(Au-Probe)@SiO2单层纳米粒子膜制备及表面增强拉曼光谱研究

刘 恪， 张晨杰， 徐敏敏， 姚建林

苏州大学材料与化学化工学部， 江苏 苏州 215123

引 言

表面增强拉曼光谱(SERS)由于其高增强效应和高选择性， 在表面科学领域的研究中具有巨大优势， 在化学、 材料科学、 纳米科学及生命科学等领域的基础和应用研究中应用广泛， 如电催化[1]、 高分子材料[2]、 生物传感器、 单分子检测[3]等。 研究表明， 金属基底的种类、 表面粗糙度、 表面形貌结构、 粒子的大小及间距等因素均显著影响SERS信号[4-6]。 表面等离激元共振(surface plasmons resonance, SPR)作为SERS信号的最主要贡献者， 同时受基底状态、 激发波长、 周围环境等多种因素的影响[7-9]。 而SERS的应用环境如空气， 水、 有机溶剂等介质也对检测也产生重要影响。 因此， 有必要研究SERS效应的影响。

迄今为止， 对影响基底增强效应的多种因素已有广泛研究， 然而对所处环境介质的影响研究鲜有报道， 究其原因， 主要是大多数SERS基底的均匀性与重现性较差， 难以进行横向的对比， 进而无法准确、 灵敏地分析环境改变对SERS效应的影响。

Li等[11]发明了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy, SHINERS)， 将具有高SERS效应的金或银纳米粒子表面包裹一层超薄致密无针孔的惰性SiO2或Al2O3壳层， 以壳层内的金、 银纳米粒子为电磁场增强源。 作为一种非接触模式， SHINERS模型避免了待测分子与SERS增强源间的直接接触， 使结果更具真实性， 能准确反映分子在目标基底上的吸附行为[11]， SHINERS技术的出现再次将SERS的普适性、 灵活性和便捷性提升到新的高度， 这类基底若能进行组装， 则可望得到具有较好重现性的SERS基底。

本研究制备了Au@SiO2二元核壳结构， 将探针分子修饰在包裹层内， 形成(Au-probe)@SiO2粒子， 分别以对巯基苯甲酸(pMBA)和对硝基苯硫酚(PNTP)为探针， 制备不同粒径的(110 nm Au- pMBA)@SiO2和(55 nm Au- PNTP)@SiO2二元核壳纳米粒子， 由于探针分子的表面覆盖度确定， 通过探针分子的SERS信号可反映SERS基底的增强行为， 因此在研究外界环境的影响时具有显著的优越性。 通过液液两相界面法制备(Au-probe)@SiO2纳米粒子的单层膜(nanoparticles monolayer films, NMFs)， 以此为SERS基底， 考察了介质环境对SERS效应的影响。

1 实验部分

1.1 Au纳米粒子的制备

(1)15 nm Au纳米粒子的制备。 100 mL的0.01%(w/v%)的氯金酸水溶液剧烈搅拌下加热至沸腾， 迅速注入2 mL 1%(w/v%)柠檬酸钠水溶液， 溶液由浅黄色变黑再逐渐变为亮红色。 继续搅拌回流15 min后冷却至室温， 即得到15 nm Au纳米粒子。

(2)55 nm Au粒子的制备。 与15 nm Au制备类似， 注入0.75 mL 1%(w/v%)柠檬酸钠水溶液即可。

(3)110 nm Au的制备。 取400 μL的15 nm Au纳米粒子溶胶加入96 mL超纯水、 220 μL 1%(w/v%)的柠檬酸钠水溶液和1 mL 1%(w/v%)氯金酸水溶液， 搅拌下快速注入1 mL 3.3 mg·mL-1的对苯二酚水溶液， 溶液即刻由淡黄色变为紫黄色， 直到变为土黄色， 即得到110 nm的Au纳米粒子， 将制备的110 nm Au放置过夜， 于90 ℃下加热煮沸1 h去除还原剂， 冷却备用。

