基于光譜分析的銀納米線質(zhì)量評價方法

趙瑋 宣磊磊 張君 趙春寶

【摘 ?要】近年來，銀納米線在工業(yè)中的應(yīng)用越來越頻繁。銀納米線的質(zhì)量尤為重要，使用普通電子顯微鏡進行質(zhì)量評價成本較高，并且需要耗費大量時間和人力。通過銀納米線在特定波長下的紫外可見光譜能夠更加快速地檢測銀納米線的質(zhì)量，特別是銀納米線的直徑。

【Abstract】In recent years， the application of silver nanowires in industry is more and more frequent. The quality of silver nanowires is particularly important. The cost of quality evaluation by using common electron microscope is high， and it takes a lot of time and manpower. The quality of silver nanowires， especially the diameter of silver nanowires， can be detected more quickly by the ultraviolet-visible spectrum of silver nanowires at a specific wavelength.

【關(guān)鍵詞】銀納米線;影響因素;紫外可見分光光度計;掃描電子顯微鏡

【Keywords】silver nanowires; influencing factors; ultraviolet-visible spectrophotometer; scanning electron microscope

【中圖分類號】TB383.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2021）09-0179-03

1 引言

銀納米線作為一種目前使用十分頻繁的金屬納米材料，具有非常高的比表面積，與傳統(tǒng)的金屬材料相比較，它具有更高的活性和選擇性。由于銀納米線擁有優(yōu)良的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和表面電阻低等特點，在發(fā)光二極管、太陽能電池、液晶顯示器、微電極、可穿戴設(shè)備和柔性傳感器等方面都具有良好的應(yīng)用前景。目前，最常用的銀納米線的制備方法是多元醇法，多元醇法是用多元醇作為還原劑，把銀離子（Ag+）還原成銀（Ag）來制備銀納米線[1]。多元醇法制備銀納米線的操作相對簡單，產(chǎn)量較高，同時成本也很低。早在2002年，Sun等[2]就已經(jīng)使用多元醇法來制備銀納米線，在溶液中加入PVP（聚乙烯吡咯酮），并滴入較高溫度的乙二醇，銀可以被導(dǎo)向成長為均勻納米線，直徑可控制在30～40nm，長度可達50μm，長徑比高達1000[3]。目前，使用多元醇法所合成的銀納米線直徑最小可達13nm，長徑比可高達1500[4]。但是使用多元醇法也不能避免在銀納米線生成的同時有顆粒狀、棒狀的副產(chǎn)物生成。由于工業(yè)上對銀納米線的產(chǎn)品的品質(zhì)要求都相對較高，需要其有一定的直徑和產(chǎn)率，因此，需要通過特殊的儀器來對銀納米線的質(zhì)量進行分析。

目前，用于常規(guī)篩選銀納米線直徑和線性粒子產(chǎn)率的主要工具是紫外可見光譜。銀納米線在紫外分光光度儀器中370nm左右時的波峰一般可用來判斷制作的銀納米線的直徑是否達到工業(yè)標準。在500nm左右的吸光度一般可用來判斷制作的銀納米線產(chǎn)率。紫外可見分光光度計（UV-VIS）是一種用來檢測波長范圍在紫外、可見輻射區(qū)的分光光度計。分子的紫外可見吸收光譜是由于分子中的某些基團吸收了紫外可見輻射光之后，發(fā)生了電子能級的躍遷而產(chǎn)生的吸收光譜。由于不同的物質(zhì)都具有其特有的分子、原子結(jié)構(gòu)，其吸收光的能量也不同。因此，每種物質(zhì)都有其特有的、固定的吸收光譜曲線，可根據(jù)吸收光譜上的某些特征波長處的吸光度的高低判別或測定該物質(zhì)的含量，這就是分光光度定性和定量分析的基礎(chǔ)。

紫外可見分光光度計主要由光源、單色器、吸收池、檢測和信號處理器等部件組成[5]，在食品分析[6]、生化分析[7]、藥物分析[8]、環(huán)保分析[9]等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。紫外分光光度計在現(xiàn)代使用中已經(jīng)離不開與PC機軟件的聯(lián)用，PC機軟件節(jié)約了大量人力與時間，處在當代快速發(fā)展的環(huán)境之下，減少了人力與時間就相當于節(jié)省了成本。隨著科技的發(fā)展，紫外可見分光光度計與電腦軟件的聯(lián)用，其應(yīng)用范圍也在不斷地擴大，準確度和靈敏度也在不斷地提升。

2 實驗部分

2.1 材料與儀器

乙二醇（上海凌風(fēng)化學(xué)試劑有限公司）、羥丙基甲基纖維素（國藥集團）、表面活性劑Zonyl FC-31（杜邦公司，美國）、PVP（K30，國藥集團）、EG（國藥集團）、AgNO3（國藥集團）、無水三氯化鐵（FeCl3）（國藥集團）。以上藥品均為分析純。

