不同Ag壳厚度Au@Ag纳米粒子的调控制备表征及表面增强拉曼光谱的效应

李 盼，聂永惠，滕渊洁，刘文涵

不同Ag壳厚度Au@Ag纳米粒子的调控制备表征及表面增强拉曼光谱的效应

李 盼，聂永惠，滕渊洁*，刘文涵*

(浙江工业大学化学工程学院 绿色化学合成技术国家重点实验室培育基地，浙江 杭州 310032)

采用化学还原法制备了以Au为核、包覆Ag的双金属核壳Au@Ag纳米粒子，并成功地用于表面增强拉曼光谱(SERS)分析测试。通过改变制备液中Ag/Au的量比来调控Ag壳包覆厚度。采用透射电子显微镜(TEM)和紫外-可见光谱仪(UV-Vis)对Au@Ag纳米粒子的构貌进行表征。TEM显示明显存在核壳结构，且Ag壳层随Ag/Au的量比的增加而逐渐变厚；UV-Vis表明随着Ag/Au的量比的增加，Au@Ag纳米粒子出现了Au核与Ag壳吸收峰的2个等离子体共振峰，同时伴随着Au峰的蓝移和Ag峰的红移。以双甲脒为分析物，考察了不同Ag/Au的量比时的Au@Ag纳米粒子的SERS活性。结果表明，SERS活性随Ag/Au的量比的增加先增大后减小，在6：5时其SERS增强效应最佳，此时Ag壳厚度约为6 nm。以对巯基苯胺(4-ATP)、结晶紫(CV)和双甲脒为分析测试对象，对比了Au@Ag、Ag、Au 3种基底的SERS活性。结果表明，所制备的Au@Ag纳米粒子的SERS活性要明显优于单纯的Au、Ag纳米粒子。

Au； Ag; Au@Ag； 纳米粒子； 表面增强拉曼光谱

1 引 言

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种灵敏度较高的新型光谱分析技术，能从分子水平获得物质表面的结构和化学组成信息，具有检测时间短、操作方便等优点，已应用于物理、化学、生物医药、环境监测、公共安全等领域[1-3]。

SERS活性基底的制备是获得SERS信号的前提，目前，主要包括金属电极、贵金属溶胶、金属岛膜、金属薄膜等。其中，Au、Ag贵金属溶胶体系具有SERS增强效果好、易于储存等优点且制备简单，不需要特殊的仪器与设备，在普通实验室即可完成，因而被广泛用作SERS活性基底。已报道有纳米棒、纳米线、纳米立方体等[4-7]多种结构的Au、Ag单金属溶胶纳米粒子，其等离子体共振特性也被进行了深入的研究。通常，Ag纳米粒子的SERS增强效果更好，Au纳米粒子则具有粒径均一可控、性能稳定等特点。双金属纳米粒子兼具两种单金属纳米粒子的优良特性，并且组分、结构可调，使其在电子学、催化、光学等领域有着广泛的应用[8-9]。采用化学还原的方法将Ag沉积到Au纳米粒子的表面，可以得到粒径均一可控的SERS增强效应好的Au核Ag壳双金属纳米粒子(Au@Ag NPs)[10-12]。

本文以预制备的Au纳米粒子为“种子”，用化学还原法将Ag+还原并包覆于Au核表面形成Ag壳层，改变Ag与Au的量的比例，对包覆的Ag壳厚度进行调控。以双甲脒为分析对象，考察了不同Ag/Au比例的Au@Ag纳米粒子的SERS活性，并对Au、Ag及Au@Ag 3种纳米粒子的SERS活性进行了对比。

2 实 验

2.1 试剂与仪器

双甲脒分析标准品(Aladdin试剂公司)：纯度≥99.0%；对巯基苯胺(Aladdin试剂公司)：纯度≥99.0%；氯金酸(国药集团)、硝酸银、抗坏血酸、结晶紫等试剂均为分析纯及以上；实验用水为18.3 MΩ·cm超纯水。

实验中使用的仪器主要有LabRAM HR UV 800激光共焦显微拉曼光谱仪(法国JOBIN YVON公司)、Tecnai G2 F30 S-Twin型高分辨率投射电子显微镜(荷兰Philips-FEI公司)；CARY100紫外-可见分光光谱仪(美国VARIAN公司)。拉曼光谱仪的激发光源为He-Ne激光器(632.81 nm)，共焦孔径为300 μm，光栅刻线数为600 lines/mm，物镜为50倍长焦镜头。

2.2 实验方法

Au溶胶的制备：采用改进的Frens法[13]，将100 μL 10%的HAuCl4·4H2O加入到100 mL的超纯水中，搅拌加热至沸腾，然后快速加入1.5 mL 1%的柠檬酸三钠溶液，继续加热30 min直到溶液变成酒红色，停止加热，在搅拌下冷却至室温。所合成的Au纳米溶胶于4 ℃保存备用。

