银薄层控制金纳米四足体的重塑和等离激元调谐

吕洁丽 杨 变 崔 杰 孙少东

(西安理工大学材料科学与工程学院，西安 710048)

由于具有独特的局域表面等离激元共振(LSPR)特性，金纳米颗粒(GNPs)在催化、能源和生物传感例如表面增强拉曼散射(SERS)等领域有着非常广阔的应用前景，而GNPs 的SERS 活性非常依赖于其尺寸和形貌[1]，特别是具有尖锐边缘或尖端的纳米颗粒之间会产生增强的电磁场即“热点”[2]。当目标检测分子位于此“热点”中，将极大增强其SERS强度[3]。

枝状GNPs(由一个球形核心组成，其尖端的臂向外辐射)如纳米星等引起了研究人员广泛的关注，因为其更尖锐的尖端可以产生更增强的局部电场(避雷针效应)[4]和显著增强的SERS 信号[5-6]。最近，一类被称为金纳米四足体(GNTPs)的枝状纳米颗粒引起了人们的注意，其尺寸和非中心对称结构的同质性将其与尖端分布不均的金纳米星区分开[7]，且其具有四面体对称性，导致了强二次谐波的产生[8]。另外，一个最重要的区别是纳米星[9]或纳米棒[10]需要在相对较高的温度下发生重塑，而GNTPs 即使在室温下也会自发重塑。吉林大学刘堃教授课题组通过种子介导生长法合成了具有可调臂长的单分散GNTPs[11]。然而，枝状纳米颗粒在热力学上不稳定，会随着时间的推移重塑成球状，从而改变其LSPR特性。刘堃教授课题组通过添加单羟基聚乙二醇-硫醇(mPEG-SH)来阻止GNTPs 的重塑，聚乙二醇化GNTPs 的LSPR 峰在室温下1 个月或75 ℃下30 min后的移动可以忽略不计，但其LSPR 的半高宽(FWHM)相对于初始GNTPs较宽[11]，这意味着颗粒的多分散性提高，从而影响GNTPs 的后续应用，且表面聚合物的附着可能会降低纳米颗粒的功能特性[12]。

理解和控制(例如阻止)这种重塑过程对GNTPs的进一步使用非常重要，且提出一种更简便的方法来控制GNTPs 超窄的LSPR 带宽是其进一步发展的关键驱动力。因此，我们探究了不同温度以及不同的溶液成分(I-的引入)对GNTPs重塑过程的影响，揭示了GNTPs 的重塑机制。并通过调整银前驱体AgNO3与Au 的物质的量之比，得到镀银薄层的GNTPs/Ag。在此基础上，通过紫外可见近红外(UV-Vis-NIR)吸收光谱和基于同步辐射的小角X 射线散射(SAXS)进一步考察GNTPs/Ag 的稳定性及其SERS应用。

1 实验部分

1.1 实验试剂

三水合氯金酸(HAuCl4·3H2O，纯度不低于99.9%)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB，纯度不低于99%)、硝酸银(AgNO3，纯度不低于99.0%)、十六烷基三甲基氯化铵(CTAC，90%)、L-抗坏血酸(AA，纯度不低 于99%)、硼 氢 化 钠(NaBH4，99%)、氢 氧 化 钠(NaOH)、六亚甲基四胺(HMT)和4-巯基苯甲酸(4-MBA)均来自Sigma-Aldrich，无需进一步纯化。所有溶液的制备均使用去离子水(18 MΩ·cm)。

1.2 表征仪器

GNTPs 的消光光谱使用Cary 5000 UV-Vis-NIR吸收光谱测量，以双光束配置测量去离子水的吸光度作为参考。GNTPs (Au0)的浓度可以从400 nm 处的吸光度得出[13-14]。

