基于單個花狀銀納米顆粒的表面增強拉曼散射效應(yīng)研究

陶晨陽，寧歡，陳海藝，范天瑜，詹依婷，楊碩

(溫州大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，溫州 325035)

1 引言

金屬納米粒子因其獨特的光學(xué)性質(zhì)——局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)效應(yīng)以及在光電子器件[1]、化學(xué)和生物分子傳感器[2]、催化[3]、表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)光譜[4]等方面的重要應(yīng)用成為研究人員一直關(guān)注的焦點。LSPR是指當(dāng)入射光的頻率與金屬納米粒子表面自由電子的振蕩頻率相一致時，使粒子周圍局域電場顯著增強的現(xiàn)象[5]。大量研究表明，金屬納米粒子的LSPR特性和應(yīng)用強烈地取決于它的幾何構(gòu)型、尺寸和表面形貌。理論上講，金屬納米結(jié)構(gòu)表面的任何細(xì)微變化都能引起其局域表面等離子體的改變[6]。因此，為了獲得理想的光學(xué)性質(zhì)，制備尺寸和形貌高度可控的金屬納米粒子對于拓展SERS的應(yīng)用及解釋SERS的理論機制有著十分重要的意義。

隨著SERS效應(yīng)研究的不斷深入，對SERS基底的制備也發(fā)展到了一個新的階段。盡管目前已有多種球形、棒狀、片狀、立方體等規(guī)則形貌的金、銀納米粒子被大量合成[7-10]，但是粒子的形狀、尺寸往往不能做到完全均勻，導(dǎo)致在探討納米粒子集體SERS效應(yīng)時還需考慮粒子的不均勻形貌因素，為人們理解納米結(jié)構(gòu)SERS機理帶來很多困難。為了更好地理解SERS現(xiàn)象，進一步推動納米科技的發(fā)展，對單個或者少數(shù)納米粒子LSPR性能的研究變得至關(guān)重要。然而，受限于傳統(tǒng)金屬納米粒子的小尺寸，使得人們難以在光學(xué)顯微鏡下定位單個粒子并進行LSPR和SERS特性研究。為了進一步拓寬SERS基底材料的范圍并加深對SERS機理的理解，必須發(fā)展適合進行單個或者少數(shù)顆粒LSPR及SERS特性研究的金屬納米粒子。

本文通過改進Liang等人[11]報道的方法，嚴(yán)格控制表面活性劑聚乙烯吡絡(luò)烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP)的濃度，制備出大粒徑、表面粗糙、尺寸均一的花狀銀納米顆粒，并利用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)、原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)、X射線衍射(X-ray Diffraction, XRD)和X射線能譜(Energy Dispersive X-ray, EDX)等技術(shù)對顆粒的結(jié)構(gòu)和成分進行了系統(tǒng)地表征。基于花狀銀納米顆粒，我們成功實現(xiàn)了對單個或少數(shù)顆粒LSPR特性及SERS活性的檢測。

2 實驗方法

2.1 實驗原料及儀器

實驗原料：硝酸銀(分析純，上海國藥集團化學(xué)試劑有限公司)、抗壞血酸(分析純，西隴科學(xué)股份有限公司)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW=40 000，Adamas-beta公司)、對羥基苯甲酸(P-hydroxybenzoate, PHBA，百靈威科技有限公司)、濃硫酸(分析純，浙江中星化工試劑有限公司)、雙氧水(分析純，上海聯(lián)試化工試劑有限公司)、硅片(蘇州研材微納科技有限公司)、Milli-Q去離子水。實驗中所用的化學(xué)試劑使用前均不需要進一步提純。

