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(xué)院食品科學(xué)與工程技術(shù)研究院，廣西賀州542899；2.大連工業(yè)大學(xué)食品學(xué)院，遼寧大連116034）

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，膠體納米材料的應(yīng)用不斷推廣，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。金屬納米膠體的應(yīng)用由化學(xué)催化、攝影、著色技術(shù)已發(fā)展到分子生物學(xué)、醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)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(yīng)用于表面增強(qiáng)拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）研究，其目的是獲得膠體穩(wěn)定機(jī)理的詳細(xì)信息[1]。近幾十年來(lái)，人們經(jīng)過(guò)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(hào)強(qiáng)度增強(qiáng)105～107個(gè)數(shù)量級(jí)，尤其是銀溶膠和金溶膠，以它們來(lái)做SERS活性基底已經(jīng)獲得了多種分子高質(zhì)量的表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）光譜，并廣泛用于探討SERS增強(qiáng)機(jī)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(shí)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(shí)驗(yàn)工作者的重視，而且金納米具有特殊的光學(xué)特性、生物相容性及催化特性，被作為檢測(cè)H2O2、Hg2+、白蛋白最普遍的納米標(biāo)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(zhǎng)法[5]、無(wú)核原位生長(zhǎng)法[6]和仿生合成法[7]。最常用的合成方法是種子生長(zhǎng)法，用于有核金納米花的合成，而且通過(guò)對(duì)還原劑及反應(yīng)條件的調(diào)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(zhǎng)而寬，具有較高表面增強(qiáng)拉曼活性，適用于發(fā)展為SERS標(biāo)記和用于SERS成像[9]，但耗時(shí)長(zhǎng)。微波輔助合成表面增強(qiáng)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(shí)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)摸索制備出穩(wěn)定的、具有較高表面增強(qiáng)效果的藍(lán)青色金納米花（gold nano－flower，AuNF）溶膠，利用熒光分光光度計(jì)、紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)試了金納米花（AuNF）溶膠的共振光譜和吸收光譜，結(jié)合AuNF測(cè)維多利亞藍(lán)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(qiáng)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(guó)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(shí)間為1.0 s，樣品曝光時(shí)間為30 s；F－4600熒光分光光度計(jì)：日立高新技術(shù)公司，激發(fā)波長(zhǎng)為200 nm，發(fā)射波長(zhǎng)為200 nm～700 nm，狹縫為5.0，電壓為380 V；Evolution300型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)：廣西金鑫進(jìn)出口有限公司，步長(zhǎng)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(guó)藥集團(tuán)化學(xué)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(chǎng)；維多利亞藍(lán)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(wú)色→淡藍(lán)色，當(dāng)顏色為淺藍(lán)色時(shí)立即移入700 W微波爐加熱20 s，得到藍(lán)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(zhǔn)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(lán)B（victoria blue B，VBB）溶液。試驗(yàn)時(shí)取 10 μL配置好的 1×10－4mol/L 維多利亞藍(lán) B 溶液與 90 μL、2.23×10－4mol/L藍(lán)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(jìn)行常規(guī)拉曼光譜測(cè)試。

2 結(jié)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(cè)物的SERS信號(hào)得到增強(qiáng)。高氯酸鹽、硝酸鹽、氯化物及一些有機(jī)聚合物常被用來(lái)作為聚集劑。試驗(yàn)加入的Ag+通過(guò)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(hào)得到增強(qiáng)。同樣無(wú)機(jī)鹽NaCl可使SERS信號(hào)增強(qiáng)。當(dāng)同時(shí)加入AgNO3和NaCl時(shí)，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(guò)強(qiáng)疏水作用力形成大而穩(wěn)定的AuNF/AgCl聚集體，從而使SERS信號(hào)大幅度增強(qiáng)。