GNTPs 的形态通过标准透射电子显微镜(TEM)来观察。在120 kV 加速电压下，使用JEOL 1400 显微镜在300目的碳涂层铜网格上获得TEM图像。颗粒呈现的视觉状态与制备的过程密切相关，GNTPs通常在2 300 r·min-1下离心后重新分散在0.2 mmol·L-1的CTAC 中，且最终颗粒的浓度约为0.75 mmol·L-1。将10 μL 的GNTPs 滴在铜网上，在70 ℃下快速干燥，以防止颗粒在干燥过程中聚集。对于有明显旋臂的GNTPs，采用ImageJ 软件获取其尺寸分布。芯径2R通过绘制颗粒中心的内切圆来估计，臂长L通过从内切圆到臂尖的距离来估计，并根据臂相对于基材的倾斜程度进行了校正(倾斜角α=19.5°)；对于重塑后臂不存在的GNTPs，使用Igor Pro 7.0 中的Image Analyze Particles 操作提取GNTPs 的尺寸，将单个颗粒建模为具有半轴长a和b的椭圆，其等效半径R=(ab)1/2。

GNTPs 的形貌由高角环形暗场扫描电子透射显微镜(HAADF-STEM)获得，其等离激元响应由单色铯校正扫描透射电子显微镜的电子能量损失谱(STEM-EELS)研究(法国巴黎萨克雷大学固体物理实验室)。将GNTPs 沉积在15 nm 厚的Si3N4网格上，在低能量范围内提供无碳背景，以便更好地观察等离激元峰。在60 keV 下获得EELS 光谱图像，空间分辨率为0.5 nm，能量分辨率为20 meV。EELS 光谱的提取方法是将纳米结构附近感兴趣区域的数百个光谱相加，并通过零损耗峰(ZLP)的强度进行归一化。

SAXS 是在SOLEIL 同步加速器(法国圣奥宾)的SWING 光束线上收集的，光束能量为16 keV，样品到探测器的距离为6.52 m，光束尺寸约为500 μm×200 μm (H×V)。操作过程如下：将GNTPs 的悬浊液填充到圆形玻璃毛细管(MarkRörchen，德国)中，用胶枪密封在顶部，以防止蒸发，并将毛细管垂直放置于电动支架中。散射信号由Eiger 4 M 探测器(Dectris Ltd.，瑞士)记录，像素尺寸为75 μm。原始数据的处理(角平均和归一化)是由Foxtrot 软件完成并得到散射强度I(q)与散射矢量q的关系，随后的数据建模使用Igor Pro 7.0软件中的NCNR SANS包完成[15]。

1.3 GNTPs的制备

GNTPs 参考文献中的种子生长法[11]，并通过适当的条件优化后制备得到。种子溶液制备：将3.5 mL 浓度为0.14 mol·L-1的CTAB 溶液与125 μL 浓度为15 mmol·L-1的HAuCl4·3H2O 溶 液混 合，再加 入0.50 mL 新鲜配制的10 mmol·L-1NaBH4，形成棕黄色溶液，将混合物搅拌2 min，然后在30 ℃的水浴中保存。生长溶液的制备：将95 μL 浓度为15 mmol·L-1的HAuCl4·3H2O、750 μL 浓度为0.10 mol·L-1的CTAB、750 μL 浓度为0.10 mol·L-1的HMT 和1 555 μL 的去离子水依次加入至10 mL 的玻璃瓶中，记为溶液a；将800 μL 的去离子水，120 μL 浓度为1.0 mol·L-1的NaOH 和12 μL(最优条件)的种子溶液加入到10 mL 的玻璃瓶中，记为溶液b。随后将250 μL 浓度为10 mmol·L-1的AA 溶液注入溶液a 中，待混合溶液变为无色后，将116 μL 的溶液b 快速注入该无色溶液中，混合液迅速从无色变成了深蓝色，表明GNTPs已完全形成。

1.4 镀银薄层法阻止GNTPs的重塑

首先使用10 mmol·L-1CTAC 将预先制备好的GNTPs 纯化，且确保GNTPs 的浓度为0.25 mmol·L-1。随后依次加入10 mmol·L-1AgNO3、40 mmol·L-1AA 和0.2 mol·L-1NaOH，室温下迅速得到GNTPs＠Ag。其中，CTAC 的引入防止了CATB 在室温下(20.8 ℃)结晶，有助于使用UV-Vis-NIR 持续监测GNTPs 的重塑过程，也促进后续实验中引入银薄层；银层的厚度可以通过调整银前驱体AgNO3与Au的物质的量之比K值来调整(最优K=0.2)；AA的还原能力随着溶液pH 值的增加而增强，纳米银层可以在几秒钟内快速形成从而阻止了GNTPs的重塑。

