納米多孔金薄膜的表面等離子體共振傳感特性

張 喆 逯丹鳳 祁志美

(中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，傳感技術(shù)國家重點實驗室，北京100190)

1 引言

納米多孔金(NPG)材料是近年來的一個研究熱點，它具有比表面積大，化學(xué)穩(wěn)定性好、導(dǎo)電能力強等優(yōu)點，在表面增強拉曼光譜(SERS)、生化傳感、光學(xué)成像、氣體存儲、燃料電池、隱形材料、催化反應(yīng)及電化學(xué)反應(yīng)等方面擁有巨大的應(yīng)用前景.1-14此外，金與巰基(－SH)還可以結(jié)合形成穩(wěn)固的Au－S配位鍵，15-17使其對含巰基的生化小分子的探測表現(xiàn)出卓越的性能.

目前，納米多孔金的制備方法主要是脫合金法，1-13利用硝酸作為腐蝕液，經(jīng)過一定時間的浸泡，合金中的銀成分與硝酸反應(yīng)溶解，保留的金成分經(jīng)過原子重構(gòu)形成具有三維無序孔結(jié)構(gòu)的納米多孔金薄膜.利用該方法制備的納米多孔金薄膜已經(jīng)應(yīng)用于表面等離子體共振(SPR)傳感研究，18-23然而這些研究大多采用市售的金銀合金薄片，經(jīng)脫合金后形成納米多孔金薄膜，之后再轉(zhuǎn)移到表面預(yù)處理過的玻璃基片上制成SPR傳感芯片.此方法存在一些缺點，首先厚度小于100 nm的金銀合金薄片受限于制作工藝而較難獲得;其次將制備好的納米多孔金薄膜轉(zhuǎn)移至玻璃基片表面時容易損壞、成品率低;再次為了更好的使納米多孔金薄膜與玻璃基片結(jié)合，需要預(yù)先對玻璃基片進行表面處理，增加了制備的復(fù)雜度.

本文提出了一種新的納米多孔金薄膜制備方法.該方法首先利用射頻濺射技術(shù)在玻璃基片上淀積數(shù)十納米厚的金銀合金薄膜，然后將玻璃基片置于濃度給定的硝酸溶液中腐蝕一定時間，清洗干燥后獲得納米多孔金薄膜.該方法不僅能夠在納米量級精確控制納米多孔金薄膜厚度，而且通過調(diào)節(jié)腐蝕液濃度和腐蝕時間可以對孔結(jié)構(gòu)進行調(diào)控.該方法制備的納米多孔金薄膜SPR傳感器可以同時產(chǎn)生傳播等離子體共振效應(yīng)和局域等離子體共振效應(yīng).18-23但是，本文制備的納米多孔金薄膜厚度較薄，所以局域等離子體共振效應(yīng)不是十分明顯，因此本文著重研究了其傳播等離子體共振效應(yīng)及基于該效應(yīng)的傳感特性.實驗分析了腐蝕時間對納米多孔金薄膜SPR傳感性能的影響，確定了納米多孔金薄膜的最優(yōu)制備條件.研究了L-谷胱甘肽、L-半胱氨酸、2-氨基乙硫醇三種含巰基的生化小分子的吸附行為，并與傳統(tǒng)的SPR傳感器靈敏度進行了比對.此外，還原位實時監(jiān)測了乙醇蒸氣在納米多孔金薄膜內(nèi)的吸附過程.

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

L-谷胱甘肽(純度≥99%)、L-半胱氨酸(純度≥98%)、2-氨基乙硫醇(純度～95%)購自美國Sigma公司;硝酸(純度～68%)購自國藥集團化學(xué)試劑有限公司;實驗中使用的去離子水經(jīng)過Milli-Q純凈水機二次凈化.

