小尺寸金石墨納米顆粒的合成與表征

劉芳，張魯鳳，董倩，陳卓

湖南大學(xué)化學(xué)生物傳感與計(jì)量學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長沙 410082

1 引言

表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)自發(fā)現(xiàn)以來，已被廣泛應(yīng)用在單分子檢測1,2、生物醫(yī)學(xué)診斷3,4、環(huán)境監(jiān)控5,6等領(lǐng)域。等離子體納米顆粒，如金、銀納米粒子，因?yàn)槠涔逃薪殡姾瘮?shù)，納米級尺寸和等離子體振蕩特性展現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)7，被廣泛應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)納米技術(shù)中。在十到數(shù)百納米的尺寸范圍內(nèi)，來自金屬納米顆粒表面的電子和來自入射光的光子耦合產(chǎn)生局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)，增強(qiáng)了納米顆粒附近的電磁場，這種高的電磁場能極大的增強(qiáng)分析物的拉曼信號8。因此等離子體納米平臺被用作拉曼信號放大器，使SERS成為了超靈敏的檢測工具。等離子體金屬基底的制備一直是過去幾十年的研究熱點(diǎn)9-14，然而開發(fā)的金屬基底通常穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，因此制備穩(wěn)定的等離子體金屬納米基底仍是一個(gè)挑戰(zhàn)15。

自從2004年Novoselov等16在石墨中分離出石墨烯以來，大量的研究工作一直致力于石墨烯和石墨烯復(fù)合材料的研究與應(yīng)用17,18。石墨烯是一種無限延伸的二維碳晶體，是由碳原子緊密排列形成的蜂窩網(wǎng)狀六角平面晶體19。石墨烯具有大的比表面積，高透明度，優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和柔韌性，良好的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性以及優(yōu)異的電子性能等20。除了這些優(yōu)異的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)外，2009年報(bào)道發(fā)現(xiàn)其具有石墨烯增強(qiáng)拉曼散射(GERS)21，因此將它和等離子體納米粒子結(jié)合能夠有效地提高SERS性能。與等離子體金屬納米顆粒的SERS基底相比，除了化學(xué)增強(qiáng)作用，石墨烯同時(shí)具備表面分子富集、猝滅熒光、表面高度均勻、強(qiáng)的化學(xué)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。因此石墨金屬復(fù)合納米材料制備的SERS基底，受到各國研究人員的關(guān)注22-25。

本文通過化學(xué)氣相沉積(CVD)法合成小尺寸的具有核殼結(jié)構(gòu)的金石墨納米顆粒(Au@G)，其粒徑約為17 nm。Au@G中內(nèi)核的Au NP具有拉曼增強(qiáng)作用，石墨化的外層保證了材料的穩(wěn)定性并且其大的比表面積又具有很強(qiáng)的富集功能，是一種較理想的SERS基底。通過CVD法制備得到的Au@G表面潔凈，拉曼光譜峰獨(dú)特，在分子檢測與細(xì)胞內(nèi)的成像分析等領(lǐng)域中具有巨大的應(yīng)用潛能。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

正硅酸乙酯(TEOS)購于阿拉??；十四烷基三甲基溴化銨(TTAB)、硼氫化鈉(NaBH4)購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；氫氧化鈉(NaOH)、氯金酸(HAuCl4)、氫氟酸(HF)、乙醇購于長沙試劑公司；結(jié)晶紫(CV)、C18-PEG購于Sigma Aldrich。所有試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水均來自Milli-Q Integral System的超純水(電阻率＞ 18 M?·cm)。

JEOL 2010透射電子顯微鏡(日本電子株式會社)，Zeta sizer Nano ZS90激光粒度儀(英國馬爾文儀器有限公司)，UV 2450紫外分光光度計(jì)(日本島津公司)，Invia-reflex激光共聚焦拉曼光譜儀(英國雷尼紹公司)。

2.2 實(shí)驗(yàn)部分

2.2.1 合成TTAB穩(wěn)定的金溶膠

TTAB溶液(12.5 mL，100 mmol·L-1)與29.5 mL水混合，室溫?cái)嚢钘l件下加入HAuCl4(5 mL，10 mmol·L-1)溶液，并繼續(xù)攪拌10 min。將溶液在攪拌條件下加熱到50 °C，緩慢加入冰的NaBH4溶液(3 mL，500 mmol·L-1)，50 °C下攪拌反應(yīng)15 h。

2.2.2 合成Au@m-SiO2

Au@m-SiO2通過模板法合成26，取18 mL TTAB穩(wěn)定的金溶膠，加入TTAB溶液(162 mL，0.15 mmol·L-1)，混合均勻，然后加入NaOH溶液(0.9 mL，1 mmol·L-1)調(diào)節(jié)pH至11.4，加入TEOS溶液(0.4-1.5 mL)，在25 °C下攪拌反應(yīng)3 h。

