Application of Ag Nanoparticle-Modified Fiber Probe for Plasmonic Catalysis Reaction

ZHANG Shushan, ZHOU Jianzhang , WU Deyin, TIAN Zhongqun

State Key Laboratory of Physical Chemistry of Solid Surfaces, Department of Chemistry, College of Chemistry and Chemical Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, Fujian Province, P. R. China.

Abstract: In this study, a localized surface plasmon resonance (LSPR) fiber probe modified with Ag nanoparticles(NPs) was developed. The LSPR fiber probe not only serves as a reaction substrate for plasmonic catalysis, but also detects in situ surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) signals from the reaction product, thereby achieving the integration of the plasmonic catalysis reactions and SERS signal detection. To fabricate the LSPR probe, plasmonic Ag NPs were first selfassembled on the surface of the fiber probe with assistance by the amination and silanization of (3-aminopropyl) trimethoxysilane (APTMS) molecules. p-Aminothiophenol (PATP) was chosen as a model molecule for plasmonic catalytic reaction. By regulating the self-assembly time of the Ag NPs, a uniform distributed monolayer of Ag NPs was formed on the surface of the probe, with which excellent plasmonic catalysis effects and SERS signal collection from the reaction product of 4,4′-dimercaptoazobenzene (DMAB) were achieved. It was found that the characteristic SERS signal of the plasmonic catalytic reaction product DMAB obtained from internal excitation and collection was 12.8 times more intense than that from the external excitation and collection under the same laser intensity conditions, demonstrating that the internal excitation and collection method was advantageous in the plasmonic catalysis and SERS signal detection. The LSPR fiber probe was demonstrably qualified to quantitatively detect the concentrations of PATP solutions in the concentration ranges 10-4-10-8 mol∙L-1. Using the LSPR fiber probe, we also realized an in situ kinetics study of the PATP coupling reaction enhanced by plasmonic catalysis. The results showed that the Ag NP-based LSPR fiber probe with internal excitation and collection modes had the advantages of high sensitivity, low cost, facile preparation, and most importantly, applicability to in situ detection in a flexible manner with less damage to the samples.The preliminary study also indicated that it was feasible to combine the LSPR fiber probe with near-field scanning optical microscopy, not only to obtain morphological images of the surface but also to simultaneously perform the plasmonic catalysis reaction and the detection of micro-domains of the surface. This permitted the acquisition of a two-dimensional distributional assessment of surface reactions by the plasmonic catalysis.

Key Words: Ag nanoparticles modified fiber probe; Plasmonic catalysis; Surface-enhanced Raman detection;p-Aminothiophenol; 4,4′-Dimercaptoazobenzene

1 引言

当入射光频率与金属纳米结构表面的电子集体振荡频率相一致时，会产生共振，这种现象称之为局域表面等离激元共振(LSPR)1。当金属纳米结构之间的间隙在数纳米时，由于近场耦合效应，耦合处的局域电磁场会极大地增强，甚至高达数百万倍。当目标分子位于此局域电场(热点)中，将极大增强其表面增强拉曼光谱(SERS)信号2。不同种类的 SERS活性基质和贵金属纳米粒子(例如 Au和 Ag)在平坦基底(例如硅片3、载玻片4和石英片5)上的研究已有大量文献报道。相比于传统SERS基底，光纤可用于远程检测待测物，也可用于受限区域的检测，为原位化学检测和有机活体内检测提供可能性，还可用于有毒且易挥发等会污染光学镜头物质的检测。此外，光纤探针可简化光学准直校正过程，增强SERS激发和收集效率6，因此基于 SERS的光纤传感器展现出了良好的应用前景7,8。

