球形銀納米粒子的制備及其表面增強拉曼活性研究

李 東

(大慶油田制造裝備集團 力神泵業(yè)股份有限公司檢測中心，黑龍江 大慶 163311)

球形銀納米粒子的制備及其表面增強拉曼活性研究

李 東

(大慶油田制造裝備集團 力神泵業(yè)股份有限公司檢測中心，黑龍江 大慶 163311)

提供了一種綠色的、具有高表面增強拉曼活性(SERS)的銀納米球的溶劑熱制備方法。在制備體系中，聚乙烯吡咯烷酮為峰端劑，無水乙醇為溶劑和還原劑，所獲得的銀納米球尺寸分布窄(20-40 nm)，形貌均勻。作為SERS基底檢測模型違禁藥品(孔雀石綠)時表現(xiàn)出較高的活性，即使孔雀石綠的濃度低至10-12mol·L-1仍舊可以檢出。

銀、 納米球、表面增強拉曼、孔雀石綠

在各種分析技術中，拉曼光譜可以提供化學和生物材料的振動指紋，用于對化學物質(zhì)的定性甚至是定量分析。然而，對于大多數(shù)分子來說，其拉曼散射信號是非常弱的，這也限制了拉曼技術的發(fā)展。1974年，F(xiàn)leischmann等人發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙的銀表面的拉曼信號被增大了幾個數(shù)量級[1]。1977年，Jeanmaire和Van Duyne發(fā)現(xiàn)當把分子放置在粗糙貴金屬表面上或是附近后拉曼信號可以被極大增強[2]，這種效應后來被稱之為表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)。之后，隨著納米技術的發(fā)展和各類拉曼光譜儀的開發(fā)，SERS技術逐漸發(fā)展起來。時至今日，SERS技術的檢測限已經(jīng)能夠達到ppb級[3]甚至是可以實現(xiàn)單分子的檢測[4]。因其靈敏度高且可以實現(xiàn)無損檢測，SERS檢測正在受到廣泛關注并逐漸成為表面科學、電化學、分析化學和生物學等領域的重要應用技術[5-6]。盡管SERS增強機理還是一個較為活躍的研究課題，但目前普遍接受的增強來源有兩個：電磁場增強和化學增強，其中電磁場增強被認為是拉曼信號增強的主要因素。電磁場增強取決于表面等離子和激發(fā)場之間的共振過程，當納米粒子的局域表面等離子共振被可見光激發(fā)時，被分子吸附的納米粒子表面會產(chǎn)生強的電磁場[8]。而化學增強是由于吸附在金屬表面的分子與金屬之間發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移共振狀態(tài)[9]，這就要求分子必須直接吸附在粗糙表面上，而電磁場增強沒有這樣嚴格的要求。SERS技術的推廣應用之一就是高活性基底的制備，具有較強等離子共振效應的十一族金屬(Ag、Cu、Au)經(jīng)常被用作SERS基底，且制備成合理的納米結(jié)構使得SERS活性進一步提高。這是因為納米結(jié)構的尺寸分布、幾何構型、化學組成以及表面狀態(tài)都會影響拉曼增強性能[10]。就尺寸而言，有研究表明，納米材料的尺寸應當在5-100 nm范圍內(nèi)才能具有SERS活性，而20-70 nm的粒子具有最強的SERS效應[11]。