1.2 (Au-probe)@SiO2二元纳米粒子的制备

参照文献[10]的方法， 在Au纳米粒子表面包裹SiO2壳层。 由于在其内嵌入探针分子， 需对制备步骤稍加修正。

(1)取10 mL 110 nm Au纳米粒子溶胶加入15 μL 1 mmol·L-1的pMBA乙醇溶液， 搅拌30 min后加入135 μL 1 mmol·L-1的(3-巯丙基)三甲氧基硅烷(MPTMS)乙醇溶液， 再次搅拌15 min后加入1 080 μL 0.54(w/v%)的Na2SiO3水溶液(pH 10.5左右)， 3 min后立即转移至96 ℃的水浴中， 反应1.5 h， 取出置于冰水浴中急速冷却至室温， 离心清洗2～3次， 即可得到以110 nm Au为内核的(Au-pMBA)@SiO2， 浓缩至5 mL待用。

(2) (55 nm Au-PNTP)@SiO2二元核壳纳米粒子的制备方法与(110 nm Au-pMBA)@SiO2相似， 其中使用的探针分子为PNTP， 硅烷偶联剂为氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)的水溶液， 96 ℃的水浴锅中反应时间为0.5 h， 其余实验条件均保持不变。

1.3 液液界面(Au-probe)@SiO2二元纳米粒子单层膜的制备

采取液液两相界面法制备(Au-pMBA)@SiO2二元纳米粒子单层膜。 首先， 取2 mL浓缩后的(Au-probe)@SiO2溶胶加入至10 mL小烧杯中， 再加入400 μL甲苯， 形成甲苯在上层、 溶胶在下层清晰的油水两相界面。 沿烧杯壁缓慢滴加DMF， 发现粒子由水相向油相运动， 并在两相界面上被捕获形成单层纳米粒子膜。 静置1 min后， 再沿着烧杯壁缓慢滴加丙酮。 迅速用提拉法将单层膜转移至硅片表面， 以无水乙醇多次冲洗后晾干备用。

1.4 拉曼光谱测定

首先在干燥基底上测得探针分子的SERS谱图。 随后， 在基底表面滴加少量的液体介质， 获得介质环境中的SERS谱图。 由于表面张力， 液滴在基底表面呈中间厚边缘薄的半球形。 激光在穿透该液膜时会发生反射和折射等光学过程， 降低了到达基底表面的激光功率， 从而降低SERS信号。 为了降低该现象对实验的影响， 采用在样品表面覆盖极薄的石英片的方法， 有效削弱光的衰减。

2 结果与讨论

2.1 纳米粒子和单层膜的形貌表征

纳米粒子表征图1(a)和(c)是合成的55和110 nm的Au纳米粒子的TEM图。 由图可见， 两种纳米粒子均呈准球形。 图1(b)和(d)为(Au-probe)@SiO2二元核壳纳米粒子的TEM图， 其中b以55 nm Au为核， 平均壳层厚度约为3.5 nm， d以110 nm Au为核， 平均壳层厚度约为4.0 nm， 所制备的SiO2壳层连续性、 完整性和均一性良好。

单层膜的形貌表征图2(a)和(b)分别为SiO2壳层厚度为3.5 nm的(55 nm Au-PNTP)@SiO2和壳层厚度为4 nm的(110 nm Au-pMBA)@SiO2二元纳米粒子单层膜的SEM。 纳米粒子排列紧密， 分散性较好， 几乎未观察到双层或多层结构。

图1 55 nm Au (a), (55 nm Au-PNTP)@SiO2 (b), 110 nm Au (c) and (110 nm Au-pMBA)@SiO2 (d)纳米粒子的TEM形貌图

图2 (55 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜(a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜(b)的SEM表征(标尺： 200 nm)