光纤探针末端的外形结构从最初尖端平直光纤9，到具有一定锥角光纤10乃至尖端锥型光纤7。其中锥型光纤探针可为激发光和 SERS活性材料提供更大的反应面积，且具有较高的光传输效率10。在光纤末端组装或制备具有 LSPR效应的金属纳米结构的方法有激光诱导法11、真空蒸镀法12、斜角溅射13等。这些方法方便快捷，纳米结构单元在表面的附着力也较好，但在精确控制金属纳米粒子粒径和形状上具有较大的局限性。将非原位制备的纳米粒子通过一定方式修饰到探针表面，则是另外一种技术路径。如Liu等7采用的纳米溶胶自组装法，在非共价键的作用下，使得纳米粒子自发的聚集在光纤表面。由于这类制备方法中纳米粒子的合成和自组装到光纤上的过程分开进行，可将其他方法合成的特定形貌尺寸的纳米粒子修饰到探针上，如三角形、立方体以及核壳型纳米粒子等均可作为活性材料。LSPR效应与纳米粒子形状和尺寸密切相关14，因而有利于获得具有各种独特 LSPR效应的光纤探针。此法的不足在于纳米粒子修饰到表面的附着力较差，为此还可进一步通过添加分子偶联剂15等来增强附着效果。

近年来，LSPR增强光化学反应受到广泛关注16-18。Linic等19设计等离激元催化剂，用于催化一氧化碳和乙烯的加成反应，大大提高了反应的选择性。Halas等18利用Au NPs作为等离激元催化剂，在不同波长下进行氢气解离的研究。但在等离激元催化过程中的光能利用效率仍然远远低于半导体催化剂，如何提高在金属纳米结构上光能利用率的问题仍然亟待解决。对于等离激元催化反应机理，目前存在三种观点，表面局域电磁场增强机理、光激发电子转移机理和光热效应20。然而，有关增强机理的探讨仍有待深入研究。提供更多的等离激元催化化学反应的原位检测的手段对于研究反应和机理是十分必要的。

本文提出利用末端修饰 Ag纳米粒子的光纤作为一种LSPR探针，研究等离激元催化反应。首先采用化学刻蚀法将其末端制成具有纳米尖端的锥型探针，再通过硅烷类分子偶联剂将球形 Ag NPs自组装到光纤末端；选用对巯基苯胺(PATP)作为模型分子，探索利用 LSPR光纤探针作为等离激元催化反应及 SERS检测基底探针，实现反应与检测一体化。我们探讨了不同激发波长、纳米粒子自组装时间对PATP分子偶联反应的影响；通过激发光从光纤内外部激发对比实验，探究内激发方式是否具有优势；利用不同浓度的PATP溶液研究其对分子吸附及信号检测的影响；利用LSPR光纤探针实现了对 PATP分子偶联反应的动力学过程原位研究；并初步将该 LSPR光纤探针结合扫描近场显微镜对样品表面进行扫描成像，探索进一步将其应用于样品表面微区反应及二维分布测定的可行性。

2 实验部分

2.1 材料与试剂

多模光纤(包层 125 μm，芯径 105 μm，数值孔径 0.22)购于上海闻奕光电科技有限公司；3-氨基丙基三甲氧基硅烷((3-Aminopropyl) trimethoxysilane，APTMS，97%)，对巯基苯胺(paminothiophenol，PATP，98%)购于美国 Alfa Aesar；氢氟酸(HF，40%)、浓盐酸(HCl，36%-38%)、浓硝酸(HNO3，65%-68%)、浓硫酸(H2SO4，98%)、双氧水(H2O2，≥ 30%)、硝酸银(AgNO3，≥ 99.8%)、聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone，PVP，(K值27.0-32.4))、氯化钠(NaCl，≥ 99.5%)、抗坏血酸(AA，≥ 99.7%)和氢氧化钠(NaOH，≥ 96.0%)均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司，所有化学试剂未经进一步提纯。实验所用玻璃仪器经王水(浓盐酸和浓硝酸以体积比3 : 1混合)和食人鱼溶液(浓硫酸和双氧水以体积比3 : 1混合)浸泡后，超纯水冲洗干净。实验用水均为电阻率 18.2 MΩ·cm的超纯水。

