微波輔助三乙醇胺還原法制備高SERS活性AuNF

黎小椿，龐永豐，2，張志，蘇林靜，唐小閑，羅楊合，2，*，黃雙全，2

（1.賀州學院食品科學與工程技術研究院，廣西賀州542899；2.大連工業(yè)大學食品學院，遼寧大連116034）

隨著科學技術的發(fā)展與進步，膠體納米材料的應用不斷推廣，應用領域也在不斷擴大。金屬納米膠體的應用由化學催化、攝影、著色技術已發(fā)展到分子生物學、醫(yī)學等多個領域。金屬膠體納米材料由于具有催化活性、生物相容性等倍受人們的追捧。Wiesner等最初將金屬納米膠體應用于表面增強拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）研究，其目的是獲得膠體穩(wěn)定機理的詳細信息[1]。近幾十年來，人們經(jīng)過大量研究證明，金屬膠體可作為高效SERS活性基底，它們可使吸附分子的拉曼信號強度增強105～107個數(shù)量級，尤其是銀溶膠和金溶膠，以它們來做SERS活性基底已經(jīng)獲得了多種分子高質量的表面增強拉曼散射（SERS）光譜，并廣泛用于探討SERS增強機制的研究中[2－3]。由于金屬溶膠是一種方便、有效、靈敏度很高的吸附襯底，同時在激光照射下金屬溶膠中不存在像其它襯底那樣的光損傷，因而它一直深受理論和實驗工作者的重視，而且金納米具有特殊的光學特性、生物相容性及催化特性，被作為檢測H2O2、Hg2+、白蛋白最普遍的納米標志物之一[4]。目前，金屬膠體納米材料的合成方法主要是還原法，而金納米花的合成方法主要有種子生長法[5]、無核原位生長法[6]和仿生合成法[7]。最常用的合成方法是種子生長法，用于有核金納米花的合成，而且通過對還原劑及反應條件的調節(jié)和控制可合成具有不同形態(tài)、尺寸和尖端的金納米花[8－9]。采用胺還原法合成的金納米花表面干凈，尖端長而寬，具有較高表面增強拉曼活性，適用于發(fā)展為SERS標記和用于SERS成像[9]，但耗時長。微波輔助合成表面增強拉曼活性基底的方法已有研究[10－12]，它大大縮短了納米材料合成的時間，且合成基底較為穩(wěn)定。本文采用氧化還原微波制備方法，用三乙醇胺和氯金酸制備表面高度分支化的金納米花。并通過反復試驗摸索制備出穩(wěn)定的、具有較高表面增強效果的藍青色金納米花（gold nano－flower，AuNF）溶膠，利用熒光分光光度計、紫外可見分光光度計測試了金納米花（AuNF）溶膠的共振光譜和吸收光譜，結合AuNF測維多利亞藍B（Victoria blue B，VBB）的SERS光譜篩選出最佳制備條件，并用VBB初步判斷所制備銀溶膠的增強效果。

1 材料與方法

1.1 儀器與試劑

633nm DXR smart拉曼光譜儀：美國Thermo公司，激光功率為8.0 mW，激光到樣品表面的功率為3 mW，光闌為50，使用智能背景，采集時間為1.0 s，樣品曝光時間為30 s；F－4600熒光分光光度計：日立高新技術公司，激發(fā)波長為200 nm，發(fā)射波長為200 nm～700 nm，狹縫為5.0，電壓為380 V；Evolution300型紫外可見分光光度計：廣西金鑫進出口有限公司，步長范圍為200 nm～1 000 nm，頻寬（Bandwidth）為0.5 nm，掃描速度（Scan Speed）為240 nm/min，間隔數(shù)據(jù)（Data Interval）為1.0 nm，燈變（Lamp Change）為Xenon，圖高為2.000 A，圖低為0.000 A；MR Hei－Tec加熱型磁力攪拌器：德祥科技有限公司；JEM－2010高分辨透射電子顯微鏡：電子束加速電壓200 kV。

氯金酸（AR）：國藥集團化學試劑有限公司；三乙醇胺（AR）、乙二醇（AR）、硝酸銀（AR）：廣東光華科技股份有限公司；氯化鈉（AR）：成都科龍化工試劑廠；維多利亞藍B（AR）：匯普化工有限公司；超純水（18.25 MΩ·cm）。