實驗儀器：磁力攪拌臺(IKA C-MAG SH 10)和臺式高速離心機(上海安亭TGL-10B)用于銀納米顆粒的制備和離心；掃描電子顯微鏡(SEM，Hitachi S-4800)和原子力顯微鏡(AFM，Park XE-100)用于表征納米材料的形貌、尺寸；X射線衍射儀(XRD，Rigaku Rint2400, Cu Kα, λ=1.5418 ?)用來表征納米材料的晶型結(jié)構(gòu)；X射線能譜儀(EDX, EDAX DX-4)用來表征納米材料的成分組成；暗場顯微鏡光譜系統(tǒng)是由IX71 Olympus顯微鏡與Acton Advanced SP2750A Princeton光譜儀搭建而成；拉曼光譜實驗在Horiba JobinYvon公司生產(chǎn)的激光共聚焦顯微拉曼光譜儀(LabRAM HR-800)上進行，儀器的分辨率可達2 cm-1，激發(fā)波長為785 nm，輸出功率為50 mW，積分時間為5 s，積分次數(shù)為3次，數(shù)值孔徑為0.5的50倍顯微物鏡。

2.2 花狀銀納米顆粒樣品的制備

花狀銀納米顆粒是在改進Liang等人[11]報道方法的基礎(chǔ)上制備的。取0.2 mL濃度為0.1 mol/L的硝酸銀水溶液和2 mL濃度為0.1 mol/L 的PVP水溶液加入到盛有20 mL去離子水的燒杯中，磁力攪拌至混合液充分均勻。值得注意的是，在這里PVP濃度以聚合物單鏈C6H9NO的分子量111 g/mol來計算。PVP 是一種陽離子表面活性劑，它起到幫助控制反應(yīng)進行速率的作用。另取0.2 mL濃度為0.1 mol/L的抗壞血酸水溶液迅速注入以上混合溶液，在室溫下持續(xù)攪拌反應(yīng)5 min。隨著攪拌的進行，溶液逐漸呈現(xiàn)出灰色渾濁狀，這表明在抗壞血酸的還原下已經(jīng)有大量的銀顆粒生成。為了獲得干凈的銀納米粒子，除去多余的表面活性劑PVP和其他雜質(zhì)，我們將合成好的銀納米顆粒溶膠倒入離心管中進行離心清洗，離心時間設(shè)定為5 min，離心速度是3000 rpm。銀顆粒沉降在離心管底部，用移液器除去上層清液，加入去離子水再次離心，次步驟重復(fù)3～5次。最后將沉淀物分散到1 mL水中，取少量顆粒懸浮液滴加在干凈的硅片表面，用真空干燥器干燥后形成納米顆粒薄膜用于形貌、成分和LSPR特性表征。將1×10-3mol/L的PHBA溶液滴在納米粒子膜上，自然晾干后用于SERS測試。

實驗中所有玻璃器皿浸泡在濃硫酸和雙氧水的混合溶液(濃硫酸和雙氧水的配比為2∶1)中，并在室溫下浸泡一小時，去離子水洗滌三次后備用。

3 分析與討論

3.1 花狀銀納米結(jié)構(gòu)的形貌和成分表征

我們利用SEM和AFM對具有代表性的花狀銀納米顆粒的形貌進行了表征。圖1(a,b)為根據(jù)2.2所述實驗條件制得的銀納米顆粒SEM圖像。從低倍率的圖像(圖1(a))中可以看出，硅基底被大量銀納米顆粒所覆蓋，所得到的產(chǎn)物具有十分均勻的粒徑，單分散性良好、產(chǎn)率高。對50個銀納米結(jié)構(gòu)進行了尺寸分析，得到其直徑為1±0.1m。從單個銀納米顆粒的放大圖(圖1(b))中，我們發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物整體呈球形，相比于文獻中報道的銀納米粒子[12]，本工作合成的銀納米粒子有著高度粗糙的表面，顆粒表面由大量的褶皺(長約300 nm，直徑約70 nm的納米級棒狀結(jié)構(gòu))堆積而成，褶皺之間形成深深的溝壑，整個材料看起來酷似一個含苞欲放的花朵，因而我們將其稱之為花狀銀納米顆粒。為了更加清晰地觀測顆粒表面的納米級粗糙度，我們采集了單個花狀銀納米顆粒的AFM圖像，如圖1(c)所示。由于樣品表面凹凸不平，為了避免損壞AFM針尖，選取非接觸模式進行掃描。盡管非接觸模式掃描得到的圖像沒有采用接觸模式的分辨率高，但是從我們的實驗結(jié)果中仍然可以觀察到顆粒表面納米量級的粗糙結(jié)構(gòu)，進一步說明了所制備銀納米顆粒表面有著精細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)。