1.5 SERS测试

拉曼散射测量在拉曼显微镜(Witec UHTS 300，德国)下进行，激发源采用波长为633 nm 的二极管激光器。配置包括一个每毫米600凹槽的衍射光栅和一个前置照明Peltier-冷却的CCD 照相机(1 650×200像素)以及100倍的物镜(N.A.=0.8)。将载玻片作为衬底，首先用UV/Ozone(Pro Cleaner)处理至少1 h。随后，将10 μL 镀银薄层的GNTPs 悬浮液(16 mmol·L-1的Au0和0.2 mmol·L-1的CTAC)滴在基底上。干燥之后，将10 μL 的1.0×10-4mol·L-1的4-MBA 注射在涂有GNTPs 的衬底上，再次干燥后，使用激光功率为0.6 mW(在样品上)的激光照射，积分时间为1 s，获得SERS光谱图和映射图。

2 结果与讨论

2.1 GNTPs的生长与重塑

在GNTPs 的制备过程中，将溶液b 快速注入到无色溶液中的时间记为时间0，随后在室温下使用UV-Vis-NIR 监测GNTPs 的LSPR 光学性质。如图1所示，等离激元峰的强度开始增加(从0.5 min 开始，青色)，直到6.0 min 后达到最大值，表明GNTPs 已完全形成，此时等离激元峰在520 nm 处有横向LSPR峰，在670 nm 处有纵向LSPR 峰。然而，随着时间的推移，纵向LSPR 峰逐渐蓝移且演化为一个峰，表明GNTPs不稳定，将重塑为球状纳米颗粒。

图1 室温下GNTPs的时间分辨消光光谱Fig.1 Time-resolved extinction spectra of GNTPs at room temperature

2.1.1 温度对GNTPs重塑的影响

等离激元金纳米颗粒在熔点以下的不稳定性和重塑行为对许多未来的应用都很重要，尤其是低温下的形状变化。因此，我们分别在9.0(冰箱中)、20.8 以及60.0 ℃三种不同温度下观察了GNTPs 的重塑过程，并使用UV-Vis-NIR 持续监测其重塑过程。如图2a～2c所示，从UV-Vis-NIR光谱来看，温度越高，重塑速率越快。3 种不同温度下GNTPs 的纵向等离激元峰位置随时间的演变如图2d 所示，在60.0 ℃下，GNTPs的纵向等离激元峰几乎在1 h内蓝移至550 nm 处，表明GNTPs已完全重塑为球形。此实验表明，随着温度升高，GNTPs 的重塑速率会加快。

图2 不同温度下GNTPs的消光光谱(a～c)和纵向等离激元峰随时间的演变(d)Fig.2 Extinction spectra(a-c)and longitudinal plasmonic peaks evolutions(d)of GNTPs over time at different temperatures

2.1.2 不同溶液成分对GNTPs重塑的影响

在固定Au0浓度为0.25 mmol·L-1和CTAB 浓度为12.8 mmol·L-1的溶液中，我们研究了0.01 mmol·L-1I-的引入对GNTPs 重塑的影响。如图3b～3c 所示，当I-加入时，重塑速率急剧增加，原因是I-取代Br-可以吸附在GNTPs的表面，然后配位和溶解弱结合的金原子，使其重新沉积到更有利的位置，从而推动重塑过程。该实验表明，GNTPs 的重塑过程确实与溶液的成分有关，证实了Ostwald 熟化的发生，即溶解和再沉积过程，同时证实了碘离子对金具有较强的配位亲和力[16]。

图3 分散在CTAB(a)以及CTAB+KI(b)混合溶液中GNTPs的时间分辨消光光谱和相应的纵向等离激元峰的演变(c)Fig.3 Extinction spectra of GNTPs dispersed in the different solutions of CTAB (a),and CTAB+KI(b)and corresponding longitudinal plasmonic peaks evolutions(c)