厚度為1 mm的玻璃片購自日本Matsunami株式會社，在633 nm波長下折射率為1.522;角度為45°/45°/90°的玻璃棱鏡購自北京北東光電自動化開發(fā)公司，在633 nm波長下折射率為1.799;LS-1型鹵鎢燈、HR4000型電荷耦合器件(CCD)光譜分析儀購自美國Ocean Optics公司;多模石英光纖購自浙江雷疇科技有限公司;透鏡、線性偏振片購自北京大恒光電技術(shù)公司;硅橡膠測試槽購自南京永潤橡塑有限公司;蠕動泵購自保定蘭格恒流泵有限公司.

2.2 芯片制備及儀器搭建

采用真空濺射與脫合金相結(jié)合的兩步法制備納米多孔金薄膜SPR芯片.首先在清洗好的玻璃基片上采用射頻鍍膜技術(shù)依次濺射鉻膜(厚度～3 nm)和金銀合金膜(厚度～60 nm)，金銀合金靶材中金銀質(zhì)量百分比為55:45，設(shè)定濺射儀的參數(shù)為:濺射功率150 W，自偏壓60 V，工作壓0.5 Pa，氬氣流量27 cm3·min-1，該條件下金銀合金靶材的濺射速率約為1 nm·s-1，在此速率下濺射60 s得到厚度約為60 nm的金銀合金薄膜，鉻膜的作用是為了增加玻璃基片與金銀合金膜間的結(jié)合力;其次將鍍有鉻膜和金銀合金膜的玻璃基片浸入硝酸溶液中按照預(yù)定的時間腐蝕，金銀合金膜中的銀原子被硝酸溶解而脫去，留下的金原子經(jīng)過重構(gòu)形成納米多孔結(jié)構(gòu)，之后將腐蝕好的玻璃基片快速取出，在去離子水中反復(fù)沖洗掉殘留的硝酸并用干燥空氣吹干，即制備出本文所使用的納米多孔金SPR芯片.圖1(a)給出了納米多孔金薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，薄膜呈現(xiàn)三維無序結(jié)構(gòu)，孔隙率高，孔徑大.在納米多孔金SPR芯片的制備過程中伴隨著有趣的顏色變化，腐蝕前芯片呈銀白色，腐蝕后呈棕黃色，相關(guān)研究表明這種棕黃色來自于納米多孔金的局域等離子體共振效應(yīng).采用本方法制備的納米多孔金SPR傳感芯片可以同時產(chǎn)生致密金膜所表現(xiàn)的傳播等離子體共振效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)金膜所表現(xiàn)的局域等離子體共振效應(yīng)，本文著重研究其傳播等離子體共振效應(yīng).

圖1 (a)納米多孔金薄膜的掃描電子顯微鏡(SEM)照片，(b)用于表征納米多孔金薄膜的波長檢測型表面等離子體共振(SPR)傳感器測試平臺示意圖Fig.1 (a)Scanning electron microscope(SEM)image of the nanoporous gold film，(b)schematic diagram of the wavelength-interrogated surface plasmon resonance(SPR)sensor platform used for characterization of nanoporous gold films

圖1(b)是本文搭建的基于Kretschmann結(jié)構(gòu)的波長檢測型SPR傳感檢測裝置示意圖.納米多孔金SPR芯片的玻璃基底緊貼于棱鏡底面，并在玻璃基底與棱鏡底面縫隙處滴加高折射率匹配液，樣品槽固定在納米多孔金SPR芯片的表面.鹵鎢燈發(fā)出的寬波段光經(jīng)光纖、聚焦透鏡及線性偏振片后變?yōu)閜偏振的準(zhǔn)平行光束(發(fā)散角小于0.2°)照射到玻璃棱鏡上.進入棱鏡的光束在SPR芯片的玻璃基片/納米多孔金膜界面發(fā)生全反射并在納米多孔金膜/待測樣品界面激發(fā)表面等離子體共振，使得全反射光譜在激發(fā)波段呈現(xiàn)出波谷.棱鏡另一端輸出的全反射光束經(jīng)透鏡聚焦到另一石英光纖的一端被CCD光譜儀記錄.