圖1 (a,b) 典型花狀銀納米顆粒不同放大倍率的SEM圖像；(c) 單個花狀銀納米顆粒的AFM圖像。

Fig.1 (a,b) SEM images of flower-like silver nanoparticles at different maganification; (c) AFM image of an individual flower-like silver nanoparticle

采用XRD技術(shù)表征產(chǎn)物的晶體結(jié)構(gòu)和成分。圖2(a)是產(chǎn)物的XRD譜圖，圖中觀察到五個明顯的特征衍射峰，其2θ角的值分別位于37.9°、44.3°、64.6°、77.6°和81.9°。通過對比標(biāo)準(zhǔn)XRD卡片(JCPDS，No.04-0783)可知，這五個衍射峰很好地對應(yīng)了銀的(111)，(200)，(220)，(311)及(222)晶面。通過布拉格公式2dsinθ= nλ(式中d為晶面間距，λ為入射線波長，n為衍射級數(shù))計算其晶格常數(shù)a=b=c=4.0861 ?，在實驗誤差范圍內(nèi)與先前報道的結(jié)果(a=4.0862 ?，來自JCPDS No.04-0783)相接近，從而表明顆粒的主要成分是銀，晶型為面心立方結(jié)構(gòu)。圖中的(111)面峰強度明顯大于其他面，說明(111)面的晶格能低于其他面，因此該晶體主要沿著(111)面生長，從而形成了各向異性的銀納米結(jié)構(gòu)，這與掃描電鏡的結(jié)果是一致的。

然而，面心立方結(jié)構(gòu)的銀和金(JCPDS No.04-0784)有著相似的晶格常數(shù)，其特征峰的位置極為相近，從XRD圖譜上很難區(qū)分開銀和金兩種元素。本實驗原料中不存在金元素，由此可以判斷XRD圖譜中出現(xiàn)的為銀的特征衍射峰。為了更加確切地分析合成納米顆粒的成分，我們選定銀納米顆粒上的某一區(qū)域，采集了它的EDX 譜圖(圖2(b))。從圖中可以看出，該產(chǎn)物成分主要是Ag和Si。沒有表面活性劑PVP引入的C峰出現(xiàn)，說明我們已將顆粒表面過量的表面活性劑洗得很干凈。分析報告顯示，產(chǎn)物中Ag的含量占94.82wt%，Si元素含量僅占5.18wt%。這里Si峰的出現(xiàn)是由硅基底引起的。由此可見，產(chǎn)物中除了Ag元素外再無其他元素，因此可以斷定所制備的花狀納米材料是純的銀晶體。

圖2 花狀銀納米顆粒的(a) XRD圖譜；(b) EDX元素分析譜圖(插圖為被測顆粒的SEM圖像和元素含量百分?jǐn)?shù))

Fig.2 (a) XRD and (b) EDX spectrum of flower-like silver nanoparticles (insets are SEM image and element content of the products)

3.2 PVP濃度對花狀銀納米顆粒形貌的影響

本文通過在PVP保護劑的條件下用抗壞血酸還銀離子得到銀納米顆粒。在反應(yīng)過程中，表面活性劑PVP起到減緩反應(yīng)速率、防止納米顆粒團聚以及調(diào)控金屬微納結(jié)構(gòu)形貌和尺寸的作用[13]。為考察表面活性劑在反應(yīng)物中所占比例對微納銀顆粒產(chǎn)物形貌、尺寸的影響，我們通過改變PVP濃度展開了一系列實驗。