2.2.3 合成Au@G

Au@m-SiO2溶液分別用水、乙醇離心洗滌(12000 r·min-1，5 min)，洗去多余的TTAB，并在60 °C下干燥得到固體。將固體研磨成粉末并在550 °C下煅燒3 h。然后稱取適量粉末放入CVD管式爐中，于1000 °C下在CH4與H2氣氛下進(jìn)行化學(xué)氣相沉積，得到的產(chǎn)物冷卻至室溫后加入HF酸處理去除二氧化硅模板并用超純水洗至中性，最后加入C18-PEG超聲分散。

2.2.4 TEOS濃度優(yōu)化

在合成Au@m-SiO2這一步時(shí)，改變加入TEOS的體積，TEOS濃度為7.7、6.2、5.1、3.1、2.1 mg·mL-1分別對應(yīng)加入TEOS的體積為1.5、1.2、1.0、0.6、0.4 mL。反應(yīng)其他條件不變。

2.2.5 結(jié)晶紫(CV)分子的檢測

CV的SERS光譜：取10 μL Au@G與CV混合溶液(CV，3 μmol·L-1)滴于玻片上，室溫干燥后進(jìn)行拉曼測試(532 nm，10%激光功率，曝光時(shí)間1 s，累積1次)。

CV拉曼光譜：取10 μL CV水溶液(10μmol·L-1)滴于玻片上，室溫干燥后進(jìn)行拉曼測試(532 nm，10%激光功率，曝光時(shí)間1 s，累積5次)。

3 結(jié)果與討論

3.1 透射電子顯微鏡分析

在TTAB作為保護(hù)劑條件下，利用NaBH4還原HAuCl4得到了粒徑在7 nm左右的Au NP，如圖1a、b，可以看出所合成的Au NP粒徑較為均一。

在合成的TTAB保護(hù)的金溶膠中，以TEOS為原料，TTAB為模板，在Au NP上包覆了介孔二氧化硅層(Au@m-SiO2)。圖1c、d是Au@m-SiO2的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，可以看出Au NP的尺寸沒有太大變化，在9 nm左右，包覆的介孔二氧化硅層的厚度約為45 nm。

圖1 Au NP, Au@m-SiO2, Au@G的透射電子顯微鏡圖像Fig. 1 TEM images of Au NP, Au@m-SiO2,Au@G.(a, b) TEM images of Au NP; scale bar, (a) 50 nm, (b) 20 nm.(c, d) TEM images of Au@m-SiO2; scale bar, (c) 50 nm, (d) 20 nm.TEM (e) and HR-TEM (f) images of Au@G; scale bar, 20 nm and 5 nm.

將得到的Au@m-SiO2通過CVD法在Au NP上生長石墨化的碳層，之后將得到的產(chǎn)物用HF刻蝕去掉二氧化硅模板,得到金石墨納米顆粒(Au@G)。圖1e是Au@G的TEM圖像，Au NP的尺寸明顯增大，尺寸約為17 nm。在CVD沉積石墨階段，反應(yīng)溫度達(dá)1000 °C，Au NP在此溫度下呈熔融狀態(tài)，易與周圍金顆粒相互熔合導(dǎo)致尺寸變大，所以Au@m-SiO2盡管有外層介孔二氧化硅的保護(hù)，但是尺寸上還是存在一定程度的增大。Au@G是由內(nèi)核的Au NP和外層的石墨殼構(gòu)成，如圖1f是Au@G的高分辨率透射電子顯微鏡(HR-TEM)圖像，可以看出Au NP外部包覆了較薄的石墨化碳層。

3.2 Au@G的表征

圖2a是Au NP和Au@G的紫外吸收光譜，Au NP的共振吸收峰在518 nm處，與其TEM上顯示的粒徑尺寸一致。相比Au NP，Au@G的共振吸收峰發(fā)生了紅移出現(xiàn)在523 nm處，說明Au@G的尺寸變大，這與TEM上的分析結(jié)果一致。Au@G的紫外吸收光譜在249 nm處出現(xiàn)了新的吸收峰，對應(yīng)芳香C＝C的躍遷，與TEM上分析結(jié)果一致，進(jìn)一步說明石墨化碳層的成功包覆。圖2b是Au@G的Zeta電位測試，Au@G表面帶少量負(fù)電荷(-4.7 mV)，其表面的負(fù)電荷可能是由于在石墨生長過程中引入了少量的含氧基團(tuán)。圖2c是Au@G的拉曼光譜，其中1350 cm-1為D峰，D峰為石墨中sp2雜化碳原子的環(huán)呼吸振動模式，表現(xiàn)的是碳晶格的無序和缺陷。G峰在1600 cm-1，G峰是石墨sp2雜化碳原子的面內(nèi)振動模式。

圖2 所合成的Au@G的表征Fig. 2 Characterization of synthesized Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au NP (red line) and Au@G (blue line). (b) Zeta potential of Au@G. (c) Raman spectrum of Au@G.