Ag溶胶的制备采用柠檬酸钠还原法[14]：取1.0 mL 0.1 mol/L的AgNO3溶液加入烧瓶中，加水至100 mL，在剧烈搅拌下加热至沸腾，快速加入4.0 mL 1%的柠檬酸三钠溶液，继续加热保持沸腾30 min，在搅拌下自然冷却至室温。所合成的Ag纳米溶胶于4 ℃保存备用。

Au@Ag核壳纳米粒子的制备：采用种子生长法通过两步得到[15]，在搅拌下将10 mL上述合成的Au溶胶纳米粒子和1 mL 0.1 mol/L的抗坏血酸混合，然后将1 mmol/L不同体积(0.5，1，2，3，4 mL)的AgNO3缓慢逐滴加入其中。AgNO3被还原不断地生长于Au核的表面。在溶液由酒红色逐渐变成橙黄色后，搅拌30 min，最后得到不同Ag壳厚度的Au@Ag纳米粒子。

2.3 拉曼光谱测试

常规拉曼光谱(NRS)测试：取少量双甲脒粉末于干净的载玻片上，用另一载玻片将粉末轻轻按压成均匀的薄层，进行常规拉曼测试。

SERS测试：将上述不同种类的金属溶胶纳米基底分别与一定体积的3种待测分子(双甲脒、结晶紫、对巯基苯胺)分别进行混合，然后滴于载玻片上进行SERS检测。

拉曼测试扫描范围为200～4 000 cm-1，NRS和SERS测试的曝光时间分别为30 s和60 s，积分2次平均。

3 结果与讨论

3.1 不同包裹厚度的Au@Ag的制备及表征

纳米粒子的组成、形貌及尺寸对其SERS增强效果有很大的影响[16]。为了考察Au纳米粒子包覆Ag壳后的粒子表面形态，对包覆前的Au纳米粒子与纯Ag纳米粒子进行了TEM测试，结果如图1所示。从图1中可以看出Au、Ag纳米粒子粒径均一，约为25 nm和60 nm，基本为球形且分散性良好。通过改变AgNO3的加入量来改变Ag与Au的比例，合成了不同包覆Ag壳厚度的Au@Ag核壳纳米粒子，其TEM的结构和形貌如图2所示。

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

从图2可以看出，随着Ag/Au的量比的增加，包覆在Au核表面的Ag壳逐渐变厚。当Ag/Au的量比为1：5时，Ag壳并不明显，经TEM在线测试Ag壳厚度平均为1 nm。随着Ag/Au的量比从2：5增加到4：5、6：5、8：5，Ag壳厚度也由3 nm增加到5，6，8 nm。从图2(c)、(d)、(e) 可以看到明显的Au与Ag的不同衬度，并包覆完全，形成了良好的核壳结构。对Au@Ag纳米粒子进行EDX测试，出现了Au、Ag的特征峰(图3)，表明所制备的核壳结构纳米粒子确实由Au和Ag构成。

图2 不同Ag/Au量比的Au@Ag纳米粒子的TEM图。(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.

图3 Au@Ag纳米粒子的EDX图Fig.3 EDX spectrum of Au@Ag NPs

3.2 Au、Ag及Au@Ag纳米粒子的UV-Vis光谱

纳米粒子吸收峰的位置与其表面等离子体共振有关，而表面等离子体共振取决于纳米粒子的组成、尺寸和形貌[11]。为了考察不同Ag/Au量比时Au@Ag纳米粒子的组成及等离子体吸收峰情况进行了UV-Vis测试，结果如图4所示。

从图4可看出，单纯的Au纳米粒子在520 nm左右出现等离子体共振峰，且半峰宽较窄，说明粒径均一。Ag纳米粒子的等离子体共振峰在420 nm。当Ag/Au的量比为1：5时，只在515 nm处出现一个靠近Au的等离子体共振峰，说明此时Ag壳还很薄不能将Au核全包覆，所以呈现的主要是Au的等离子体共振峰。随着Ag/Au的量比的增加，出现了两个等离子体共振峰，分别为Au核和Ag壳的吸收峰，同时Au峰逐渐减弱而Ag峰逐渐增强。当Ag/Au的量比增加到8：5时，Ag峰完全占据主导地位，Au峰几乎消失。从图5可看出，Ag/Au的量比的增加导致Ag壳逐渐变厚，并伴随着Au峰的蓝移和Ag峰的红移，最终Au的吸收峰蓝移到467 nm，而Ag的吸收峰红移到398 nm。

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

图5 不同Ag/Au量比对Ag(a)、Au(b)吸收峰和Ag壳厚度(c)的影响。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量比对Au@Ag的SERS活性影响

以双甲脒为分析测试对象考察了不同Ag/Au量比对Au@Ag纳米粒子的SERS活性影响，结果如图6所示。

从图6可以看出，SERS增强效应与Ag/Au的量比密切相关。在1：5到6：5范围内，随着量比的增加，双甲脒的SERS信号逐渐增强，当Ag/Au的量比超过6：5后，SERS信号反而减弱。这表明Au核表面的Ag壳厚度并非越厚越好，有一最佳区域，当Ag壳厚度为6 nm时，Au@Ag纳米粒子的SERS增强效果最好。