2.2 仪器

实验中涉及的形貌及尺寸表征采用日本Hitachi公司的S4800 FESEM型扫描电镜(SEM)；纳米粒子的紫外-可见吸收光谱采用日本岛津公司生产的UV2550紫外-可见分光光度计；光纤探针的熔接采用南京迪威普光电技术有限公司生产的光纤熔接机(DVP-740)；SERS检测采用英国Renishaw 公司生产的共聚焦拉曼光谱仪RenishawinVia，配有波长 532 nm 激光器、波长632.8 nm激光器、波长785 nm激光器；光纤探针对样品扫描成像采用俄罗斯NT-MDT公司生产的NTEGRA Solaris。

2.3 Ag NPs的合成

2.3.1 AgCl前驱体的合成

用40 mL去离子水将0.17 g PVP溶解于100 mL烧瓶中，磁力搅拌溶解完全，然后加入0.17 g的 AgNO3，最后加入 400 μL 的 5.0 mol·L-1NaCl溶液，暗室环境下搅拌15 min后备用。

2.3.2 Ag NPs的合成

取 0.05 mol·L-1的抗坏血酸溶液 40 mL加入4.4 mL 0.5 mol·L-1NaOH溶液中，然后加入5.0 mL新制备的AgCl前驱体，暗室环境下搅拌2 h，得到直径约90 nm的Ag NPs，分别用去离子水和乙醇超声清洗多次备用。

2.4LSPR光纤探针的制备

2.4.1锥型光纤探针的制备

采用化学刻蚀法制备纳米尖端的光纤探针。用光纤钳剪下15 cm的多模光纤，一端剥去2 cm涂覆层(A端)，用于制备锥型探针，另一端剥去3 cm涂覆层(B端)，用于熔接传输光纤。两端均用光纤切割刀切平，保证端面平整。将光纤固定在自制光纤架上，A端2 cm浸入食用油液封的氢氟酸溶液中2 min，使光纤表面粗糙化，而后将光纤上移，使末端浸入刻蚀液中 20 min，尖端刻蚀一定的锥角后取出，用去离子水浸泡清洗备用。

当保持刻蚀条件相同时，不同光纤刻蚀后基本具备相近尺寸，图S1 (见Supporting Information)为不同光纤探针SEM形貌图，取光纤刻蚀后尖端部位(图中红线区域)，分别测量四根光纤的母线和底面直径。对光纤圆锥区域表面积 S1，圆柱区域表面积S2以及自组装有Ag NPs区域总面积S进行计算，圆锥体的侧表面积计算公式为：S1=πDL/2；圆柱型区域表面积计算公式为：S2= πDh；故自主装有 Ag NPs区域总面积 S = πDL/2 + πDh。其中D为圆锥体底面直径，L为圆锥体母线长，π为圆周率，h为圆柱体高度(本文中光纤组装 Ag NPs长度均控制在1 mm)。各项参数对比见表1，自组装有 Ag NPs区域总面积平均值为 324695.4 μm2，标准差为 918.8 μm2，说明所制备的锥型光纤探针重现性较好。

2.4.2Ag NPs修饰光纤探针

光纤探针修饰过程分为羟基化，氨基化，自组装Ag NPs三部分。首先将光纤尖端浸泡在食人鱼溶液中30 min，使其羟基化；去离子水清洗后，将尖端浸泡在氨基硅烷溶液(APTMS 330 μL，0.1 mol·L-1HCl溶液 30 μL，30 mL 去离子水)中 12 h，使其充分氨基化；去离子水清洗后，将探针尖端1 mm浸泡在Ag NPs溶胶中进行自组装过程，然后取出备用。探究 Ag NPs不同自组装时间对探针LSPR效应的影响时，自组装时间采用1、3、6、9、12、24 h；其余实验则采用Ag NPs自组装时间6 h的光纤探针。

表1 不同光纤探针各项参数Table 1 Parameters of different fiber probes.