1.2 方法

金納米花（AuNF）溶膠的制備：把裝有20 mL乙二醇的錐形瓶放入磁力攪拌器上的燒杯中40℃水浴加熱，在攪拌的條件下（700 r/min）先后加入 200 μL、1%的 HAuCl4和 405 μL、2.5 mol/L 新制備的三乙醇胺，充分混合后，顏色由淡黃色→無色→淡藍色，當顏色為淺藍色時立即移入700 W微波爐加熱20 s，得到藍青色金納米花，其濃度為2.23×10－4mol/L。冷卻后置于 4℃冰箱中密封保存。

準確配置 5.76 × 10－3mol/L 的硝酸銀溶液、1 ×10－3mol/L的氯化鈉溶液和1×10－4mol/L維多利亞藍B（victoria blue B，VBB）溶液。試驗時取 10 μL配置好的 1×10－4mol/L 維多利亞藍 B 溶液與 90 μL、2.23×10－4mol/L藍青色金納米花溶膠混合，然后依次加入80 μL、5.76×10－3mol/L的硝酸銀溶液和 90 μL、1×10－3mol/L的氯化鈉溶液，最后定容2 mL，倒入比色皿直接進行常規(guī)拉曼光譜測試。

2 結果與分析

2.1 方法原理

在金屬膠體溶液中，納米粒子的聚集可使檢測物的SERS信號得到增強。高氯酸鹽、硝酸鹽、氯化物及一些有機聚合物常被用來作為聚集劑。試驗加入的Ag+通過分子間的作用力吸附在納米表面使AuNF形成不穩(wěn)定的聚集體，SERS信號得到增強。同樣無機鹽NaCl可使SERS信號增強。當同時加入AgNO3和NaCl時，AgNO3和NaCl形成溶解度較低的AgCl膠體，Au原子與AgCl分子表面通過強疏水作用力形成大而穩(wěn)定的AuNF/AgCl聚集體，從而使SERS信號大幅度增強。

2.2 高SERS活性AuNF的TEM圖

AuNF的TEM圖見圖1。

圖1 AuNF的TEM圖Fig.1 Figure TEM of AuNF

從AuNF的TEM圖（圖1）中可知，采用微波輔助三乙醇胺還原氯金酸可快速合成金納米花（AuNF）溶膠，合成的AuNF粒徑在50 nm～100 nm之間，尖端較多，且表面比較粗糙，有效增加基底與底物的接觸，還有利于不同粒子間形成針尖效應，提高基底的增強效果。因此，可預測合成的AuNF溶膠適用于做表面增強拉曼的基底。

2.3 高SERS活性AuNF的紫外一可見吸收光譜

球狀金納米粒子只有一個位于500 nm～550 nm的吸收峰，伴隨著粒徑的增大或聚集吸收峰會發(fā)生紅移或展寬，溶膠的顏色會由紅色變?yōu)樗{色或紫色。棒狀金納米粒子產(chǎn)生2個吸收峰，垂直于棒軸向的橫向吸收峰位于510 nm～530 nm，沿著棒軸向的眾向吸收峰位于更長波長范圍。試驗制備的金納米溶膠最大吸收峰在601 nm處見圖2，且其吸收峰的半峰寬大于100 nm，說明制備的金納米花狀尖端較長，具有較好的尖端效應，適用于表面增強拉曼基底。在不同微波時間條件下其最大吸收峰的位置發(fā)生變化（見圖3）。由此可知，微波時間在5 s～25 s之間，最大吸收峰會發(fā)生紅移，表明金納米花不斷長大；微波時間超過25 s時，最大吸收峰發(fā)生藍移，可能溫度過高導致尖端納米花被鈍化，導致粒徑變小。微波20 s制得的金納米花溶膠吸收峰較高，說明該反應時間制得的金納米花在溶液中的濃度最大，當微波時間超過20 s，會使生成的AuNF產(chǎn)生沉淀，導致吸收峰強度降低。故實驗選擇微波20 s的條件來制備金納米花。

圖2 AuNF的吸收光譜Fig.2 Absorption spectra of AuNF

圖3 不同微波時間AuNF的吸收光譜Fig.3 Absorption spectra of AuNF at different microwave time

2.4 高SERS活性AuNF的共振瑞利散射（resonance rayeigh scattering，RRS）光譜

AuNF有著特殊的表面粗糙度及尖端效應使其有4 個 RRS 峰，他們的位置分別為282、365、437、495 nm見圖4。隨著微波時間的增加，RRS峰先增強后減弱見圖5。