孔雀石綠是一種三苯甲烷類染料，同時也具有殺滅真菌、細菌和寄生蟲的功效。由于孔雀石綠對魚體水霉病、鰓霉病、小瓜蟲病等有特效，一度被廣泛用于水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。但在上世紀90年代，國外學者證實這種物質(zhì)具有高毒素、高殘留和致癌、致畸、致突變等副作用。于是，1992年加拿大率先禁止使用孔雀石綠作為漁場殺菌劑，1993年美國FDA也規(guī)定了食用水產(chǎn)品中禁止檢出孔雀石綠和隱性孔雀石綠。2002年，我國農(nóng)業(yè)部門將其列入《食品動物禁用的獸藥及化合物清單》，禁止在食用動物中使用。然而，由于迄今為止沒有更好的替代藥品，很多水產(chǎn)養(yǎng)殖和銷售人員仍鋌而走險在水體中添加孔雀石綠。雖然消費者可以將購買的水產(chǎn)品拿到檢驗中心進行檢驗，但現(xiàn)有的檢驗方法通常需要兩三天時間，而且每次檢測都要花費幾百元錢，對于普通消費者來說，為一條魚花費如此大量的時間和金錢并不現(xiàn)實。因此，為消費者提供快速、簡便、低廉的檢測孔雀石綠的方法成為當務之急，而SERS技術恰恰能夠滿足這個需求，特別是近些年來手持式拉曼光譜儀設備的不斷完善，只要有高效、可靠的SERS基底，就能使孔雀石綠的現(xiàn)場、快速、高通量檢測成為可能。

本文中，我們采用一種簡單的水熱方法制備合成了尺寸非常均勻的近球形Ag納米粒子(20-40 nm)，并將其用作SERS基底進行了孔雀石綠的檢測，結(jié)果表明：當孔雀石綠的濃度低至10-12mol·L-1時仍有拉曼信號檢出，說明我們所制備的Ag納米粒子具有良好的SERS活性，并有望應用在其他違禁藥品的痕量檢測中。

1 實驗部分

1.1 球形Ag納米粒子的制備

稱取0.0085 g 硝酸銀加入到5 mL無水乙醇中并攪拌至完全溶解形成溶液A。稱取0.05 g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，M=40000)加入10 mL無水乙醇中，通過磁力攪拌使之完全溶解，形成溶液B。在攪拌狀態(tài)下，將溶液A滴加到溶液B中，然后將所得的混合液轉(zhuǎn)入20 mL特弗隆襯底的水熱釜中并置于烘箱中180 ℃下反應2小時。自然冷卻后離心分離并用去離子水清洗三次待用。

為考察時間因素對Ag納米粒子形貌的影響，在其他條件不變的前提下，我們還分別進行了1小時 、4小時和6小時反應時間的實驗。

1.2 Ag納米粒子的表征

Ag納米粒子的形貌和尺寸通過透射電子顯微鏡(TEM，Hitachi H-7500，加速電壓80 KV)進行表征。將少量Ag納米粒子超聲分散到乙醇溶劑中形成濃度適中的懸濁液，并滴加到鋪有Formvar膜的銅網(wǎng)上自然晾干后即可進行透射電子顯微鏡的測試。樣品的紫外吸收光譜(UV-vis)在PE Lamda 35紫外可見光譜儀上獲得。

1.3 Ag納米粒子SERS活性的考察

配置不同濃度的孔雀石綠水溶液(10-3mol·L-1～10-12mol·L-1)，并分別量取0.5 mL加入少量Ag納米球，超聲分散一分鐘后靜置半小時，然后吸取1～2滴混懸液置于干凈的玻璃片上自然晾干或吹干后在DXR共聚焦顯微拉曼光譜儀上進行拉曼光譜的測試，激發(fā)波長為325 nm，光譜采集范圍100～2500 cm-1，積分時間10s，曝光數(shù)3次。

2 結(jié)果與討論

圖1所示的是2h反應時間所得銀納米粒子的透射電子顯微鏡(TEM)圖片。由圖可以看出，所制備的Ag納米粒子基本呈球形，尺寸分布較窄，基本在20～40 nm之間，非常均勻。