3 結(jié)果與討論

3.1 腐蝕時間及入射角度對芯片特性的影響

實驗時首先測試了金銀合金SPR傳感芯片腐蝕前的共振反射光譜，如圖2(a)中黑色曲線所示，在該條件下沒有觀察到共振峰.然后按照前文所述的制備方法，對同一片SPR芯片進行腐蝕，每隔15 s從腐蝕液中取出芯片洗凈并吹干后記錄一次共振反射光譜，之后再將芯片放回腐蝕液中繼續(xù)腐蝕，實驗依次記錄了腐蝕時間為15、30、45、60、75及90 s的共振反射光譜如圖2(a)所示.光譜中波谷的位置代表共振峰的位置，對應(yīng)的波長即共振波長(λR).由圖2(a)可知隨著腐蝕時間的逐漸增加，共振吸收增強.圖2(b)是腐蝕時間與共振波長的關(guān)系曲線，共振波長隨腐蝕時間按照指數(shù)規(guī)律向長波長方向移動.前期研究結(jié)果24-26表明，共振波長對傳感器的敏感特性有影響，在相同的測試條件下共振波長越大，傳感器的靈敏度越高，而半高峰寬也越寬，不利于共振波長的精確確定，綜合考慮靈敏度和精確度的因素，腐蝕時間為60 s制備得到的納米多孔金SPR傳感芯片性能最好.需要指出的是，每次腐蝕后均記錄傳感器在入射角范圍內(nèi)的多個共振反射光譜(角度范圍為-6°--15°)，通過旋轉(zhuǎn)測角轉(zhuǎn)盤實現(xiàn)對入射角的改變，圖2是入射角θ=-12°條件下的測量結(jié)果，在其它角度下的測量結(jié)果具有相同的結(jié)論.

圖2 (a)入射角θ=-12°時不同腐蝕時間得到的納米多孔金薄膜在空氣中的傳播等離子體共振譜，(b)共振波長(λR)隨腐蝕時間的變化規(guī)律Fig.2 (a)Propagating plasmon resonance spectra at the incident angle of θ=-12°for the nanoporous gold films prepared at different immersion time durations，(b)resonance wavelengths(λR)as a function of the immersion time

圖3 (a)不同入射角θ下測得的納米多孔金薄膜的SPR共振譜，(b)共振波長隨入射角的變化規(guī)律Fig.3 (a)SPR spectra of the nanoporous gold film measured at different incident angles(spectra were normalized to their intensity maxima)，(b)Resonance wavelengths as a function of the incident angles

圖3 (a)所示為經(jīng)過硝酸60 s腐蝕后得到的納米多孔金SPR傳感器在不同入射角度下測量得到的歸一化共振反射光譜，圖3(b)顯示隨著入射角度θ從-15°增加到-6°，共振吸收峰的位置從781 nm藍移至633 nm.比較歸一化共振反射光譜的吸收強度，θ為-12°和-13°時反射率均在0.22附近，共振吸收效果相近，而θ=-12°時，共振波長λR=704 nm，半高峰寬(FWHM)為145 nm，θ=-13°時，共振波長λR=724 nm，F(xiàn)WHM為157 nm.綜合考慮上述參數(shù)，確定本實驗的最佳入射角度為-12°.本文后續(xù)實驗均是采用經(jīng)過60 s硝酸腐蝕制得的納米多孔金SPR芯片在入射角為-12°的條件下進行的.

3.2 巰基小分子的吸附敏感特性研究

L-谷胱甘肽、L-半胱氨酸以及2-氨基乙硫醇均含有巰基，巰基與金原子之間可以形成穩(wěn)定的Au－S鍵，因此這些含巰基的小分子可以在納米多孔金薄膜內(nèi)大量富集.實驗中針對這三種樣品分別配制了一系列濃度的水溶液用于納米多孔金薄膜吸附特性研究.