2.2 镀银薄层法阻止GNTPs的重塑

根据前期核壳双金属纳米颗粒合成的经验[17]，我们期望应用该策略来阻止GNTPs 的重塑过程，并最大程度地获得具有相同形貌的颗粒。首先，用不同的AgNO3与Au 物质的量之比(K=0.1～2.0)包覆制备得到GNTPs，利用UV-Vis-NIR 和TEM 分别获得GNTPs/Ag的光学性质和形貌。请注意，银涂层是在GNTPs 的纵向等离激元峰达到最高值后直接进行的，整个涂层过程会在几秒内完成，且不需要加热，因为溶液的高pH值增强了AA的还原能力。

如图4a所示，当K<0.2时，GNTPs纵向等离激元峰依然会逐渐左移，因此其颗粒仍会重塑为球形；但当K>0.2 时，由于异质银壳的过度生长会最终形成核壳结构，我们可以观察到其等离激元峰的演变(图4c～4d)，从TEM 图中也可以非常明显地分别观察到GNTPs 核和银壳(图4f～4g)。因此，只需一层薄银涂层(K=0.2)就可以有效地阻止GNTPs 的重塑，并最大程度地保持了GNTPs 的原始形貌(图4e)，从而阻止了其光学性质的变化，且在14 d 内依然保持稳定(图4b)。其主要的原因是加入Ag之后，Ag会强烈吸附在Au 表面，并与Br-配位形成一种高度不溶的物质AgBr，从而抑制了GNTPs的重塑[16]。

图4 不同AgNO3与Au物质的量之比下镀薄银层GNTPs的消光光谱(a～d)和TEM图(e～g)Fig.4 Extinction spectra(a-d)and TEM images(e-g)of GNTPs coated with variable molar ratios of AgNO3 to Au

GNTPs 的重塑过程可以随时在几秒钟内被一层薄薄的银涂层阻止。图5a中的消光光谱是在图1中GNTPs 在不同阶段镀银涂层之后的消光光谱，其等离激元峰蓝移并导致胶体悬浮液的强烈色移，从深蓝绿色到红色(图5b)。图5c 为图5b 中悬浮液样品对应的SAXS 谱图，在0.3～1.0 nm-1之间出现显著的振荡峰，说明7 d 后形成球状。从TEM 图像中可以看出，GNTPs 在加入溶液b 6 min 后完全生成，且臂长L最长((13.7±2.0)nm)。之后，GNTPs开始重塑，表现为等离激元峰蓝移和L逐渐减小，在7 d 之后，GNTPs 的长臂完全消失且球形2R达到最大((22.4±2.1) nm)。不同重塑时间内GNTPs 的L和2R如表1所示。

图5 不同时间镀银GNTPs的消光光谱(a)、悬浮液照片(b)、SAXS光谱(c)和相对应的TEM图像(d～i)Fig.5 Extinction spectra(a),photographs(b),SAXS spectra(c)and corresponding TEM images(d-i)of GNTPs coated with Ag for different times

表1 从TEM图像中提取的GNTPs的粒径Table 1 Particle sizes extracted from the TEM images

随后，从过量的反应物中纯化出GNTPs/Ag，并用HAADF-STEM 和EELS 对其进行了分析(图6)。虽然由于GNTPs 的取向不同，在TEM 图像上(图6a～6b)并不总能观察到这4 个尖端，但通过将形状投影与几何模型进行比较，证实了GNTPs 合成的高形状产率。STEM-EELS 是研究单个纳米颗粒的等离激元响应的有效技术，其中高光谱图像显示了等离激元模式的空间分布。STEM-EELS 映射清楚地显示了2 种类型的等离激元模式(图6c)：尖端模式(tip mode)和另一种对应于GNTP 侧边的模式(side mode)。尖端模式相对于侧边模式发生了红移，这与之前对金纳米星的研究一致[18-19]。而GNTPs 的一个显著特征是，其尖端L的长度相似，因此每个尖端上的尖端模式以相同的能量发生。

图6 不同倍率下GNTPs/Ag的高分辨率TEM图(a～b);不同等离激元模式下GNTP/Ag的HAADF-STEM 图及对应的EELS图(c)和EELS谱图(d)Fig.6 High-resolution TEM images(a-b)of GNTPs/Ag at different magnifications;HAADF-STEM images and corresponding EELS filter maps(c)and EELS spectra(d)of GNTP/Ag under different plasmon modes