3.3 TEOS濃度對合成Au@G的影響

在制備Au@G過程中，為避免CVD高溫反應(yīng)過程中Au NP互相熔合，而導(dǎo)致其尺寸難以控制，我們在Au NP上包覆了一層介孔二氧化硅，但是二氧化硅層的厚度也會對石墨化碳層的沉積產(chǎn)生影響。二氧化硅層的厚度通過TEOS的濃度來控制，因此我們研究了TEOS的濃度對CVD生長過程中石墨化碳層沉積的影響。圖3a是不同濃度下TEOS所制得Au@G的紫外吸收光譜。從圖中可以看出，所有條件下合成的Au@G的共振吸收峰都在相同區(qū)域。說明在試驗(yàn)中所使用的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的TEOS條件下所形成的二氧化硅層都能夠?qū)u NP很好的包覆，在CVD反應(yīng)過程起到了保護(hù)尺寸的作用。圖3b是不同濃度TEOS所制得Au@G的拉曼光譜。從圖中看出，隨TEOS濃度的降低，所制得Au@G的G峰變得尖銳且G峰與D峰強(qiáng)度比值增加。而G峰對應(yīng)石墨結(jié)構(gòu)的峰，D峰為晶格的缺陷峰，說明TEOS的濃度降低，石墨化程度增高。TEOS濃度降低，導(dǎo)致所合成的二氧化硅層變薄，使Au@m-SiO2在CVD生長過程中，高溫裂解的C原子能更容易的接觸到金顆粒表面，最終得到石墨化程度高的Au@G。所以在試驗(yàn)所用的濃度范圍內(nèi)，不同濃度的TEOS對Au@G的尺寸影響不大，但是TEOS濃度的降低有利于合成石墨化程度高的Au@G。

3.4 結(jié)晶紫分子的檢測

使用CVD法來生長石墨，這種高溫制備方法得到的金石墨納米顆粒幾乎沒有雜質(zhì)，拉曼光譜中也只有石墨的特征峰，與直接使用Au NP來進(jìn)行SERS分析相比干擾更小。Au@G內(nèi)核是Au NP，具有LSPR效應(yīng)，能夠作為SERS基底進(jìn)行分子檢測。Au@G的石墨化外殼還能進(jìn)行分析物的表面富集，能夠進(jìn)一步提高SERS檢測靈敏度。因此，我們利用Au@G作為SERS基底對結(jié)晶紫(CV)進(jìn)行了拉曼測試(圖4a)。Au@G能夠明顯增強(qiáng)CV的拉曼信號，除了石墨的D、G峰之外都是CV的特征峰(805、913、1171、1360 cm-1等)，分析待測物的拉曼圖譜較為簡單。將CV位于1171 cm-1處的拉曼峰(圖4a中箭頭處)的強(qiáng)度進(jìn)行量化，得到圖4b，根據(jù)公式EF = (ISERS/IRaman) × (CRaman/CSERS)計(jì)算得到(I是CV在1171 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度，C代表CV濃度)，Au@G對CV的增強(qiáng)超過200倍。

圖3 TEOS濃度對Au@G合成的影響Fig. 3 Influence of TEOS concentration to the synthesis of Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS. (b) Raman spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS.

圖4 CV分子的拉曼檢測Fig. 4 Raman detection of CV molecules.(a) Raman detection of 3 μmol·L-1 CV with Au@G (red line) and 10 μmol·L-1 CV without Au@G (black line).(b) Corresponding quantitative data analysis of (a).

4 結(jié)論

本文通過CVD法制備了小尺寸的Au@G，通過在Au NP上包覆介孔二氧化硅層，來控制Au@G的尺寸，最終得到的Au@G粒徑約為17 nm。此外，我們研究了反應(yīng)過程中TEOS的濃度對合成Au@G的影響。結(jié)果表明在試驗(yàn)所用TEOS濃度范圍內(nèi)，TEOS的濃度變化對Au@G的粒徑影響不大，但是降低TEOS濃度能得到石墨化程度更高的Au@G。通過CVD制備得到的小尺寸Au@G表面潔凈，拉曼光譜峰簡單，具有內(nèi)核Au NP的增強(qiáng)作用，外層石墨化碳層保證了材料的穩(wěn)定性，是一種增強(qiáng)效果較好的SERS基底。利用Au@G作為SERS基底對CV進(jìn)行檢測，CV的信號有明顯增強(qiáng)，表明Au@G在分子檢測與細(xì)胞內(nèi)的成像分析等方面具有很大的應(yīng)用潛力。