2.5LSPR光纤探针上PATP分子等离激元催化反应及SERS信号的检测

LSPR光纤探针上PATP分子等离激元催化反应及SERS信号的检测装置如图 1所示。刻蚀并组装 Ag NPs后的锥型光纤探针通过光纤熔接机接入传输光纤，熔接后光损耗为极小(0.00 db)。本实验采用拉曼镜头为10倍NA 0.25的物镜，光照时间10 min，采集时间10 s。本实验采用PATP分子作为等离激元催化反应物，先用去离子水配制浓度为 1.00 × 10-3mol·L-1的 PATP 溶液，然后采用 10 倍稀释法依次配制 1.00 × 10-4、7.00 × 10-5、5.00 × 10-5、3.00 × 10-5、1.00 × 10-6、1.00 × 10-7、1.00 × 10-8、1.00 × 10-9mol·L-1的 PATP 溶液，同一浓度条件下，分别采用 3根制备条件相同的光纤探针进行等离激元催化反应并检测SERS信号。激发光从光纤内部激发时，光功率的大小从光纤末端检测；激发光从光纤外部激发时，光功率的大小均从光斑对焦到光纤表面处检测。探究不同激发方式等离激元催化所需最小光功率密度实验采用不同光功率密度，其余实验采用光纤末端光功率密度4.6 × 10-4W·cm-2；探究激光对等离激元催化的影响实验时采用不同波长激光，其余实验均采用532 nm激光作为激发光；探究PATP浓度对分子吸附及信号检测的影响，采用实时检测(边吸附边反应)的方式光照 10 min检测不同浓度的PATP溶液的等离激元催化反应所得SERS信号，其余实验光照前在 1.00 × 10-4mol·L-1PATP 水溶液中浸泡吸附5 min，使其充分吸附后再进行等离激元催化反应。

图1 LSPR光纤探针等离激元催化反应和SERS信号检测装置及光纤探针制备过程示意图Fig. 1 experimental installation of plasmonic catalysis reaction and SERS detection using the LSPR fiber probe and the process of fiber probe preparation.

3 结果与讨论

3.1 LSPR光纤探针的表征

尺寸范围约为10-200 nm的贵金属纳米粒子具有较强的LSPR特性，当纳米粒子粒径较小时，可提高检测分辨率，但其散射信号较弱；当纳米粒子粒径较大时，散射信号得到增强，有利于提高信噪比，但会出现四极峰，使得半峰宽变宽，降低峰检测的分辨率21。本实验采用文献方法22合成Ag NPs，由图 S2a，b (见 Supporting Information)的形貌图可见：所得粒子尺寸分布较均一，粒子间不易团聚，分散性较好。由Ag NPs粒径分布统计(图S2c)可知，粒子尺寸主要分布在88-90 nm；由Ag NPs的紫外-可见吸收光谱图(图S2d)可知，最大吸收峰位置出现在412 nm，半峰宽约为80 nm，进一步说明所合成的Ag NPs粒径较均一，尺寸分布较窄。此法制备的Ag NPs有利于后续在光纤探针表面自组装形成单粒子层，且合成步骤简单。

图2a，b是光纤探针刻蚀后的SEM图。由图可知，光纤末端呈较规整的圆锥型。图2b显示尖端尺寸约50 nm。图2c，d为光纤末端组装Ag NPs后的SEM图，Ag NPs的自组装时间为6 h，由图2c局部放大图可以看出，相对于未经硅烷化处理的光纤探针(见图S3，Supporting Information)，可使Ag NPs较均匀地组装在光纤表面，且大部分呈单层吸附。图2d为图2c尖端放大部分，探针尖端修饰有Ag NPs，使得尖端尺寸近似为单颗粒Ag NP大小。这表明有可能在尖端修饰上相应尺寸的单颗纳米粒子，从而进一步用于提高对样品表面扫描成像的空间分辨率。

图2 光纤探针刻蚀后(a, b)及组装上Ag NPs后的SEM图(c, d)Fig. 2 SEM images of fiber probe after etching (a, b) and assembly of Ag NPs (c, d).

