金纳米星的可控制备及其SERS性能研究

摘要：金纳米星（Au Nano-stars，AuNSs）由于表面具有众多尖角结构，能显著提高SERS信号强度，已在农药、生物、医药等检测领域展现出潜在应用优势，其可控制备是近年来的研究热点。本文采用种子生长法来制备AuNSs，通过调节反应体系中氯金酸 （HAuCl4）的体积实现AuNSs粒径调控，然后讨论其SERS性能。形貌表征采用扫描电镜SEM，拉曼性能测试采用共聚焦显微拉曼光谱仪，激发波长633 nm。结果表明，控制反应过程中的HAuCl4 的体积可以有效实现粒径从约80 nm到800 nm有效调控，制备的AuNSs形貌均一，对四种常见探针分子（R6G、MB、MG、CV）均有很强光谱响应，是一种有效的调控手段。同时简要讨论了AuNSs粒径对SERS光谱的影响规律，可为实际样品检测时SERS基底的选型提供参考。

关键词：SERS；金纳米星；可控制备；SEM

中图分类号：O657.3 文献标志码：A 文章编号：1001-2443（2024）04-0320-06

引言

表面增强拉曼光谱（Surface Enhanced Raman Spectroscopy， SERS）是一种高灵敏度的分子指纹光谱技术，在环境检测、生物医学和食品安全等领域应用非常广泛［1-3］。金纳米星（Au Nano-stars， AuNSs）由于表面具有众多尖角结构，能够极大的增强局域表面电磁场，从而显著提高SERS信号强度，是近年来备受关注的一种SERS基底材料［4-5］。目前，已有多篇文献报道了以金纳米星为SERS探针分子对实际样品的检测结果。比如2019年，Deng等人，将AuNSs纳米颗粒与可生物降解的结晶咪唑酸沸石骨架-8（ZIF-8）结合制备出的纳米材料，具有很强的SERS活性，可以根据分子大小或电荷筛选不同的分子［6］。2022年，Dawei Cao等人采用集成AuNSs阵列的微阵列芯片，获得了荷瘤小鼠不同阶段血清的高质量SERS信号以及一系列代表各种生物分子的特征峰［7］。2023年，Zhang等人设计了一个Au NSs与PDMS相结合的SERS基底用于检测果汁中的三硫胺残留，检测值为0.0048 ppm［8］。

不过，现有文献大多只给出了特定AuNSs基底的SERS检测效果，并没有讨论AuNSs的可控制备以及不同结构AuNSs对不同检测标的物的适应性，不利于SERS基底的选型。本文将首先采用种子生长法来制备AuNSs，通过调节反应体系中的氯金酸 （HAuCl4 ）的体积实现AuNSs粒径调控，然后讨论不同粒径AuNSs对四种常见探针分子罗丹明6G（R6G）、结晶紫（CV）、孔雀石绿（MG）、亚甲基蓝（MB）的SERS响应。

1 实验

1.1 实验材料

实验过程中所用的试剂与材料如表1所示，所有试剂均没有提纯处理，直接使用。实验过程所用的去离子水是来自超滤系统（Milli-Q，Millipore，Marlborough，MA），水电阻率为18.2 MW·cm。

1.2 实验仪器

实验中使用的主要仪器及型号如表2所示。共聚焦显微拉曼光谱仪用来辅助分析样品的成分和拉曼性能表征，激光波长选择633 nm。场发射扫描电子显微镜和高分辨率电子显微镜对样品的微观结构进行表征。紫外可见红外分光光度计用来测量样品的吸收谱。

表 1 实验主要试剂

Table1 Main reagents for the experiment

[试剂（材料）名称 生产厂家 型号 氯金酸四水合物（HAuCl4） 国药集团化学试剂有限公司 99.8% 柠檬酸三钠（C6H5Na3O7 ） 上海阿拉丁化学试剂有限公司 AR 对苯二酚（C6H6O2） 上海阿拉丁化学试剂有限公司 AR 罗丹明6G（R6G） 国药集团化学试剂有限公司 AR 结晶紫（CV） 国药集团化学试剂有限公司 AR 孔雀石绿（MG） 国药集团化学试剂有限公司 AR 亚甲基蓝（MB） 国药集团化学试剂有限公司 AR ]

表 2 实验主要仪器

Table2 Main experimental instruments

[仪器名称 型号 厂家 显微共聚焦拉曼光谱仪 LabRAM HR Evolution 日本HORIBA 场发射扫描电子显微镜 SU8020 日本HITACHI 高分辨透射电子显微镜 JEM-2010 日本JEOL 紫外-可见分光光度仪 UV-2700 日本SHIMAZU ]

