氯金酸溶液置于250 mL圆底烧瓶中，加热至沸腾，迅速加入6 mL的1%柠檬酸钠溶液，保持微沸30 min，冷却至室温，即可得到粒径为(16±1)nm的金纳米粒子。若加入2 mL的1%柠檬酸钠溶液，则可得到(45±5)nm的金纳米粒子。

2 结果与讨论

为了获得尺寸均一的大粒径金纳米粒子，实验采用晶种生长法，以45 nm金粒子为种子，进一步生长成大粒径金纳米粒子。

将100 mL的圆底烧瓶置于冰浴环境中，加入3 mL的45 nm金种子，并用超纯水稀释至20 mL。根据合成目标粒径所需金盐的量，分别加入一定量的抗坏血酸作为还原剂、柠檬酸钠作为保护剂，剧烈搅拌。根据计算取一定量(见表格1)质量分数为0.825%的氯金酸溶液，用步进电机以0.05 mL·min-1的速度缓慢滴入圆底烧瓶，可以观察到溶液颜色从红色逐渐变成砖黄色。待氯金酸溶液滴加完毕后，继续搅拌5 min，置于70 ℃水浴中加热保持15 min，最终可获得所需粒径大小的金纳米粒子。按照这种方法可依次制备粒径为80 nm，120和150 nm的金纳米粒子。随着金纳米粒子粒径的增大，溶胶的颜色逐渐由酒红色变成砖黄色[图1(a)]。

Table 1 The volumes of chloroauric acid, ascorbic acid and sodium citrate for synthezing gold nanoparticles with different sizes

粒径大小/nm氯金酸/μL抗坏血酸/μL柠檬酸钠/μL80168300301206544001001501311700200

为了获得干净的金纳米粒子，我们将合成好的金纳米粒子溶胶进行离心清洗，金粒子沉降在离心管底部，用移液器除去上层清液。重复2次离心步骤，最终将浓缩的金纳米粒子滴加在干净的硅片表面，干燥后用于SEM和SERS表征。

图1是金纳米粒子形貌的SEM图。图中可以观察到金纳米粒子的粒径分别为(16±1)，(45±5)，(80±5)，(120±8)和(150±10)nm。其中粒径为16和45 nm的金粒子是通过柠檬酸钠法一步还原制得的，其他粒径的金粒子均是以45 nm金粒子作种子进一步生长得到。随着金纳米粒子粒径增大，其粒径分布的绝对值范围也增大，但其偏差小，单分散性非常好。相比于文献中报道的大粒径金纳米粒子[15]，本工作合成的金纳米粒子表面非常光滑，呈超均匀的规整球形。

Fig.1 Picture of ultra-uniform (a) gold nanoparticles with different sizes, (b) SEM images of 16 nm, (c) 45 nm, (d) 80 nm, (e) 120 nm, (f) 150 nm gold nanoparticles

图2是不同粒径金纳米粒子的UV-Vis图。从图中可以观察到，随着金纳米粒子粒径从16 nm逐步增加到45，80，120，150 nm，金纳米粒子溶胶的吸收峰也发生了变化，其吸收峰的峰值由515.9 nm逐步红移到531.7，555.9，609.4，665.6 nm。此外，随着金纳米粒子粒径的增大，其吸收峰也变得更宽。值得注意的是，当金粒子粒径增大到120 nm时，其吸收峰在530 nm左右会有一个新的四极峰出现[16]。当粒径增加到150 nm时，四极峰更为明显。这种四极峰的产生是多极矩作用的结果[16]。

Fig.2 UV/Vis absorption spectra of Au NPs with different sizes

a：16 nm；b：45 nm；c：80 nm；d：120 nm;e：150 nm

Fig.3 (a) SER spectra of R6G on Au NPs with different sizes; (b) The influence of particle size of the Au NPs on SERS signal inensity

a：16 nm；b：45 nm；c：80 nm；d：120 nm;e：150 nm；Concentratration of R6G：0.1 μmol·L-1；Colleting time：1 s；Power of laser：10 μW

此外，不同粒径金纳米粒子产生的SERS效应强弱截然不同。为了更加系统地进行比较，我们以R6G的1 510 cm-1峰的SERS归一化积分强度对金纳米粒子粒径作图[如图3(b)]。从图中可以观察到，随着金纳米粒子粒径由16 nm逐步增加到120 nm，其R6G的SERS信号逐渐增强，当金粒子平均粒径达到120 nm时，产生最大SERS增强信号。之后，随着金粒子平均粒径继续增加到150 nm，其R6G的SERS信号则明显减弱。这表明金纳米粒子的SERS增强效应与其粒径密切相关，当用632.8 nm激光激发时，120 nm左右的金纳米粒子能产生最强SERS效应。对比图2中不同粒径的金溶胶的UV-Vis图，120和150 nm金溶胶的吸收峰值分别为609和666 nm。120 nm的金纳米粒子吸收峰最靠近所使用的激光激发波长632.8 nm，能与之产生更好的共振效应。而根据理论计算，纳米粒子耦合后会使得表面等离子体共振峰发生红移，这使得平均粒径为120 nm的金粒子的吸收峰值更接近632.8 nm激光波长，因此它能展现出相对最强的SERS信号。根据