取光纤表面不同位置区域考察Ag NPs分布情况，如图S4 (见Supporting Information)。不同位置处的 Ag NPs在光纤表面基本都呈现单层分布，用Image J软件分别对图中粒子所占百分比进行分析，得到三图中Ag NPs覆盖率分别为90.3%、88.7%、86.1%，平均覆盖率为88.4%。说明Ag NPs在光纤表面覆盖度较高，且分布较均匀。综合上述表征可知，本实验所用光纤探针制备方法重现性好，纳米粒子在光纤表面分布较均匀且基本呈单层吸附。

3.2LSPR光纤探针在PATP等离激元催化反应研究中的应用

PATP分子是SERS研究中最重要的分子之一23，可通过巯基吸附在绝大多数的 SERS基底上构成自组装单分子层，且能够产生非常独特的高质量 SERS信号24，其等离激元催化条件下生成 的 偶 联 产 物 4,4′- 二 巯 基 偶 氮 苯 (4,4′-dimercaptoazobenzene，DMAB)也具有较强 SERS信号，可利用SERS手段将DMAB方便检测出来，因而本文选用 PATP作为等离激元催化反应研究的模型分子。PATP分子的偶联反应方程式如下：

为了探究不同激发波长对等离激元催化反应的影响，我们以532、632.8、785 nm激光从光纤内部激发 PATP分子等离激元催化反应，此时采用从光纤末端所测光功率密度4.6 × 10-4W·cm-2。将光纤探针在10-4mol·L-1的PATP溶液中浸泡吸附5 min，光照10 min后，进行等离激元催化结果检测。由图3可知，SERS谱图中出现的主要特征峰有 1080、1145、1190、1390、1435、1580 cm-1，其中1180、1580 cm-1为PATP和DMAB共有特征峰，1145、1390、1435 cm-1为DMAB特征峰25。通过检测DMAB特征峰1145 cm-1强度变化可知，当激发光波长由532 nm可见光区域逐渐向近红外区域785 nm过渡时，DMAB分子特征峰1145 cm-1强度逐渐变弱。由于 Ag NPs的最大吸收波长在412 nm处(见图S2d)，532 nm激光较632.8、785 nm激光更接近其最大吸收波长，利于Ag NPs等离激元催化 PATP分子，产生更强的 SERS信号26，因而本文后续研究均采用532 nm激光作为激发光。

图3 不同激发波长(532, 632.8, 785 nm)对SERS信号的影响Fig. 3 Influence of different excitation wavelengths(532, 632.8, 785 nm) on SERS signals.

图4 Ag NPs不同自组装时间对反应产物SERS信号的影响Fig. 4 Influence of different self-assembly time of Ag NPs on SERS signals of the reaction product.

为了探究Ag NPs自组装时间对等离激元催化反应及 SERS检测的影响，本文对不同自组装时间进行对比实验。不同自组装时间条件下，光纤表面 Ag NPs吸附量和分布存在差异，如图 S5 (见Supporting Information)，自组装时间为1、3 h时，纳米粒子在光纤表面吸附量较少且分散稀疏；自组装时间为6 h，粒子在光纤表面基本呈现满单层吸附且粒子间间距较小；当自组装时间为9、12、24 h时，纳米粒子紧密堆积形成多层状态。对应图4所得等离激元催化反应后的 SERS谱图结果可知，自组装时间过短和过长都不利于光纤表面Ag NPs对 PATP分子的等离激元催化反应及SERS信号检测。这是由于光纤探针上自组装的Ag NPs之间的间隙小到数纳米时，由于耦合作用LSPR电磁场可大大增强，进而增强SERS27。自组装时间过短，使得Ag NPs覆盖量较少且粒子间间隙过大，表面缺乏热点，等离激元催化反应不易进行；自组装时间过长，Ag NPs覆盖量较多，粒子间过于紧密堆积也会导致热点减少，且过厚Ag NPs层也会影响光纤探针对SERS信号的收集28。图 4右上角插图为不同自组装时间所得等离激元催化反应产物DMAB特征峰1145 cm-1峰强变化趋势。由图可见，当Ag NPs自组装时间为6 h时，光纤探针组装Ag NPs等离激元催化PATP反应及信号收集可达到最佳效果。因而本文对纳米粒子自组装时间均控制在6 h。