2 AuNSs的可控制备

目前金纳米星的制备主要有２种方法 ：一步合成法［9］和种子生长法［10］。一步合成法是直接向金属盐溶液HAuCl4中加入特定的还原剂 ，并辅之以适当的表面活性剂 （如CTAB 和PVP等），然后通过改变反应体系中物质的浓度并控制反应时间一步生成金纳米星。这种方法简单、快速，但很难保证金纳米星的尺寸和形貌均一性，不利于SERS检测。种子生长法是分两步进行，首先合成金纳米小球（金种子），然后以此为生长核，采用与一步法类似的工艺，利用还原剂还原HAuCl4，并在表面活性剂 （如CTAB）的作用下，通过控制反应条件在金种子表面继续生长为金纳米星。这种方法粒径大小可控，也方便纳米粒子的表面修饰以用于不同场合的SERS检测，因此本文采用这种方法来制备金纳米星。

种子生长法制备不同形貌AuNSs的原理示意图如图1。具体工艺过程如下：

（1）金种子溶液制备。将1.5 mL 25 mM HAuCl4加入150 mL煮沸的去离子水中，剧烈搅拌5 min，加入4.5 mL 3.87mM柠檬酸三钠溶液，继续搅拌，溶液颜色逐渐变成紫红色，得到粒径约50 nm的Au种子溶液备用。

（2）AuNSs的形貌调控。然后经过多次对比试验，我们发现改变纳米星生长过程中的HAuCl4浓度可以有效的改变纳米星尖角结构长度，从而改变纳米星的尺寸。下述是一个典型的实验过程。在四个盛有100 mL去离子水的烧杯中加入500 uL制备好的金种子溶液，220 uL 3.87 mM柠檬酸三钠溶液和10 mL 30 mM对苯二酚溶液，同时分别加入0.5 mL、1 mL、2 mL、4 mL，25 mM 的HAuCl4溶液，然后搅拌28分钟。柠檬酸钠和对苯二酚同时作为还原剂和形貌诱导剂在金种子表面将反应体系中Au3+还原为Au0，使金种子继续生长为具有多个枝角的星状金纳米结构。

3 样品形貌表征

为了观察HAuCl4浓度对AuNSs形貌的影响，我们对所得样品进行了SEM检测，如图2所示。为描述方便，将上述得到的样品分别命名为1-AuNSs、2-AuNSs，3-AuNSs，4-AuNSs。

图2为反应体系中改变HAuCl4体积后制备出的AuNSs的扫描电镜SEM图，从图中可以明显看出改变反应体系中HAuCl4体积对AuNSs形貌调控非常有效。当HAuCl4体积为0.5 mL时，1-AuNSs尺寸为80 nm左右；当HAuCl4体积为1 mL时，2-AuNSs尺寸为150 nm左右；当HAuCl4体积为2 mL时，3-AuNSs尺寸为300 nm左右；当HAuCl4体积为4 mL时，4-AuNSs尺寸为850 nm左右。可见，随着HAuCl4体积增大，AuNSs尺寸调控范围可以从80 nm增至850 nm，变化了约10倍。

为了分析所得样品的颗粒均一性，对图2中四种样品的粒径大小进行了统计，如图3所示。粒径近似呈正态分布，均方误差分别为15%，7%， 4.5%， 1.3%，说明样品中颗粒大小基本一致，颗粒越大越均匀，这对于SERS信号的均一性有益。

在上述实验过程中，我们发现当AuNSs变大时，样品非常容易发生团聚，这可能会对材料的光学性质产生一定的影响，于是对四种样品进行了从可见到紫外的吸收光谱测试，结果如图4所示。由图4可知1-4号AuNSs样品对应的LSPR吸收峰分别为603 nm、623 nm、663 nm和683 nm，可见四种样品均在SERS测试的激光波长633 nm附近，说明四个样品对该波长均有较好的吸收，有利于SERS信号增强。同时也可以看到随着样品尺寸增大，LSPR吸收峰出现一定的红移，这与表面等离激元的共振波长变化有关［11］。另外还可以看到，当样品尺寸变大时，LSPR吸收峰有展宽现象并且强度减弱非常明显，这预示了样品团聚的发生。这对于SERS信号的强度以及均一性均是不利因素，因此要尽量避免。

4 SERS性能测试

为了对比分析所得到的四种金纳米星的SERS性能，我们选择罗丹明6G（R6G）、结晶紫（CV）、孔雀石绿（MG）、亚甲基蓝（MB）这四种常见有机染料分子作为探针分子来表征样品的SERS活性。

拉曼测试样品制备如下：将50μL的AuNSs样品加入到100μL不同浓度梯度的R6G、CV、MG、MB中，超声分散至溶液均匀混合，静置2 h后，探针分子均匀吸附在AuNSs样品上。然后，取10μl的混合分散液滴在0.5 cm×0.5 cm的硅片上，室温干燥后进行拉曼测试。测试参数如下：激发波长为633 nm，激光功率为0.5 mW，光斑直径约为1μm。

为方便对比，探针分子浓度均取10-5 M，测试结果如图5所示。

图5（a）是对R6G的SERS光谱，四条曲线分别对应1-4号AuNSs样品。从图中可以看到，四种样品的拉曼响应非常明显，峰位清晰，位置准确，说明4个样品均可以完成对R6G的检测。但1-4号样品最强峰位（612cm-1）处的强度并不相同，归一化强度分别是5500、12500、30000和60000左右，可见对于R6G而言，AuNSs尺寸调控对拉曼响应影响较大，光谱强度大致与AuNSs颗粒尺寸成正比关系。