圖4 AuNF的RRS光譜Fig.4 RRS spectra of AuNF

圖5 不同微波時間AuNF的RRS光譜Fig.5 RRS spectra of AuNF at different microwave time

當微波時間為20 s時，RRS最強，故選擇微波20 s來制備金納米花。

2.5 高SERS活性AuNF的表面增強拉曼散射能力

以維多利亞藍B為分子探針，檢驗試驗制備的AuNF的SERS活性見圖6。由圖6分析可知，在1 618 cm－1處，出現(xiàn)了VBB的SERS光譜特征峰，隨著AuNF濃度的增大，SERS光譜峰逐漸增強，由此可知，所制得的AuNF具有較強的表面增強效應。AuNF在不同無機鹽的作用下SERS效應增強（見圖7）。從圖可知，在基底AuNF中分別加入無機鹽AgNO3和NaCl后，1 618 cm－1處SERS峰增強，說明無機鹽的加入使AuNF聚集，SERS效應增強。同時加入AgNO3和NaCl，兩者反應生成AgCl膠體，在膠體的存在下，1 618 cm-1處SERS峰顯著性增強，表明膠體AgCl使AuNF形成更穩(wěn)定的聚集體，從而使SERS活性增強。

圖6 不同濃度AuNF的SERS光譜Fig.6 SERS spectra of AuNF at different concentrations

圖7 不同聚集體下VBB的SERS光譜Fig.7 SERS spectra of VBB under different aggregates

3 結論

采用微波輔助氧化還原法，通過反復試驗摸索制備得到了具有較好增強效果的金納米花溶膠。測試并分析了所制備銀溶膠的紫外一可見吸收光譜圖，結果表明所制備金納米花溶膠的粒徑基本上分布在一個相當窄的范圍內。以VBB為例檢驗了其SERS活性。綜上所述，微波20 s條件下所制備的金納米花溶膠適合用作SERS活性基底，同時膠體AgCl的存在，使SERS效應顯著性增強。這為該基底用于食品分析研究工作奠定了好的基礎。

[1]Wiesner J,Wokaun A,Hoffmann H.Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)of surfactants adsorbed to colloidal particles[J].Progress in Colloid and Polymer Science,1988,117:271-277

[2]Fornasiero D,Grieser F.Analysis of the visible absorption and SERS excitation spectra of silver sols[J].The Journal of Chemical Physics,1987,87(5):3213-3217

[3]Ji Y W,Ren M L,Li Y P,et al.Detection of aflatoxin B 1 with immunochromatographic test strips:Enhanced signal sensitivity using gold nanoflowers[J].Talanta,2015,142:206-212

[4]Jiang Z L,Qin H M,Liang A H.A New Nanocatalytic Spectrophotometric Assay for Cationic Surfactant Using Phosphomolybdic Acid-Formic Acid-Nanogold as Indicator Reaction[J].Chinese journal of structural chemistry,2012,30(1):59-64

[5]Zou X Q,Ying E B,Dong S J.Seed-mediated synthesis of branched gold nanoparticles with the assistance of citrate and their surfaceenhance Raman scattering properties[J].Nanotechnology,2006,17(18):4758-4764

[6]Han J,Li J,Jia W,et al.Photothermal therapy of cancer cells using novel hollow gold nanoflowers[J].International Journal of Nanomedicine,2014,16(9):517

[7]Huang P,Pandoli O,Wang X S,et al.Chiral Guanosine 5'-Monophosphate-Capped Gold Nanoflowers:Controllable synthesis,Characterization,Surface-Enhanced Raman Scattering Activity,Cellular Imaging and Photothermal Therapy[J].Nano Research,2012,5(9):630-639

[8]Zhang Q L,Zhou D L,Li Y F,et al.Cytosine-assisted synthesis of gold nanochains and gold nanoflowers for the construction of a microperoxidase-11 based amperometric biosensor for hydrogen peroxide[J].Microchimica Acta,2014,181(11/12):1239-1247

[9]Jiang Y Y,Wu X J,Li Q,et al.Facile synthesis of gold nanoflowers with high surface-enhanced Raman scattering activity[J].Nanotechnology,2011,22(38):385601

[10]Wang Y H,Zhang X H,Wen G Q,et al.Facile synthesis of a highly SERS active nanosilver sol using microwaves and its application in the detection of E.coli using Victoria blue B as a molecular probe[J].Analytical Methods,2016,8(24):4881-4887

[11]范培迪,汪孝亮,梁愛惠,等.微波輻照乙醇還原法綠色合成納米金溶膠[J].光譜學與光譜分析,2016,36(10):317-318

[12]彭宇濤,梁愛惠,蔣治良.微波綠色合成金納米溶膠及其光譜特性研究[J].光譜學與光譜分析,2016,36(10):407-408