具有雙共振吸收峰的Au納米粒子制備及其拉曼表征

竇心怡，張 燦，張 潔

重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室，重慶 400044

引 言

表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,SERS)自從1974年被發(fā)現(xiàn)以來，已被廣泛運用于超靈敏度物質(zhì)檢測[1-2]。目前普遍接受的SERS增強機理有電磁場增強(electromagnetic enhancement，EM)和化學(xué)增強(chemical enhancement，CM)，其中EM占主導(dǎo)作用[3]。EM是指在特定波長激發(fā)光入射時，會與基底表面的金屬納米顆粒發(fā)生表面等離子體共振產(chǎn)生較大的局域電場，從而來提高散射強度[4-5]。相比于傳統(tǒng)拉曼測試，加入金屬納米顆粒的SERS檢測可以極大提高探針分子檢測靈敏度[6-8]。

金納米球(Au nanoparticals，AuNPS)的吸收譜范圍約在520～530 nm，適用于532 nm激光激勵[9]；對于長徑比范圍在2～4之間的金納米棒(Au nanorods，AuNRS)，其吸收譜約在650～850 nm之間，適用于入射光波長為785 nm的激光激勵[10-11]。目前，SERS測量的入射光波長主要為532，633和785 nm；將金納米粒子用于SERS時，其基底分別為用于532 nm入射光的AuNPS和用于785 nm入射光的AuNRS[12]。為了滿足多波段拉曼光譜測量需要，我們需要制備同時含有AuNPS與AuNRS的雙吸收共振峰金納米粒子作為SERS基底。通過種子生長法可制備同時含有AuNPS與AuNRS的金納米粒子。在制備過程中，AuNRS成棒率受工藝參數(shù)影響較大，其中主要包括AgNO3濃度、HCl濃度、生長時間等。

利用FDTD Solutions仿真得到了滿足雙共振吸收峰的基本條件。然后通過實驗改變AgNO3濃度、HCl濃度、生長時間這三個重要參數(shù)制備了在532 nm附近及785 nm附近均存在較強吸收的金納米顆粒，其中同時含有與仿真大小基本一致的AuNPS與AuNRS，最后將該樣品用于待測物在不同波長入射光時的SERS光譜測量，從而得到在不同波長均具有較好拉曼增強的雙吸收共振峰金納米粒子SERS基底。

1 金納米棒及金納米球仿真結(jié)果

1.1 不同長徑比金納米棒長波峰仿真結(jié)果及不同直徑金納米球仿真結(jié)果

如圖1為用FDTD Solutions對AuNRS長波峰與AuNPS的吸收仿真結(jié)果。其中設(shè)置入射光波長范圍為300～900 nm，AuNPS的直徑分別為40，50，60，70，80，100，120和140 nm；AuNRS長徑比分別為3，3.5，4，4.5和5，光源沿長軸方向偏振。由仿真知，AuNPS直徑在50 nm左右以及AuNRS長徑比在3～5左右時，樣品在533和785 nm附近同時具有較好的SERS增強作用。

圖1 不同直徑AuNPS與不同長徑比AuNRS歸一化吸收仿真曲線Fig.1 Normalized absorption simulation curves of AuNPS with different diameters and AuNRS with different aspectratios

1.2 改變光源偏振角度對金納米棒吸收峰的影響

考慮到AuNRS不僅存在長軸吸收峰，也存在短軸吸收峰，所以將光源偏振方向從0°依次旋轉(zhuǎn)到90°，對長徑比為4的AuNRS進(jìn)行仿真，其模型如圖2(a)所示。得到的吸收值原始數(shù)據(jù)如圖2(b)所示，隨著偏振旋轉(zhuǎn)方向逐漸增大，其長波長峰處的吸收值逐漸降低。當(dāng)偏振光方向位于60°，70°，80°和90°時，會出現(xiàn)短軸吸收峰，由于短軸吸收峰的吸收值基本一致，將短波峰歸一化后得到的吸收光譜如圖2(c)所示，隨著光偏振角度逐漸變?yōu)?0°，其短軸吸收峰逐漸增強，長軸吸收峰數(shù)值逐漸消減直至消失。

圖2 不同光源偏振角仿真結(jié)果(a)：仿真模型；(b)：仿真吸收譜；(c)：偏振角度為60°，70°，80°，90°時的歸一化吸收譜Fig.2 Simulation results of light sources with different polarization angles(a)：Simulation model;(b)：Simulation absorption spectrum;(c)：Normalized absorption spectra at 60°,70°,80°,and 90°polarization angles