公式[19]可以估算出120 nm的金纳米粒子的增强效应约为1.1×107。

Fig.4 The finite-difference time domain (3D-FDTD) simulation of the electromagnetic field distributions of 2×2 array of 120 nm Au NPs (a) side view and (b) top view. The gap of Au NPs is 1 nm. The laser is 632.8 nm. The polorization is showed in (a). (c) The influence of particle size of the Au NPs on the electromagnitic field enhancement

另一方面，由于SERS信号强度与局域电磁场增强密切相关，采用三维时域有限差分法(3D-FDTD)从理论上模拟这一体系的电磁场分布。计算模型是4个120 nm金纳米粒子的阵列，其纳米间隙是1 nm。图4(a)和4(b)分别是金纳米阵列电磁场分布的侧视图和俯视图。从图中可以观察到，电磁场增强仅仅局限在两个纳米粒子的间隙处。同时比较了不同粒径金纳米粒子的电磁场增强，发现这种增强效应也是随着金纳米粒子的增强而先增加后减弱，在金粒子粒径为120 nm时，电磁场达到最大增强[如图4(c)]。这一趋势与实验数据完全吻合。

3 结 论

采用晶种生长法，以抗坏血酸为还原剂、柠檬酸钠为保护剂，制备了粒径从16～150 nm具有不同尺寸、超均匀的球形金纳米粒子。通过扫描电镜观察到所合成的金纳米粒子都是非常均匀的规则球形；紫外可见吸收光谱实验表明，随着粒径的增加，金纳米粒子的吸收峰红移，且当粒径大于120 nm时有四极峰的出现。以R6G为探针分子，系统研究金纳米粒子粒径与表面增强拉曼效应的关系。结果表明，粒径为120 nm的金纳米粒子具有最强的SERS信号，其增强因子约为1.1×107。3D-FDTD方法也从理论上模拟了不同粒径金纳米粒子阵列的电磁场场强分布，结果与实验数据的趋势一致。

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*Corresponding authors

Synthesis of Ultra-Uniform Gold Spherical Nanoparticles with Different Sizes and Their SERS Effects Study

JIANG Si-wen1, LI Xia2, ZHANG Yue-jiao3, ZHU Gen-song1*, LI Jian-feng3*

1. Mining and Metallurgical Engineering Department of College of Applied Science, Jiangxi University of Science and Technology，Ganzhou 341000, China

2. Technology Center, China Tobacco Zhejiang Industrial Co. Ltd., Hangzhou 310024, China

3. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China

A series of ultra-uniform gold spherical nanoparticles with different sizes were synthesized using gold chloride acid as precursor, ascorbic acid as reductant and sodium citrate hydrate as surfactant. The prepared Au nanoparticles were characterized by scanning electron microscope (SEM) and UV-visible spectroscopy. The results showed that the absorption peak of UV-Vis spectroscopy red-shifted along with size increasing of the nanoparticles and finally appeared a quadrupole peak. To further explore the mechanism of surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) effect and optimize the sensitivity, SERS on Au nanoparticles with different sizes were measured using Rhodamine 6G (R6G) as probe molecule. We found the SERS signals of R6G on the Au nanoaprtciles were highly size dependent. When the particles sizes are close to ～120 nm, it will generate the highest enhancement, the enhancement factor is about 1.1×107. The 3D-FDTD simulation results correlated with the experimental data very well.

Ultra-uniform; Gold nanoparticle; Surface-enhanced Raman spectroscopy

Nov. 18, 2014; accepted Feb. 4, 2015)

2014-11-18，

2015-02-04

国家自然科学基金项目(21473140)资助

蒋思文，1992年生，江西理工大学应用科学学院矿冶工程系本科生 e-mail：jiangsw92@163.com 李 霞，女，1981年生，浙江中烟工业有限责任公司技术中心助理研究员 e-mail: Lix_chen@163.com 蒋思文，李 霞：并列第一作者 *通讯联系人 e-mail：li@xmu.edu.cn；413534143@qq.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)01-0099-05

JIANG Si-wen and LI Xia: joint first authors