虽然光纤传感具有多场合原位检测等优点，但是激光引入光纤后，照射到样品上的光强度比起物镜直接聚焦照射的强度弱了很多，这是否不利于等离激元催化反应和产物的 SERS信号检测？为了揭示这个问题，我们进行了光纤内外两种激发及收集方式的等离激元催化反应对比实验。图 5a，b为激发光分别从光纤内外部激发和收集装置示意图。对比两种激发及收集方式下反应后产物DMAB的SERS信号可知(以特征峰1145 cm-1的强度作为比较，图5c)，内激发及收集方式所得 SERS信号为外激发及收集方式所得信号强度的12.8倍。激发光从光纤内部激发时，光纤锥形尖端表面上绝大多数Ag NPs和PATP均可发生反应，反应面积为324695.4 μm2；激发光从光纤外部激发时，光纤表面只有聚焦光斑所在区域发生反应，10 × 0.25 NA物镜光斑直径为2.6 μm，面积为5.3 μm2。由于物镜与光纤耦合时存在光损，内激发及收集方式实际所用功率为物镜输出的40%，光纤表面等离激元催化所用光功率密度为4.6 × 10-4W·cm-2，外激发及收集光功率密度为69.4 W·cm-2。在内激发及收集所用光功率密度小于外激发及收集所用光功率密度条件下，内激发及收集所得信号反而强于外激发及收集所得信号。我们认为有如下几个原因：(1) 有文献发现，背光侧(类似内激发)产生的SERS信号比近光侧的(类似外激发)明显要强，理论模拟表明背光侧的场强约是近光侧的 2倍29。所以内激发方式较外激发具有更明显的电磁场增强效应。(2) 虽然内激发所用光功率密度远小于外激发光功率密度，但光照10 min后，内外激发条件下反应均达平衡，而内激发时反应面积存在较大优势，Ag NPs及PATP分子参与数量较多，对等离激元催化反应及信号的收集贡献较大。(3) 本文中Ag NPs的满单层分布可使激光在锥型尖端发生多次反射10(如图 5a所示)。多次反射可提高光子利用效率，增强LSPR电磁场，促进PATP反应，还可提高SERS信号收集效率，增强SERS信号。

为了研究 PATP等离激元催化反应及信号收集内、外方式所需最小激光强度，我们进行了最小激光强度对比实验。以Ag纳米粒子修饰光纤探针吸附有 PATP分子等离激元催化反应后所得 1145 cm-1峰强/未吸附 PATP分子时光纤探针在 1145 cm-1处所得基底信号，即ISERS(1145 cm-1)/Inoise(1145 cm-1)，分别得到内激发及收集方式(图 5d)和外激发及收集方式(图5e)信噪比—光强关系曲线图。由图可知，由于前期光强较弱，1145 cm-1峰SERS信号并不明显，因而所得信噪比变化较小；随着光强的增强，1145 cm-1峰在某光强下产生明显SERS信号，信噪比发生明显变化，而后所得信噪比随着光强增强迅速变大。延长两阶段变化曲线交于一点，得到Ag NPs修饰光纤探针对PATP等离激元催化及 SERS信号检测所需最小光强，外激发及收集条件下光强为 6.1 W·cm-2，内激发及收集条件下光强为1.1 × 10-4W·cm-2。由此可知，激发光从光纤探针内部激发及收集所需最小光强远小于从外部激发所需光强，说明内激发及收集方式具有更强SERS信号、对样品损坏较小的优势。在此基础上，光纤探针可应用于对光热敏感且信号较弱样品的检测。