在實際測試樣品中，由于AuNRS長軸并不是與入射光偏振方向完全一致，在各個方向均有分布，會削弱其在長波長處的吸收譜，且AuNRS存在短軸吸收峰，所以要得到吸收光譜在短波長峰以及長波長峰吸收值基本一致的樣品，AuNRS的含量需要略高于AuNPS的含量。

2 工藝流程

通過種子生長法制備雙吸收共振峰金納米粒子[圖3(a)]：(1)在燒杯中分別加入5 mL 0.2 mol·L-1十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)與5 mL 0.000 5 mol·L-1氯金酸(AuHCl4)，攪拌2 min，滴入0.6 mL用冰水配置的0.01 mol·L-1硼氫化鈉溶液(NaBH4)，將制備的種子液放在30 ℃恒溫水浴鍋中老化2 h。(2)制備生長液，在燒杯中加入5 mL 0.2 mol·L-1CTAB與5 mL 0.001 mol·L-1AuHCl4，攪拌2 min后，在燒杯中分別加入80 μL 0.1 mol·L-1抗壞血酸(AA)、10 μL 0.1 mol·L-1AgNO3以及0.1 mL 1 mol·L-1HCl。(3)將20 μL種子液滴入生長液，放入30 ℃恒溫水浴鍋中靜置21 h。

最后制備得到的樣品掃描電子顯微鏡(scanning electronic microscope，SEM)圖與透射電子顯微鏡(transmission electron microscope，TEM)圖如圖3(b)所示。圖3(c)所示為AuNRS的遠(yuǎn)區(qū)衍射圖，從衍射圖的晶面信息可以看出，制備的AuNRS含有{111},{200},{220}三個晶面，說明制備的AuNRS為多晶結(jié)構(gòu)，且晶體生長過程中沿這三個面的延伸占主導(dǎo)作用，其中衍射峰最強的{111}面主要分布在AuNRS的末端截角。由SEM圖計算得到AuNRS與AuNPS個數(shù)比為1.93，實驗與仿真結(jié)論基本一致。取其中100個金納米棒進(jìn)行長徑比統(tǒng)計，結(jié)果如圖3(d)所示，其長徑比主要分布在2.5～4.5之間，滿足入射光為785 nm時拉曼檢測的需要。統(tǒng)計AuNPS粒徑發(fā)現(xiàn)，AuNPS粒徑主要分布在40～50 nm之間，如圖3(e)所示，滿足入射光為532 nm時拉曼檢測的需要。

圖3 (a) 金納米顆粒制備工藝流程圖；(b)樣品SEM圖；(c)金納米棒的遠(yuǎn)區(qū)衍射圖；(d)金納米棒長徑比統(tǒng)計；(e)金納米球粒徑統(tǒng)計Fig.3 (a) Process flow for the preparation of gold nanoparticles; (b) SEM image of Au nanorods and nanoparticles; (c) far-field diffraction image of gold nanorod; (d) statistics of aspect ratio of gold nanorods; (e) statistics of diameter of gold nanoparticles

3 工藝參數(shù)

3.1 AgNO3的影響

HCl用量為0.2 mL不變，改變生長液制備中AgNO3用量為5，10，20，30和40 μL(樣品1，2，3，4和5)，用紫外-可見分光光度計測得的吸收光譜圖如圖4(a)所示。由吸收譜知，AgNO3用量為10 μL時，金納米棒含量最高。圖4(b)為樣品2，3，4和5的SEM圖，可見樣品2的AuNRS含量最高，且長徑比主要分布在2.5～4之間，AuNPS直徑主要分布在30～45 nm之間，其金納米粒子大小基本接近所需的雙吸收共振峰金納米粒子大小。其余樣品由于AuNRS含量較低，其在SEM圖中并不明顯。

圖4 (a)不同AgNO3體積樣品的歸一化吸收譜；(b)不同樣品SEM圖Fig.4 (a) Normalized absorption spectras of samples with different AgNO3 volumes; (b) SEM images of different samples

3.2 HCl的影響

保持AgNO3用量為10 μL不變，改變HCl為0.1與0.2 mL。設(shè)置生長時間為23 h時，得到樣品6和7，其吸收光譜如圖5(a)；設(shè)置生長時間為21 h時得到樣品8和9，測得吸收光譜如圖5(b)所示。圖5(a)中插圖為樣品6透射電子顯微鏡(transmission electron microscopy,TEM)圖。得到AgNO3用量為10 μL，HCl為0.1 mL，生長23 h時，在532 nm處及785 nm處均存在較高的吸收值，且其最高吸收峰位最接近于入射波長。

圖5 不同HCl體積樣品的歸一化吸收譜，生長時間分別為：(a) 23 h，(b) 21 hFig.5 Normalized absorption spectra of samples.The growth times are: (a) 23 h; (b) 21 h