2.2 高SERS活性AuNF的TEM圖

AuNF的TEM圖見(jiàn)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(yīng)，提高基底的增強(qiáng)效果。因此，可預(yù)測(cè)合成的AuNF溶膠適用于做表面增強(qiáng)拉曼的基底。

2.3 高SERS活性AuNF的紫外一可見(jiàn)吸收光譜

球狀金納米粒子只有一個(gè)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(huì)發(fā)生紅移或展寬，溶膠的顏色會(huì)由紅色變?yōu)樗{(lán)色或紫色。棒狀金納米粒子產(chǎn)生2個(gè)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(zhǎng)波長(zhǎng)范圍。試驗(yàn)制備的金納米溶膠最大吸收峰在601 nm處見(jiàn)圖2，且其吸收峰的半峰寬大于100 nm，說(shuō)明制備的金納米花狀尖端較長(zhǎng)，具有較好的尖端效應(yīng)，適用于表面增強(qiáng)拉曼基底。在不同微波時(shí)間條件下其最大吸收峰的位置發(fā)生變化（見(jiàn)圖3）。由此可知，微波時(shí)間在5 s～25 s之間，最大吸收峰會(huì)發(fā)生紅移，表明金納米花不斷長(zhǎng)大；微波時(shí)間超過(guò)25 s時(shí)，最大吸收峰發(fā)生藍(lán)移，可能溫度過(guò)高導(dǎo)致尖端納米花被鈍化，導(dǎo)致粒徑變小。微波20 s制得的金納米花溶膠吸收峰較高，說(shuō)明該反應(yīng)時(shí)間制得的金納米花在溶液中的濃度最大，當(dāng)微波時(shí)間超過(guò)20 s，會(huì)使生成的AuNF產(chǎn)生沉淀，導(dǎo)致吸收峰強(qiáng)度降低。故實(shí)驗(yàn)選擇微波20 s的條件來(lái)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(shí)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(yīng)使其有4 個(gè) RRS 峰，他們的位置分別為282、365、437、495 nm見(jiàn)圖4。隨著微波時(shí)間的增加，RRS峰先增強(qiáng)后減弱見(jiàn)圖5。

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

圖5 不同微波時(shí)間AuNF的RRS光譜Fig.5 RRS spectra of AuNF at different microwave time

當(dāng)微波時(shí)間為20 s時(shí)，RRS最強(qiáng)，故選擇微波20 s來(lái)制備金納米花。

2.5 高SERS活性AuNF的表面增強(qiáng)拉曼散射能力

以維多利亞藍(lán)B為分子探針，檢驗(yàn)試驗(yàn)制備的AuNF的SERS活性見(jiàn)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(qiáng)，由此可知，所制得的AuNF具有較強(qiáng)的表面增強(qiáng)效應(yīng)。AuNF在不同無(wú)機(jī)鹽的作用下SERS效應(yīng)增強(qiáng)（見(jiàn)圖7）。從圖可知，在基底AuNF中分別加入無(wú)機(jī)鹽AgNO3和NaCl后，1 618 cm－1處SERS峰增強(qiáng)，說(shuō)明無(wú)機(jī)鹽的加入使AuNF聚集，SERS效應(yīng)增強(qiáng)。同時(shí)加入AgNO3和NaCl，兩者反應(yīng)生成AgCl膠體，在膠體的存在下，1 618 cm-1處SERS峰顯著性增強(qiáng)，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(qiáng)。

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(jié)論

采用微波輔助氧化還原法，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)摸索制備得到了具有較好增強(qiáng)效果的金納米花溶膠。測(cè)試并分析了所制備銀溶膠的紫外一可見(jiàn)吸收光譜圖，結(jié)果表明所制備金納米花溶膠的粒徑基本上分布在一個(gè)相當(dāng)窄的范圍內(nèi)。以VBB為例檢驗(yàn)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(shí)膠體AgCl的存在，使SERS效應(yīng)顯著性增強(qiáng)。這為該基底用于食品分析研究工作奠定了好的基礎(chǔ)。

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