圖2a所示的為反應1 h所得納米粒子的TEM圖片，可以看到，此時Ag納米粒子已經(jīng)形成，但形狀多呈現(xiàn)橢球形，且尺寸分布相對較寬，在10～50 nm范圍內(nèi)。這說明在1 h和2 h之間反應體系中主要進行了晶體的熟化，使得粒子的形狀趨于圓形從而獲得較小的吉布斯自由能而使粒子更穩(wěn)定。但這并不意味著反應時間越長越完美，當反應時間延長到4小時(圖2a)，粒子逐漸失去其圓形外貌而開始長出棱角，個別粒子尺寸增大到近100 nm，這說明有些晶面在熟化過程中逐漸消失。繼續(xù)延長反應時間至6 h，形貌沒有明顯變化。圖2c所示的是不同反應時間所得納米粒子的UV-vis譜圖，可以看出，1 h所得產(chǎn)物的最強吸收峰在427 nm左右，且吸收峰較寬，說明此時粒子的尺寸分布較寬，形狀不是圓形。而2h產(chǎn)物的最強吸收峰藍移至410 nm左右，這是典型的球形銀納米粒子的表面等離子共振特征吸收峰，另外整個吸收峰較為尖銳，也說明所得粒子的尺寸分布很窄，這與透射電鏡結(jié)果是一致的。圖2c中還給出了反應4 h和6 h時產(chǎn)物的UV-vis吸收光譜，可以看到最強吸收峰的位置還在410 nm左右，但在570nm左右出現(xiàn)一個較寬的肩峰，說明此時產(chǎn)物中有尺寸較大的粒子出現(xiàn)，這也與TEM表征結(jié)果一致。

圖2 (a)反應時間1 h得到的Ag納米粒子的TEM圖片；(b)反應時間4 h得到的Ag納米粒子的TEM圖片；(c)不同反應時間所得產(chǎn)物的UV-vis吸收光譜 (A:1 h; B: 2 h; C: 4 h; D: 6 h)

考慮到SERS活性對粒子尺寸的要求以及對活性晶面的要求，我們認為2 h所得的球形銀納米粒子應當具有最高的活性，并將之應用于不同濃度孔雀石綠的SERS檢測，所得結(jié)果如圖3所示。可以看到，孔雀石綠在433 nm、798 nm、913 nm、1172 nm、1360 nm 和1610 nm處的特征峰都得到了很大的增強，即使是濃度低至10-12mol·L-1仍能夠看到清晰可辨的特征拉曼峰，說明本文所提供的Ag納米球可以作為很好的SERS基底檢測痕量的孔雀石綠。

圖3 用Ag納米球為基底增強后的孔雀石綠的拉曼光譜：(a)-A，10-3 mol·L-1；(a)-B，10-6 mol·L-1； (b) -A，10-8 mol·L-1；(b)-B，10-10 mol·L-1；(b)-C，10-12 mol·L-1。

3 結(jié)論

以PVP為封端劑，采用溶劑熱法并利用乙醇溶劑在高溫下產(chǎn)生還原性物質(zhì)的特性制備得到了尺寸均勻的20-40 nm的Ag納米球，通過調(diào)整反應時間還可以得到尺寸略有變化的橢球形和帶棱角的Ag納米粒子。所制備的Ag納米粒子表現(xiàn)出良好的SERS活性，作為基底檢測孔雀石綠的檢測限可以達到10-12mol·L-1。本方法操作簡單，靈敏度高，適合食品安全監(jiān)管部門以及食品生產(chǎn)企業(yè)的快速、高通量、現(xiàn)場化的檢測。

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責任編輯：程艷艷

Research on Preparation for Silver Nanospheres and Their Surface-enhanced Raman Scattering

LI Dong

(Inspection Center of Lishen Pump Industry Co., Ltd, Daqing Oilfield Manufacturing Equipment Group， Daqing 163311, China)

A method of solvent-thermal preparation for silver nanospheres with high Surface-enhanced Raman Scattering(SERS)is given, in which polyvinylpyrrolidone is taken as the capping reagent, and ethanol as both solvent and reducer. The obtained silver nanospheres have narrow size distribution and uniform shape. When they are used as SERS substrate to detect model illegal drugs (malachite green oxalate), the obtained silver nanospheres show higher activity, and even the concentration of malachite green oxalate is as low as 10-12mol·L-1, it could still be detected.

silver; nanospheres; Surface-enhanced Raman Scattering; malachite green oxalate

2016-11-16

李東(1972-)，男，黑龍江賓縣人，工程師，主要從事化學分析方面研究。

TK124

A

1009-3907(2017)02-0020-04