掃描電子顯微鏡（日立 S-4800）;島津紫外分光光度計UV-1800。

2.2 紫外分光光度計實驗步驟

打開紫外分光光度計后等待機器自檢完成，連接電腦軟件并開始調(diào)試，設(shè)置掃描的波長范圍為300～700nm，掃描速度為高速，采樣間隔為0.5nm。

2.3 掃描電子顯微鏡實驗步驟

將銀納米線溶液用滴管滴在銅片上，烘干溶液的水分，由于銀納米線的導(dǎo)電性較好，不需要進行噴金處理，對導(dǎo)電性差的材料進行實驗時需要鍍膜加強其導(dǎo)電性。后將干燥處理過的帶有銀納米線的銅片固定在樣品座上。通過調(diào)整掃描電子顯微鏡的放大倍率對所成的圖像進行分析。將顯示大小分別調(diào)至放大1000倍、5000倍、30000倍，對顯示區(qū)域內(nèi)的個別銀納米線進行標記并統(tǒng)計。

3 結(jié)果與討論

3.1 紫外光譜分析

通過對銀納米線的乙醇溶液作紫外光譜分析，發(fā)現(xiàn)銀納米線在波長380nm處有一個吸收波峰，波長在380nm左右時產(chǎn)生的吸收峰與銀納米線的直徑相關(guān)，此波峰產(chǎn)生的波長越小，說明銀納米線的質(zhì)量越好。在波長為350nm處有一個弱肩峰產(chǎn)生，在波長在350nm左右處的弱肩峰可判斷所制備銀納米線是否具備較高的純度。波長在420nm也存在著一處較小的峰，這是由銀納米顆粒造成的，當銀納米線在500nm左右吸光率越高，說明所制備的銀納米線的產(chǎn)率較低，有較多的顆粒狀、棒狀的副產(chǎn)物生成，如圖1所示。

當紫外可見光譜的峰值在375nm附近處，通常認為這與銀納米線的直徑相關(guān)[10]，主吸收峰來自銀納米線的縱向表面等離子體共振吸收，弱肩峰則是由銀納米線的橫向表面等離子體共振引起[11]。

3.2 掃描電子顯微鏡分析

通過在放大了30000倍和放大了5000倍的電子顯微鏡圖中標記多根銀納米線，使用納米測量器測出銀納米線的直徑，并通過做出不同直徑的百分比來計算其平均值，如圖2所示。

從1000倍的電子顯微鏡圖中作切斜，根據(jù)組合的數(shù)據(jù)測出銀納米線的長度，如圖3所示。

3.3 數(shù)據(jù)組合分析

單獨使用掃描電子顯微鏡和紫外可見分光光度計在檢測銀納米線時，它們各自都有一定的局限性，因此，可以嘗試使用2種機器聯(lián)用的方式，把用紫外可見分光光度計測出的最大紫外可見吸光度峰值與掃描電子顯微鏡測得的銀納米線平均直徑進行數(shù)據(jù)的整合。

圖4為掃描電子顯微鏡與紫外分光光度計測得數(shù)據(jù)的擬合曲線，每個點都代表一個樣品數(shù)據(jù)，橫坐標是由紫外分光光度計測出的銀納米線的吸收峰波長，縱坐標是由掃描電子顯微鏡測出的銀納米線直徑，圖中的紅線是由Origin軟件的線性擬合功能做出，圖4b是帶有x誤差的線性擬合圖。

以獲得的曲線為基礎(chǔ)，將其作為縱坐標的零點，橫坐標仍然是吸收峰的波長，做出的擬合補償值圖能夠更加直觀地獲得樣品數(shù)據(jù)值的偏大或偏小。如圖5所示，通過圖5a和圖5b的對比，可得帶有x誤差的線性擬合圖與實際數(shù)據(jù)更匹配。通過數(shù)據(jù)分析可以獲得擬合曲線公式：Y=2.6X-938.58。

其中，Y為銀納米線平均直徑，2.6為線斜率，X為最大吸收峰波長，-938.58為到零點的截距。

通過公式的計算，就能在使用紫外分光光度計測出銀納米線吸收峰值波長后快速算得其平均直徑，當實驗的數(shù)據(jù)足夠多時，獲得的線性關(guān)系公式會變得更加可靠。

4 結(jié)論

銀納米線的應(yīng)用前景較好，隨著科技的發(fā)展，其制備方式也在不斷地更新，制備高長徑比的銀納米線的技術(shù)也日漸成熟。使用紫外分光光度計檢測銀納米線時，在500nm附近的吸光度通常與線產(chǎn)率相關(guān)，峰值位置在375nm附近一般認為與線材直徑相關(guān)。通過紫外分光光度計和掃描電子顯微鏡聯(lián)用能夠快速測得銀納米線的質(zhì)量。初步獲得光譜線性公式：銀納米線直徑=2.6×紫外最大吸收峰波長-938.58。目前，通過掃描電子顯微鏡檢測出的銀納米線長度誤差較大，并且使用紫外分光光度計只能判斷其直徑，無法判斷長度。之后的研究方向為找出更好的方法來快速判斷銀納米線的長度。

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