3.3 生長時間的影響

保持AgNO3用量為10 μL，以及HCl用量0.2 mL不變，設(shè)置生長時間為15，17，21和23 h(樣品10，11，7和9)，其吸收光譜如圖6(a)所示；保持AgNO3用量為10 μL，以及HCl用量0.1 mL不變，設(shè)置生長時間為15，17，21和23 h(樣品12，13，8和6)，其吸收光譜如圖6(b)所示，對比發(fā)現(xiàn)，樣品6在短波峰與長波峰吸收值基本一致。綜上所述，樣品6(AgNO3用量為10 μL，HCl為0.1 mL，生長23 h)為同時含有AuNPS與AuNRS的雙吸收共振峰金納米粒子。

圖6 不同生長時間樣品的歸一化吸收譜，HCl用量分別為 (a) 0.1 mL；(b) 0.2 mLFig.6 Normalized absorption spectra, the amount of HCl is (a) 0.1 mL; (b) 0.2 mL

4 拉曼實驗及結(jié)果分析

實驗中，入射光波長為532和633 nm時，使用激光共聚焦拉曼光譜儀(Jobin Yvon LabRAM HR Evolution)來測試樣品拉曼光譜。發(fā)射激光波長為532 nm時，功率為50 mW，選用50×物鏡，積分時間2 s；發(fā)射激光波長為633 nm時，功率為17 mW，選用50×物鏡，積分時間2 s。入射光波長為785 nm時使用便攜式拉曼光譜儀測試，功率為150 mW，積分為時間5 s。將樣品6滴在硅片上，待其干燥后滴入不同濃度染料分子羅丹明6G(C28H31N2O3Cl,R6G)，其在不同波長入射光時拉曼測試結(jié)果如圖7所示。由圖7知，該樣品在三個激勵波長入射時，最低檢測濃度均能達(dá)到10-7mol·L-1，具有較好的SERS增強效果。

圖7 不同激勵波長R6G的拉曼測試結(jié)果，其激勵光波長分別為(a) 532 nm；(b) 633 nm；(c) 785 nmFig.7 Raman test results of R6G with different excitation wavelengths, the excitation light wavelengths are (a) 532 nm; (b) 633 nm; (c) 785 nm

由于不同入射光激勵時功率存在差異，可以通過與在同一波長激勵下濃度為10-2mol·L-1純R6G樣品拉曼增強作對比計算其增強因子(enhancement factor,EF)來消除差異，其計算公式見式(1)[13-14]

(1)

得到在拉曼頻移為1 509 cm-1時，不同濃度R6G樣品在不同激勵光下的EF如圖8所示，其中影響EF的因素主要有：(1)用于增強的金屬納米顆粒樣品吸收值越大，拉曼散射強度越大；(2)入射光振動頻率，SERS體系中的電磁增強因子與入射光頻率四次方成正比[15]；(3)探測分子是否為單層分子，當(dāng)探測分子濃度較高時，會形成多層堆積結(jié)構(gòu)，影響激勵光入射到金屬納米顆粒上面，會一定程度降低拉曼強度。

圖8 不同激勵波長SERS增強因子Fig.8 SERS enhancement factor of different excitation wavelength

SERS包含兩個過程，一個是入射光作用引起的局域電磁場增強，另一個是散射光作用引起的輻射增強，計算表面拉曼增強散射光的吸收時需要同時包含入射光激勵時的吸收和輻射過程的吸收，所以要計算某個拉曼峰對應(yīng)波長的吸收時需要同時考慮激勵光吸收A0以及拉曼光吸收AR。利用式(2)計算得到當(dāng)不同激勵光入射時，拉曼位移為1 507 cm-1的拉曼峰對應(yīng)的拉曼波長λR，由樣品6吸收譜找到不同λR處的吸收值A(chǔ)R。

(2)

式(2)中，λ0表示入射波長，Δν表示拉曼頻移。其中激勵光為532 nm時，在1 507 cm-1拉曼峰對應(yīng)波長λR為578 nm，將A578 nm與A532 nm的值相乘得到最終的吸收值，計算得到不同激勵光在拉曼位移為1 507 cm-1處拉曼峰吸收值如表1所示。

表1 在1 507 cm-1處的吸收值Table 1 The absorption of 1 507 cm-1

5 結(jié) 論

實驗通過種子生長法，驗證了當(dāng)AgNO3用量為10 μL，HCl用量為0.1 mL，生長21 h時，能得到雙吸收峰均較強的金納米粒子。其在532，633和785 nm激勵光入射時均表現(xiàn)出了良好的SERS探測靈敏度，最低檢測濃度達(dá)到10-7mol·L-1，最優(yōu)增強因子為～105，初步實現(xiàn)多波段激勵光SERS檢測。