图5 不同激发方式示意图及所得SERS信号：(a) 内部激发；(b) 外部激发；(c) 物镜输出相同激光功率密度69.4 W·cm-2条件下内(红线)、外(黑线)激发所得信号；(d) 内激发及收集方式和(e)外激发及收集方式在1145 cm-1处所得信噪比-光强关系曲线图Fig. 5 Diagram of different excitation modes and SERS signals: (a)internal excitation; (b)external excitation; (c) SERS signals obtained by internal (red curve) and external excitation (black curve) under the same laser power intensity of 69.4 W·cm-2 outputted by objective lens; Relationship between ratio of signal to noise and laser power intensity at 1145 cm-1 under the internal excitation and collection mode (d) and external excitation and collection mode (e).

图6 (a) 不同浓度的PATP溶液中反应产物的实时检测SERS信号图；(b) DMAB特征峰1145 cm-1随PATP浓度变化趋势图Fig. 6 (a) Real-time detection of SERS signals of the reaction product in PATP solutions with different concentrations ; (b)Tendency of DMAB characteristic peak 1145 cm-1 with different PATP concentration.

在光纤探针体系中，为了研究不同浓度的PATP溶液对等离激元催化及信号检测的影响，我们采用边吸附边反应的方式对不同浓度的 PATP溶液进行检测。如图6a所示，随着PATP浓度的降低，光纤探针等离激元催化后所得产物DMAB特征峰 1145 cm-1随之减弱，当 PATP浓度低至10-8mol·L-1时，光纤探针仍能检测到DMAB特征峰。由图 6b 可知，当 PATP 浓度(10-8-10-6mol·L-1)较低时，1145 cm-1峰强与PATP浓度基本呈线性关系；当 PATP浓度较高时，1145 cm-1峰强随PATP浓度的增加缓慢增强而后趋近不变。由于本实验中，Ag纳米粒子在光纤表面呈现均匀满单层分布状态，假设PATP分子在Ag纳米粒子表面平行排列，根据最大分子层计算方法，虽然Ag粒子与―SH间采用非平行络合方式，但也可近似认为PATP分子单层吸附30,31。DMAB特征峰1145 cm-1的强度I与PATP在Ag粒子上的表面覆盖度成比例32，而本实验采用实时检测8方式，PATP在光纤探针表面的吸附过程不可忽略，我们采用Langmuir吸附等温式对I及PATP溶液浓度C进行拟合，得到1145 cm-1峰强与PATP溶液浓度关系如下：

其中a = 14034.3；b = 2.7；d = 0.6；C为PATP溶液的浓度。由于实际体系与理想条件存在差异，且SERS信号贡献主要来自于表面热点处的PATP分子，因而此处存在校正系数a和d。此曲线趋势与图6b的变化趋势相符，拟合相关系数的平方R2=0.995。因此，当 PATP 浓度在 10-4-10-8mol·L-1范围内时，可利用此关系式可对其偶联反应进行定量分析，即该LSPR光纤探针也可用于SERS活性分子的定量分析。

异相表面催化过程在研究催化反应中非常关键，其中原位监测催化剂表面的反应过程具有很大的挑战性。对于金属纳米粒子等离激元催化反应，SERS可通过分子的拉曼振动光谱的强度变化很灵敏地原位监测分子的变化33。为了原位探讨光纤探针表面等离激元催化反应过程，我们利用LSPR光纤探针结合 SERS检测手段，开展了对PATP分子偶联反应的原位动力学分析。SERS信号采集前，将光纤探针在10-4mol·L-1PATP溶液中静置吸附5 min，通过将采集时间设置为间隔10 s连续采集，从而记录了SERS信号强度随着光照时间延长的变化趋势(图 7a)。以光纤基底信号作为内标，对1145 cm-1的峰强归一化处理，得到图7b变化趋势图。1-60 s内，特征峰1145 cm-1信号强度随着光照时间的增加而快速增强；60-780 s内，随着反应的进行，1145 cm-1信号强度随时间变化增强速度减慢，而后趋近不变。取初始反应t = 1 s时 1145 cm-1峰强为 I0，t时 1145 cm-1峰强为It，对ln(It/I0)与t作图，如图7c，0-60 s内，ln(It/I0)与t呈线性关系，遵循准一级反应动力学过程34。此时反应速率常数k可由下式得到：