2.2 单层膜的性能表征

虽然由之前的TEM表征可初步判断核壳结构纳米粒子壳层结构的完整性， 但由于不同Au晶面上Na2SiO3的水解速率可能存在差异， 导致其壳层包裹和生长的速度快慢不一， 从而形成不连续岛状结构SiO2。 因此， 进一步借助CV技术对粒子的壳层结构进行考察。 将(Au-probe)@SiO2纳米粒子浓缩液滴加在玻碳电极表面进行CV测试(如图3所示)， 其中(c)为未包裹SiO2的110 nm Au的CV曲线， 可以明显观察到位于1.3 V左右的Au的氧化峰和位于0.8 V左右的还原峰。 (a)和(b)的CV曲线上均未观察到上述两个峰， 表明此时溶胶中所有的粒子均处于完全包裹的状态。

若SiO2壳层存在微小针孔， 但整体壳层是连续的， 依然可以将内核Au与电极隔绝， 从而使Au纳米粒子不会发生电化学氧化还原反应。 为此， 选取吡啶(Py)为探针分子对SiO2壳层进行针孔效应测试。 滴加5 μL 10 mmol·L-1的吡啶(Py)水溶液在所制备的(55 nm Au-PNTP)@SiO2或(110 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜表面， 盖上石英片， 等待3 min后进行SERS检测， 结果如图4。

图3 (55 nm Au-PNTP)@SiO2 (a), (110 nm Au-pMBA)@SiO2 (b)和110 nm Au (c)纳米粒子的循环伏安曲线

通常， 若未检测到吡啶的SERS信号， 则表明SiO2壳层致密无针孔。 图4(a)和(b)中， 曲线(1)为预吸附了探针分子的单层膜的谱图， 所观察的为典型的探针分子的特征SERS光谱， 曲线(2)为滴加了吡啶溶液后测得的谱图。 在所制备的(55 nm Au-PNTP)@SiO2和(110 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜上的吡啶测试中， 位于1 013 cm-1(吡啶的ν1环呼吸振动)以及1 038 cm-1(吡啶的ν12对称三角环呼吸振动)处[12]的吡啶SERS特征峰均未出现， 如图4(a)和(b)中曲线(2)所示； 表明制备的二元核壳纳米粒子的SiO2壳层是致密、 无针孔。

研究介质对SERS效应的影响， 需在多个基底上进行横向的比较， 进而准确、 灵敏地分析介质的改变对SERS效应的影响。 这对研究所使用的基底均匀性提出较高的要求。 在二元核壳纳米粒子单层膜表面任意选取7 μm×10 μm的区域， 以1 μm为步长， 对其进行SERS的mapping测试， 考察基底的SERS信号均匀性， 结果如图5(a)和(b)所示。 (55 nm Au-PNTP)@SiO2单层膜上PNTP位于1 338 cm-1处峰强度的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)约为5.38%[见图5(a)]， (110 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜上pMBA位于1 077 cm-1处峰强度的RSD约为5.97%[见图5(b)]， 通常RSD为10%以内则证明基底的均匀性较好， 因此两种二元核壳纳米粒子单层膜的SERS均匀性良好。

2.3 介质对(Au-probe)@SiO2膜SERS影响

SERS增强因子与金属的介电常数、 介质的介电常数密切相关。 介质的折射率数值上等于相对介电常数的平方根， 因此， 可以选择不同折射率的介质研究介电常数对SERS的影响。 在对Au@SiO2进行针孔测试时， 对Au@SiO2单层膜表面滴加水溶液， 可看作Au@SiO2介质由空气变为水， 对比图4(a)和(b)中曲线(1， 2)可知， 水层的加入导致SERS信号强度略降低， 主要由于液体介质和石英片的存在， 导致激光和SERS信号穿透液层时不可避免地发生吸收、 折射和反射等光学过程， 从而使SERS信号略有降低。

图4 (55 nm Au-PNTP)@SiO2单层膜(a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2单层膜(b)表面吡啶的SERS光谱