图6 (a)不同Ag/Au量比的Au@Ag对双甲脒的SERS光谱与NRS的对比；(b) 723 cm-1特征峰强与Ag壳厚度的关系。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不同纳米粒子的SERS性能对比

为考察Au包覆Ag壳后Au@Ag纳米粒子的SERS增强效果，与纯Au、Ag纳米粒子进行了对比实验，同时考察了不同物质产生的SERS光谱，结果如图7所示。图8为3种不同纳米粒子产生增强效果的信号对比图。

从图7可以看出，4-ATP、CV和双甲脒在Au@Ag纳米粒子表面的SERS信号均明显大于单纯的Au、Ag纳米粒子。其中4-ATP上的1 083 cm-1为4-ATP的C—S振动峰，1 150 cm-1为C—H的面内弯曲振动峰，1 589 cm-1为C—C的伸缩振动峰[17]。CV在444 cm-1为芳香环和环上C—C的弯曲振动，1 179 cm-1、1 375 cm-1为C—H的面内弯曲和N-苯环的伸缩振动，1 621 cm-1处的拉曼谱峰则归属于苯环上C—C的伸缩振动。双甲脒在723 cm-1为苯环的不对称伸缩振动。SERS信号强弱的顺序为：Au@Ag纳米粒子最强，Ag纳米粒子次之，Au纳米粒子最弱，即Au@Ag≫Ag>Au。

图7 4-ATP(a)、CV(b)和双甲脒(c)在不同纳米粒子表面的SERS光谱。Fig.7 SERS spectra of 4-ATP(a)，CV(b)和amitraz (c) with different kinds of nanoparticles.

图8 Au、Ag及Au@Ag纳米粒子的SERS活性对比图。Fig .8 Comparison of SERS enhanced effects of Au,Ag and Au@Ag NPs.

3.5 Au@Ag纳米粒子的SERS增强机理

Au@Ag纳米粒子优异的SERS增强性能是Au核和Ag壳两者协同增强的效果，一味地增加Au核表面的Ag壳厚度并不能使其SERS增强性能无限增大，Ag壳厚度存在一最佳值。这是因为Au核与Ag壳之间存在着等离子体共振耦合效应，随着制备液Ag/Au量比的增加，包覆在Au核表面的Ag壳逐渐变厚(图2和图5)，Ag壳与Au核之间的等离子体共振耦合效应增强，进而导致Au@Ag纳米粒子的局域电磁场大幅增强。SERS强度与电磁场强度的平方成正比，因此吸附在Au@Ag纳米粒子周围的双甲脒等分子的SERS信号逐渐增强。当Ag/Au的量比超过6：5后，增厚的Ag壳等离子体共振占主导地位，掩盖了Au核的等离子体共振(图4)，协同等离子体共振耦合效应减弱，从而导致SERS效应减弱。因此，当Ag/Au的量比为6：5即Ag壳厚度为6 nm时，Au@Ag纳米粒子的SERS增强效果最佳，此时Au核与Ag壳之间存在最强的协同等离子体共振耦合效应，与文献[18]报道的当金属外壳层厚度为5～10 nm时，等离子体共振耦合效应最强的理论相吻合。

4 结 论

采用化学还原法，通过两步合成得到具有核壳结构的双金属Au@Ag纳米粒子。通过改变Ag/Au的量比可以对Ag壳的厚度进行调控。当Ag/Au的量比为6：5时，Au@Ag纳米粒子的SERS活性最强，此时Au核与Ag壳之间存在最强的协同等离子体共振耦合效应。以Au、Ag和Au@Ag纳米粒子为SERS活性基底分别对4-ATP、CV和双甲脒三种待测物进行分析，结果表明Au@Ag纳米粒子具有更强的SERS活性，明显强于纯的Au、Ag纳米粒子，因此Au@Ag纳米粒子是更好的SERS活性基底，可用于样品的分析测试等。

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李盼(1992-)，男，湖北监利人,硕士研究生，2014年于桂林理工大学获得学士学位，主要从事表面增强拉曼光谱农残快速检测方面的研究。

E-mail: lipan@zjut.edu.cn

刘文涵(1956-)，男，江苏无锡人，硕士，教授，1986年于杭州大学(今浙江大学)获得硕士学位，主要从事仪器分析、原子分子光谱分析、激光拉曼光谱、电化学分析测试及在线联用检测等方面的研究。

E-mail: liuwh@zjut.edu.cn

滕渊洁(1983-)，女，浙江台州人，博士，讲师，2011年于华东理工大学获得博士学位，主要从事表面增强拉曼光谱的痕量分析、电化学-表面增强拉曼光谱联用表面分析、光电小型快速检测分析等方面的研究。

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

浙江省公益性技术应用研究(分析测试)计划项目(2015C37068)； 浙江省自然科学基金(LQ17B050002)资助项目

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)