k = 0.104 s-1。反应初期，PATP在LSPR光纤探针上的等离激元催化反应速率较快，后续反应速率急剧减慢。这是由于纳米粒子之间相互耦合部位为热点位置，可极大加快反应的进行及增强SERS信号。反应初期，热点处的PATP分子等离激元催化反应及信号的收集占主导，且初期热点位置PATP分子数量较多，因而反应速率较快；随着反应的进行，光纤表面热点处已有大量 PATP分子反应达到平衡，反应速率较慢且信号较弱的非热点位置反应占主导，因而后续反应速率急剧减慢。综上，LSPR光纤探针可用于纳米粒子等离激元催化反应的动力学研究。

图7 等离激元催化反应随时间变化趋势图：(a) SERS信号图；(b) DMAB特征峰1145 cm-1随时间变化趋势图；(c) ln(It/I0)随t的变化趋势Fig. 7 Plasmonic catalysis reaction changes over time: (a) SERS signals; (b) Variation tendency of DMAB characteristic peak 1145 cm-1 over time; (c) Variation tendency of ln(It/I0) over time.

本文制备的 LSPR光纤探针借助近场扫描光学显微技术还可对样品的微纳米区间进行扫描成像，获得样品表面形貌信息，如图S6 (见Supporting Information)。图 S6a为硅基底扫描所得二维形貌图，从中可观察到硅基底为表面刻蚀有间距相等且形状规则的正方体阵列；图 S6b为硅基底扫描所得三维形貌图，纵向变化范围在0-40 nm内，故可更加清晰的观察到硅基底表面分布情况及规则正方体表面呈现凹凸不平的状态。光纤探针利用近场扫描光学显微技术对基底样品进行扫描成像时，纵向分辨率可达亚纳米级别，水平方向分辨率可达 50-100 nm (取决于探针孔径)。本文自制的LSPR光纤探针较商品化扫描近场光学显微探针(未组装纳米粒子)成本较低，组装上Ag纳米粒子后也可获得接近商品针尖的空间分辨率。因此，将该 LSPR光纤探针与近场扫描光学显微结合，还有望进一步实现对表面的等离激元催化反应和信号传感，并获得表面反应的二维分布信息(如图S6c 所示)。

4 结论

本文发展了一种Ag NPs自组装的LSPR光纤探针，研究了等离激元催化PATP分子转化为DMAB的反应。实验结果表明，自组装时间为6 h时，直径约90 nm的Ag NPs在光纤表面形成均匀分布的单层，并获得最佳的等离激元催化效果及信号收集效果；通过对比激光从光纤内、外部两种激发及收集方式，发现相同光源条件下，内部激发方式由于具有反应面积大、可多次反射、电磁场明显增强等优点，产物的SERS信号强度提高了约12倍。体现了内激发和收集方式在等离激元催化及信号收集方面具有较大优势；探针在不同浓度的PATP溶液中研究表明， PATP浓度较低时，反应产物DMAB的特征峰(1145 cm-1)强度随浓度呈线性增强，且PATP浓度在10-4-10-8mol·L-1范围内变化时，可用Langmuir吸附等温式拟合得到的关系式对PATP溶液的浓度进行定量分析；我们还采用该LSPR光纤探针对PATP等离激元催化反应过程进行了原位动力学分析，发现PATP等离激元催化反应具有2个反应阶段。在初期，反应符合准一级反应动力学过程。本文制备的Ag NPs自组装光纤探针借助近场扫描光学技术还可用于对样品进行扫描成像，结合其等离激元催化反应、信号传感功能，有望研究样品表面微区的二维反应分布。

Supporting Information:available free of charge via the internet at http://www.whxb.pku.edu.cn