圖3(a)是PVP濃度為0.01 mol/L時銀納米顆粒的形貌圖。從圖中可以看到產(chǎn)物整體以球狀結(jié)構(gòu)存在，直徑約400 nm，顆粒表面具有一定的粗糙度，整體外貌就像人們餐桌上的“肉丸子”。這時由于PVP的作用，產(chǎn)物已具備了良好的單分散性；當(dāng)PVP濃度增加到0.02 mol/L時，如圖3(b)所示，生成的微納銀顆粒平均直徑增大到550 nm左右，其表面的粗糙程度也大大地增加了，表面的突起變得愈加明顯但是產(chǎn)物的粒徑仍然不是很均勻；當(dāng)PVP濃度達到0.1 mol/L時(與圖1產(chǎn)物所用實驗條件相同)，如圖3(c)所示，產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)達到最精細(xì)的狀態(tài)，從電鏡照片看來，顆粒表面顯現(xiàn)出更多的褶皺，且各褶皺間溝壑相對于前兩個樣品來說也越來越深，形貌趨近于花朵狀。同時，顆粒的尺寸不僅增加而且開始變得更加均一(平均直徑約為1.0m)；繼續(xù)增大PVP的濃度，如圖3(d)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物的大小會繼續(xù)增加，達到1.5m，表面結(jié)構(gòu)單元間溝壑也隨之加深，分散性更加良好和尺寸分布更窄。然而，其表面結(jié)構(gòu)卻沒有圖3(c)中樣品那樣細(xì)致，表面呈現(xiàn)出許多的大塊結(jié)構(gòu)，不利于LSPR的產(chǎn)生?？梢?，PVP的濃度對銀納米顆粒的生長起著重要作用。PVP的濃度越大，顆粒尺寸越大。然而，對于顆粒的表面形貌來說，PVP濃度過高或過低都不利于表面精細(xì)納米結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生。

圖3 PVP濃度分別為(a) 0.01, (b) 0.02, (c) 0.1, (d) 0.2 mol/L時所制備樣品的SEM圖像

Fig.3 SEM images of flower-like silver nanoparticles prepared by using PVP of (a) 0.01, (b) 0.02, (c) 0.1, (d) 0.2 mol/L

從動力學(xué)角度分析其原因可能是：表面活性劑與晶體某晶面的吸附幾率決定了晶體的生長結(jié)構(gòu)。反應(yīng)過程中，起初抗壞血酸將硝酸銀還原成單質(zhì)銀，被還原出來的銀單質(zhì)通過均相成核形成銀晶核，并逐漸長成微小的銀納米晶。表面活性劑PVP通過選擇性吸附到銀納米晶的某些晶面上，形成表面活性劑包覆層，實現(xiàn)了其在該方向上的選擇性生長。由于新生成的銀納米晶具有高的表面能，很不穩(wěn)定，因而就很容易附著到溶液中已包覆PVP的銀納米粒子表面以降低表面能，如此便形成了棒狀結(jié)構(gòu)；隨著反應(yīng)的不斷進行，越來越多的銀納米晶形成并附著在棒狀結(jié)構(gòu)上，最終經(jīng)過熟化作用生長成為獨特的花狀的銀納米結(jié)構(gòu)。當(dāng)表面活性劑PVP濃度過低，則不利于納米晶體的選擇性生長，難以形成棒狀結(jié)構(gòu)，因此導(dǎo)致銀顆粒表面結(jié)構(gòu)的不豐富；當(dāng)表面活性劑濃度過高，銀納米晶附著到先驅(qū)銀粒子表面的幾率更大，因此形成大體積的塊狀結(jié)構(gòu)，使得顆粒表面結(jié)構(gòu)不精細(xì)。

3.3 花狀銀納米顆粒的LSPR和SERS特性研究

經(jīng)過上述實驗條件的探討，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)PVP濃度趨于0.1 mol/L時，銀納米顆粒既擁有豐富的表面結(jié)構(gòu)，又形成了有利于顯微鏡觀測與單顆粒定位的較大粒徑尺寸。因此，我們?nèi)≡摲磻?yīng)條件下生成的銀納米顆粒進行LSPR和SERS檢測。

測量之前，我們將一片定位銅網(wǎng)用導(dǎo)電膠帶黏貼在帶有銀顆粒的硅基底上，目的是通過銅網(wǎng)上的符號幫助我們記錄下每次檢測對象的所在區(qū)域。這樣借助SEM就可以對被測對象進行形貌表征，將被測顆粒的具體結(jié)構(gòu)和它的LSPR及SERS光譜之間建立起一一對應(yīng)的關(guān)系。

圖4 (a) 一個，(b) 兩個，(c) 三個，及(d)多個銀納米顆粒的暗場顯微鏡照片及它們所對應(yīng)的LSPR譜圖

Fig.4 LSPR spectra and dark field images of (a) single, (b) dimer (c) triple and (d) many flower-like silver nanoparticles