由于共振吸收峰僅在氣相環(huán)境中出現(xiàn)，因此吸附實驗采用離位測試的方法.首先記錄背景信號的反射光強度(IB)譜和參比物(水)的反射光強度(IR)譜，之后將待測溶液注入到樣品槽中，每個樣品在樣品槽中停留10 min，確保樣品分子在納米多孔金薄膜內(nèi)的吸附達到穩(wěn)定，然后將待測溶液泵出，用去離子水反復(fù)清洗樣品槽5次將殘留以及結(jié)合不穩(wěn)固的樣品分子清洗干凈，最后用干燥空氣將樣品槽吹干，并記錄納米多孔金薄膜吸附樣品分子后的反射光強度(IS)譜.由公式(1)可計算得到傳感器的共振吸收光譜，吸光度(A)最大值處對應(yīng)的波長為λR，該方法確定的λR與通過直接測得的共振反射光譜所確定的λR相同，但該方法更容易實現(xiàn)對較小的λR變化的精確區(qū)分.

L-谷胱甘肽是一種由L-半胱氨酸、谷氨酸和甘氨酸組成的三肽，分子量為307.32 Da.L-半胱氨酸上的巰基分子為其活性基團，易與某些藥物和毒素(如重金屬金、鉛、汞、砷等)結(jié)合，具有整合解毒作用.實驗中配制了0，1，5，10 μmol·L-1四種濃度的L-谷胱甘肽水溶液用于吸附測試，測試時按照濃度由低到高的順序進行.圖4(a)所示為納米多孔金SPR傳感器在不同濃度下測得的共振吸收光譜，圖中顯示隨著L-谷胱甘肽水溶液濃度的增加，共振光譜相應(yīng)紅移，表明在納米多孔金薄膜中吸附的L-谷胱甘肽分子數(shù)量在增加.當(dāng)L-谷胱甘肽水溶液的濃度為1 μmol·L-1時，共振峰從λR=704 nm 紅移至λR=710 nm，變化量為 6 nm，當(dāng)濃度增加至 10 μmol·L-1時，共振峰移至725 nm的位置，波長變化總量為21 nm.采用傳統(tǒng)致密金膜SPR傳感器在相近的起始共振波長λR=718 nm(此時θ=11°，共振峰出現(xiàn)于液相環(huán)境)條件下對10 μmol·L-1的L-谷胱甘肽水溶液進行了原位對比測試，結(jié)果如圖4(b)所示，吸附平衡時其波長變化量僅為3 nm.實驗結(jié)果顯示了納米多孔金SPR傳感器在小分子L-谷胱甘肽的吸附測試中具有更高的靈敏度，約為傳統(tǒng)致密金膜SPR傳感器的7倍.這一高吸附靈敏度一方面來源于納米多孔金薄膜的大比表面積提供了更多的分子結(jié)合位點，使得L-谷胱甘肽分子可以在其多孔層內(nèi)大量富集，另一方面SPR傳感器的消逝場與樣品分子的作用深度從傳統(tǒng)的單分子層厚度(～1 nm)增加到了多孔薄膜的厚度(～60 nm)，因此傳感器的靈敏度得到了顯著提高.

圖4 (a)在不同濃度L-谷胱甘肽水溶液中浸泡后的納米多孔金薄膜暴露到空氣中產(chǎn)生的SPR吸收峰，(b)傳統(tǒng)的致密金膜在純水中和在10 μmol·L-1的L-谷胱甘肽水溶液中的SPR吸收峰Fig.4 (a)SPR absorption peaks of the nanoporous gold film exposed to air after immersion in different concentrations of aqueous L-glutathione solutions，(b)SPR absorption peaks measured with a conventional dense gold film in pure water and in an aqueous solution of 10 μmol·L-1L-glutathione

L-半胱氨酸的分子量為121.16 Da.實驗中配制了濃度從1 nmol·L-1至1000 nmol·L-1的水溶液.圖5(a)為納米多孔金SPR傳感器對不同濃度的L-半胱氨酸測量得到的共振吸收光譜，隨著濃度的增加，共振波長紅移，圖5(b)顯示了共振波長改變量與L-半胱氨酸水溶液濃度的依賴關(guān)系，吸附規(guī)律遵循Langmuir等溫吸附理論，當(dāng)達到吸附平衡時共振波長變化量(ΔλR)為28 nm.