图5 PNTP吸附在(55 nm Au-PNTP)@SiO2 (a)和(110 nm Au-pMBA)@SiO2(b)单层膜表面的SERS成像光谱

已有文献报道当Au纳米粒子间距较小或处于聚集状态时， 其SPR吸收峰位置向长波长方向移动； 反之， 当Au纳米粒子间距较大或处于分散状态时， 其SPR吸收峰位置则向短波长方向移动[13]。 在目前研究中， (110 nm Au-pMBA)@SiO2粒子壳层厚度约为4.5 nm， 基底上粒子间间距较大， SPR吸收峰向低波长方向位移。 且由于粒子间距的增加， 相邻Au纳米粒子之间的“热点”效应急剧减小[14]， 导致信号强度显著降低。 (55 nm Au-PNTP)@SiO2粒子壳层厚度约为3.5 nm， 相比于(110 nm Au-pMBA)@SiO2基底SERS活性更强， 为此选用该基底进行不同介质及不同激发线下SERS效应的研究， 结果如图6(a)和(b)。 在不同波长下， 介质由空气变为水时， SERS信号几乎不发生改变。 由于纳米粒子间距较小， Au纳米粒子之间的“热点”效应较强， SERS信号明显强于(110 nm Au-pMBA)@SiO2基底， 因此， 液膜对激光和SERS信号的衰减的影响较小， SERS信号的降低可以忽略。 值得说明的是， 由于不同激发光下纳米粒子对分子拉曼信号的增强具有谱峰位置关联性， 以及检测器对不同波长的响应效率存在差别， 由此导致检测到或收集到的拉曼信号相对强度发生变化。

根据本课题组以往研究， 在Au纳米单层膜表面存在一定的水溶液时， 其SERS信号显著增强， 这由于Au周围的介质发生变化所致， 理论模拟表明其SPR的位置发生位移， SPR与所用的激光更加匹配， 由此SERS信号增强[16]。 本研究中的二元核壳纳米粒子单层膜表面， Au核被致密无针孔效应的SiO2壳层包裹， 且探针分子内嵌其中， 由此完全隔绝了电磁场增强源Au纳米粒子及探针分子与介质的直接接触， 当改变基底上的介质时， 实际上Au核所处的介质环境仍为SiO2(n=1.57)， 因此SERS信号不发生改变。 在上述实验中， 还发现作为探针分子的PNTP或pMBA， 由于被包裹在SiO2壳层内， 介质溶剂及氧气等均无法参与反应， 因此探针分子未发生SPR催化反应， 始终保持稳定的光谱特征。 在SiO2的隔绝下， 作为电磁场增强源的Au与变化的介质环境隔绝， 故在(Au-probe)@SiO2二元核壳纳米粒子单层膜上， 改变外部介质的折射率， 无法引起SERS效应的变化， 证明基底上的SERS效应只与电磁场增强源周围的局部折射率相关。 由此可见类内嵌探针分子的二元核壳纳米粒子单层膜可作为一种多环境介质下使用的SERS基底， 即可作为增强源用于高灵敏度检测， 又可作为稳定的内标或标记。

图6 (55 nm Au-PNTP)@SiO2单层膜分别在638 nm (a)和785 nm (b)激光下空气和水中的SERS光谱

3 结 论

合成了内核尺寸及修饰分子不同的两种(Au-probe)@SiO2二元核壳纳米粒子， 并通过液液两相成膜的方法制备了单层膜SERS基底。 该基底以壳层内的金纳米粒子作为电磁场增强源， 具有较高的检测灵敏度和较好的均匀性。 同时， 通过超薄致密无针孔的惰性SiO2壳层包裹高SERS效应的金纳米粒子， 避免介质环境与待测分子和SERS增强源间的直接接触。 在两种基底上， 不同激发波长下， 改变外部介质， SERS效应均不发生明显变化， 表明介质需直接接触SPR增强源才对SERS产生显著影响。 此类基底在高灵敏度检测以及作为稳定SERS内标方面具有重要潜在用途。