图5（b）是对MB的SERS光谱，四条曲线仍然对应1-4号AuNSs样品，按照拉曼光谱强度来排列，所以从下到上样品序号有所变化，分别是1，3，2，4号。这说明，光谱强度与颗粒直径并没有严格的比例关系，不一定颗粒直径越大SERS光谱强度越强。从最大峰位（1628cm-1）的归一化强度来看，1-4号样品分别是50000、80000、760000和80000左右。可见总体而言，AuNSs样品对于MB的响应比R6G更强，但随着颗粒尺寸超过150nm后，光谱强度变化趋于稳定。

图5（c）是对MG的SERS光谱，光谱强度顺序又有所不同，从弱到强分别是1，3，4，2号样品，这更进一步说明光谱强度与AuNSs颗粒尺寸并没有确定的关系，光谱强度很可能与检测样品的分子性质关系更大。1-4号样品最大峰位（1618cm-1）处强度分别为50000、85000、76000、77000。可以看到变化规律与对MB的响应有些相似，强度量级一致，尺寸较大时对响应强度的影响规律不明显。

图5（d）是对CV的SERS光谱，强度顺序是1，4，3，2号样品，最大峰位（1620 cm-1）处的归一化强度分别为6000、85000、70000、70000。可见AuNSs对CV、MB、MG三种探针而言，AuNSs均有非常强的响应，归一化强度都在104以上，整体比R6G更强。如果注意到CV、MB、MG三种探针的最强共振峰都在1620 cm-1附近，这是苯环中的C-C振动模式，说明AuNSs结构应该更加适合含C-C键的化合物检测。

由以上分析可知，AuNSs对四种探针分子均有很强的光谱响应，是非常有效的SERS基底，不同尺寸的AuNSs对不同的探针分子响应并不相同，为获得最大的增强因子就需要制备直径不同的AuNSs，因此在实际样品中对AuNSs调控就显得十分必要。同时也可以看到对四种探针分子都表现出一个同样特征，小尺寸的粒子拉曼效应较弱，这主要是因为小尺寸粒子的LSPR共振波长已经偏离激发波长（633 nm）较远，因此应尽量将粒子直径调控到100 nm以上以获得较好的拉曼光谱强度。另外，还可以看到除R6G外，其余三种（MG、MB、CV）探针分子均表现出强度饱和特征，拉曼性能在粒子直径超过150 nm后均不在增加，这也是在制备SERS基底时需要注意的。

5 结论

SERS是一种高灵敏度的分子指纹光谱技术，在环境检测、生物医学和食品安全等领域应用非常广泛，金纳米星（Au Nano-stars， AuNSs）能够极大的增强局域表面电磁场，从而显著提高SERS信号强度，近年来相关研究非常多。本文主要讨论了AuNSs的可控制备方法，采用调节反应体系中氯金酸 （HAuCl4）体积的方式来实现AuNSs粒径调控，SEM结果显示得到的纳米颗粒和形貌均一性良好。对此开展的SERS性能研究也表明制备得到的纳米材料具有很强的SERS光谱灵敏度，对四种探针常见分子都能够实现有效探测，可以为高灵敏度SERS基底制备和选型提供参考。

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Controllable Preparation and SERS Performance Study of Gold Nanostars

KANG Xi-qiao1，WANG Man2， YUAN Yang-tao 2，MI Jia-jia 2，3，SHI Jian-ping2， 3

（1. School of Computer and Software，Chengdu Neusoft University，Chengdu 611844，China；2. College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China；3. Anhui Province Key Laboratory for Control and Applications of Optoelectronic Information Materials，Wuhu 241002，China）

Abstract： Gold Nanostars （AuNSs） have shown potential application advantages in detection fields such as pesticides， biology， and medicine due to their numerous sharp angular structures on the surface， which can significantly enhance the SERS signal intensity. Their controllable preparation has become a research hotspot in recent years. This paper uses seed growth method to prepare AuNSs， and adjusts the volume of chloroauric acid （HAuCl4） in the reaction system to achieve particle size control of AuNSs， and then， its SERS performance is discussed. The morphology was characterized by scanning electron microscopy （SEM）， and the Raman performance was tested using a confocal micro Raman spectrometer with an excitation wavelength of 633nm. The results showed that controlling the volume of HAuCl4 during the reaction process can effectively regulate the particle size from about 80nm to 800nm. The prepared AuNSs have uniform morphology and strong spectral response to four common probe molecules （R6G， MB， MG， CV）， making them an effective regulatory tool. At the same time， the influence of AuNSs particle size on SERS spectra was briefly discussed， which can provide reference for the selection of SERS substrates in actual sample detection.

Key words： SERS; gold nanostars;controllable preparation; SEM

（责任编辑：马乃玉）