在70 ℃下镀银前后GNTPs 的稳定性可以通过SAXS 进行研究。如图7 所示，未加银时(图7a)，其SAXS 的振荡峰数量在1 h 内增加，并移至较低的q值，表明颗粒的形貌已经改变，但镀银后(图7b)振荡峰没有变化，证明镀银的GNTPs在70 ℃下稳定。

图7 70 ℃下未镀(a)和镀(b)银的GNTPs的时间演化SAXS谱图Fig.7 Time evolution SAXS spectra of GNTPs coated without(a)and with(b)Ag at 70 ℃

2.3 GNTPs的SERS效应

SERS 可以检测到与等离激元表面接触的探针分子的光谱指纹。将4-MBA 作为分析物，它与激光频率共振，产生表面增强共振拉曼散射。我们采用之前金纳米颗粒超晶体的制备方法[20]，将10 μL 镀银薄层的GNTPs 悬浮液滴在玻璃或硅片上。盖上载玻片使其缓慢干燥之后，再将10 μL 的1.0×10-4mmol·L-1的4-MBA 滴在涂有GNTPs 的衬底上，再次干燥后，获得SERS 光谱图和映射图。如图8a～8c 和8f 所示，我们在样品的边缘观察到了较强的拉曼散射信号，这一现象可归因于在咖啡环效应下GNTPs液滴在蒸发的过程中会在边缘处聚集，从而在其尖端处形成了增强电磁场，即“热点”。从图8d～8e 的SEM 图中，可以明显观察到GNTPs 的尖端聚集在一起，这是可以检测到4-MBA 拉曼增强信号的主要原因。在这里，我们展示了GNTPs 的SERS 效应，为使用具有尖端纳米颗粒的聚集体展示其SERS 性能开辟了一条途径。

图8 载玻片上GNTPs/Ag在不同倍率下的光学显微镜图像(a～b);4-MBA在振动峰1 586 cm-1上SERS强度映射得到的SERS图(c);b图中GNTPs/Ag相对应的SEM图(d);d图中GNTPs/Ag排列示意图(e);相同实验条件下,4-MBA+GNTPs/Ag的SERS谱图和4-MBA的拉曼光谱图(f)Fig.8 Optical microscopy images(a-b)of GNTPs/Ag on the slide at different magnifications;SERS image(c)obtained by mapping the SERS intensity of the 4-MBA vibrational peak over 1 586 cm-1;Corresponding SEM images(d)of GNTPs/Ag in figure b;Schematic diagram(e)of GNTPs/Ag arrangement in figure d;SERS spectrum of 4-MBA+GNTPs/Ag and Raman spectrum of 4-MBA in the same experimental conditions

3 结 论

GNTPs 的重塑过程与温度和溶液的成分密切相关。详细地说，随着温度的升高，重塑过程快速；当添加碘化物时，重塑速率急剧增加，表明此重塑过程确实与溶质有关，证实了溶解和再沉积的机制。我们开发了一种快速阻止GNTPs 重塑的简便方法，其重塑过程可以随时被一层镀薄银层阻止(AgNO3与Au的物质的量之比K=0.2)，从而获得具有任何中间形态和LSPR 波长的GNTPs。通过这种方式，GNTPs 的形貌可以在最大程度上得到很好的稳定，也可以防止光学性质的演变，镀银的GNTPs 在常温下可以保存至少2 个月，且在70 ℃下都很稳定。最后，初步研究表明薄银层稳定之后的GNTPs对4-MBA 有SERS 活性，且只有蒸发后的聚集体具有SERS 活性，这为制备新型具有SERS 效应的基底提供了一种有效的策略。

致谢：特别感谢法国巴黎萨克雷大学固体物理实验室(Université Paris-Saclay，Laboratoire de Physique des Solides)Dr.Doru Constantin和Dr.Cyrille Hamon 对本实验和课题的持续支持；感谢Dr. Xiaoyan Li 对STEM 测量的支持以及Dr.Wajdi Chaâbani 对SERS 实验的帮助；此外，感谢法国国家同步辐射光源SOLEIL 提供的同步辐射设备(实验20201118，SWING光束线)。