首先，我們利用暗場散射光譜技術(shù)分別對一個、兩個、三個及多個花狀銀納米顆粒的LSPR特性進行了測量，譜圖結(jié)果如圖4所示。從光譜中可以觀察到單個銀顆粒大約在740 nm處呈現(xiàn)出一個較寬的等離子激元共振峰。這種寬的表面等離子體共振峰可能對應(yīng)著比偶極共振更高級別的共振，如四級或八級共振，從而表明顆粒不再是平滑的球狀結(jié)構(gòu)，而是表面可能有一些突起[14]，與SEM結(jié)果相一致。隨著顆粒個數(shù)增加，其表面等離子體共振峰逐漸展寬且向長波方向移動，表明顆粒之間并不是獨立存在的而是具有很強的等離子激元耦合作用；而表面等離子體共振峰強度的增加，預(yù)示著電磁增強逐漸增大。

通過暗場散射光譜結(jié)果我們知道銀納米顆粒的個數(shù)對電磁場增強效果具有很大影響。因而我們以對羥基苯甲酸(P-hydroxybenzoate, PHBA)作為探針分子，考察了不同數(shù)量銀納米顆粒的SERS增強活性。由于暗場散射光譜顯示銀納米粒子的表面等離子體共振峰位于740～770 nm，為了能與之產(chǎn)生更好的共振效應(yīng)，選用最靠近該峰值的波長為785 nm的激光作為激發(fā)光源。圖5為1×10-3mol/L的PHBA水溶液吸附在不同數(shù)量顆粒表面的SERS響應(yīng)信號。當(dāng)PHBA探針分子直接滴在硅片上時(圖5(a))，其拉曼散射信號強度很弱，幾乎沒有發(fā)現(xiàn)振動峰。當(dāng)PHBA吸附在多個銀顆粒表面時(圖5(d))，能夠獲得高信噪比的SERS光譜，且譜圖中呈現(xiàn)出PHBA的幾個特征峰。其中，位于1390 cm-1處的拉曼峰歸屬于COO-對稱伸縮振動，位于1612和1600 cm-1處兩個峰歸屬于苯環(huán)的C-C伸縮振動，與先前文獻報道的一致[15]。從圖中可以明顯看到SERS信號強度隨著顆粒個數(shù)的減少而單調(diào)降低。這表明銀納米粒子的SERS增強效應(yīng)與“熱點”數(shù)量密切相關(guān)，顆粒的聚集處促使了更多“熱點”的形成，產(chǎn)生了更強的局域電場。當(dāng)分子吸附在單個顆粒表面時，如圖5(b)所示，PHBA的主要特征峰還能夠清晰分辨出來。這是由于銀納米顆粒散射面積大、散射強度高，顆粒表面粗糙度較高、熱點分布多，因此具有優(yōu)越的SERS性能和高探測靈敏度。根據(jù)公式(1)我們估算了單個花狀銀納米顆粒的SERS增強因子約為4×103。因此，花狀銀納米顆粒能夠作為新型SERS基底材料。

(1)

圖5 (a) 1×10-3mol/L PHBA水溶液的拉曼散射光譜；1×10-3mol/L PHBA分子吸附在(b) 一個，(c) 兩個，(d) 多個花狀銀納米顆粒上的SERS光譜及光學(xué)顯微鏡圖

Fig.5 (a) Normal Raman spectrum of 1×10-3mol/L PHBA solution; SERS spectra of 1×10-3mol/L PHBA adsorbed on (b) single, (c) dimer and (d) many flower-like silver nanoparticles

4 結(jié)論

本文以抗壞血酸作為還原劑，硝酸銀作為銀前體，PVP作為表面活性劑，采用改進的方法成功制備了花狀銀納米顆粒。通過改變PVP的濃度，探索了銀顆粒尺寸、形狀和表面拓?fù)涞目刂埔?guī)律，實現(xiàn)了對花狀銀納米顆粒的可控合成。經(jīng)優(yōu)化條件得到的花狀銀顆粒適合單個或少數(shù)結(jié)構(gòu)的LSPR特性研究，且拉曼增強效果顯著，是一種潛在的SERS基底材料。