采用相同的方法對分子量更小的2-氨基乙硫醇(77.15 Da)在納米多孔金薄膜中的吸附特性進行測試，圖6給出了共振波長改變量與2-氨基乙硫醇水溶液濃度的依賴關(guān)系，當(dāng)吸附達到平衡時ΔλR達到47 nm.實驗結(jié)果表明樣品分子的分子量越小，SPR傳感器的響應(yīng)越大，這可能是由于更多的小分子可以吸附進入納米多孔金薄膜中，從而導(dǎo)致有效折射率的變化增大.

3.3 乙醇蒸氣的敏感測試

雖然本文制備的納米多孔金SPR傳感器在液相環(huán)境中沒有產(chǎn)生共振吸收峰，只能進行離位測試，但在氣相環(huán)境中卻可以觀察到共振峰，因此可以對氣相分子進行原位測試.圖7是對純乙醇蒸氣在納米多孔金薄膜中的吸附特性原位實時測得的傳感器的共振反射光譜，圖中顯示隨著吸附時間的增加，共振反射光譜呈現(xiàn)規(guī)律性的紅移，插圖顯示當(dāng)吸附時間達到160 min時，共振反射光譜不再變化，表明乙醇分子在納米多孔金薄膜中的吸附達到飽和，此時共振波長的總改變量ΔλR為27.5 nm.

圖5 (a)在不同濃度L-半胱氨酸水溶液中浸泡后的納米多孔金薄膜暴露到空氣中產(chǎn)生的SPR吸收峰，(b)共振波長改變量隨L-半胱氨酸水溶液濃度的變化規(guī)律Fig.5 (a)SPR absorption peaks of the nanoporous gold film exposed to air after immersion in different concentrations of aqueous L-cysteine solutions，(b)the resonance-wavelength shifts(ΔλR)as a function of L-cysteine concentration

圖6 置于空氣中的納米多孔金薄膜的共振波長改變量隨2-氨基乙硫醇水溶液濃度的變化規(guī)律Fig.6 Resonance-wavelength shifts of the nanoporous gold film exposed to air as a function of concentration of aqueous cysteamine solutions

圖7 乙醇蒸氣在納米多孔金薄膜內(nèi)的吸附導(dǎo)致的薄膜SPR共振譜的紅移Fig.7 Ethanol vapor adsorption induced redshift of the SPR band of the nanoporous gold film

4 結(jié)論

本文采用射頻濺射和硝酸腐蝕兩步法制備了厚度約60 nm的納米多孔金薄膜，利用自建的波長檢測型SPR傳感裝置研究了腐蝕時間對納米多孔金薄膜SPR敏感特性的影響，結(jié)果表明經(jīng)過60 s硝酸腐蝕制備的納米多孔金薄膜的SPR傳感特性較好，并在入射角度為-12°條件下研究了納米多孔金薄膜的傳感特性.離位測試了三種含巰基的生化小分子(L-谷胱甘肽、L-半胱氨酸和2-氨基乙硫醇)的吸附特性:對L-谷胱甘肽的測試結(jié)果表明，納米多孔金薄膜SPR傳感器的靈敏度是傳統(tǒng)致密金膜SPR傳感器靈敏度的7倍;實現(xiàn)了對濃度為1 nmol·L-1的L-半胱氨酸和2-氨基乙硫醇的高靈敏度檢測，這兩種小分子的吸附規(guī)律均遵循Langmuir等溫吸附理論.本文還對純乙醇蒸氣進行了原位實時監(jiān)測，吸附達到平衡時所需時間為160 min，共振波長的總變化量為27.5 nm.

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