金納米星的可控制備及其SERS性能研究

摘要：金納米星（Au Nano-stars，AuNSs）由于表面具有眾多尖角結(jié)構(gòu)，能顯著提高SERS信號(hào)強(qiáng)度，已在農(nóng)藥、生物、醫(yī)藥等檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，其可控制備是近年來的研究熱點(diǎn)。本文采用種子生長(zhǎng)法來制備AuNSs，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中氯金酸 （HAuCl4）的體積實(shí)現(xiàn)AuNSs粒徑調(diào)控，然后討論其SERS性能。形貌表征采用掃描電鏡SEM，拉曼性能測(cè)試采用共聚焦顯微拉曼光譜儀，激發(fā)波長(zhǎng)633 nm。結(jié)果表明，控制反應(yīng)過程中的HAuCl4 的體積可以有效實(shí)現(xiàn)粒徑從約80 nm到800 nm有效調(diào)控，制備的AuNSs形貌均一，對(duì)四種常見探針分子（R6G、MB、MG、CV）均有很強(qiáng)光譜響應(yīng)，是一種有效的調(diào)控手段。同時(shí)簡(jiǎn)要討論了AuNSs粒徑對(duì)SERS光譜的影響規(guī)律，可為實(shí)際樣品檢測(cè)時(shí)SERS基底的選型提供參考。

關(guān)鍵詞：SERS；金納米星；可控制備；SEM

中圖分類號(hào)：O657.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2443（2024）04-0320-06

引言

表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface Enhanced Raman Spectroscopy， SERS）是一種高靈敏度的分子指紋光譜技術(shù)，在環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和食品安全等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛［1-3］。金納米星（Au Nano-stars， AuNSs）由于表面具有眾多尖角結(jié)構(gòu)，能夠極大的增強(qiáng)局域表面電磁場(chǎng)，從而顯著提高SERS信號(hào)強(qiáng)度，是近年來備受關(guān)注的一種SERS基底材料［4-5］。目前，已有多篇文獻(xiàn)報(bào)道了以金納米星為SERS探針分子對(duì)實(shí)際樣品的檢測(cè)結(jié)果。比如2019年，Deng等人，將AuNSs納米顆粒與可生物降解的結(jié)晶咪唑酸沸石骨架-8（ZIF-8）結(jié)合制備出的納米材料，具有很強(qiáng)的SERS活性，可以根據(jù)分子大小或電荷篩選不同的分子［6］。2022年，Dawei Cao等人采用集成AuNSs陣列的微陣列芯片，獲得了荷瘤小鼠不同階段血清的高質(zhì)量SERS信號(hào)以及一系列代表各種生物分子的特征峰［7］。2023年，Zhang等人設(shè)計(jì)了一個(gè)Au NSs與PDMS相結(jié)合的SERS基底用于檢測(cè)果汁中的三硫胺殘留，檢測(cè)值為0.0048 ppm［8］。

不過，現(xiàn)有文獻(xiàn)大多只給出了特定AuNSs基底的SERS檢測(cè)效果，并沒有討論AuNSs的可控制備以及不同結(jié)構(gòu)AuNSs對(duì)不同檢測(cè)標(biāo)的物的適應(yīng)性，不利于SERS基底的選型。本文將首先采用種子生長(zhǎng)法來制備AuNSs，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中的氯金酸 （HAuCl4 ）的體積實(shí)現(xiàn)AuNSs粒徑調(diào)控，然后討論不同粒徑AuNSs對(duì)四種常見探針分子羅丹明6G（R6G）、結(jié)晶紫（CV）、孔雀石綠（MG）、亞甲基藍(lán)（MB）的SERS響應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)過程中所用的試劑與材料如表1所示，所有試劑均沒有提純處理，直接使用。實(shí)驗(yàn)過程所用的去離子水是來自超濾系統(tǒng)（Milli-Q，Millipore，Marlborough，MA），水電阻率為18.2 MW·cm。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器及型號(hào)如表2所示。共聚焦顯微拉曼光譜儀用來輔助分析樣品的成分和拉曼性能表征，激光波長(zhǎng)選擇633 nm。場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和高分辨率電子顯微鏡對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。紫外可見紅外分光光度計(jì)用來測(cè)量樣品的吸收譜。

表 1 實(shí)驗(yàn)主要試劑

Table1 Main reagents for the experiment

[試劑（材料）名稱 生產(chǎn)廠家 型號(hào) 氯金酸四水合物（HAuCl4） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 99.8% 檸檬酸三鈉（C6H5Na3O7 ） 上海阿拉丁化學(xué)試劑有限公司 AR 對(duì)苯二酚（C6H6O2） 上海阿拉丁化學(xué)試劑有限公司 AR 羅丹明6G（R6G） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 AR 結(jié)晶紫（CV） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 AR 孔雀石綠（MG） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 AR 亞甲基藍(lán)（MB） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司 AR ]

表 2 實(shí)驗(yàn)主要儀器

Table2 Main experimental instruments

[儀器名稱 型號(hào) 廠家 顯微共聚焦拉曼光譜儀 LabRAM HR Evolution 日本HORIBA 場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 SU8020 日本HITACHI 高分辨透射電子顯微鏡 JEM-2010 日本JEOL 紫外-可見分光光度儀 UV-2700 日本SHIMAZU ]

2 AuNSs的可控制備

目前金納米星的制備主要有２種方法 ：一步合成法［9］和種子生長(zhǎng)法［10］。一步合成法是直接向金屬鹽溶液HAuCl4中加入特定的還原劑 ，并輔之以適當(dāng)?shù)谋砻婊钚詣?（如CTAB 和PVP等），然后通過改變反應(yīng)體系中物質(zhì)的濃度并控制反應(yīng)時(shí)間一步生成金納米星。這種方法簡(jiǎn)單、快速，但很難保證金納米星的尺寸和形貌均一性，不利于SERS檢測(cè)。種子生長(zhǎng)法是分兩步進(jìn)行，首先合成金納米小球（金種子），然后以此為生長(zhǎng)核，采用與一步法類似的工藝，利用還原劑還原HAuCl4，并在表面活性劑 （如CTAB）的作用下，通過控制反應(yīng)條件在金種子表面繼續(xù)生長(zhǎng)為金納米星。這種方法粒徑大小可控，也方便納米粒子的表面修飾以用于不同場(chǎng)合的SERS檢測(cè)，因此本文采用這種方法來制備金納米星。

種子生長(zhǎng)法制備不同形貌AuNSs的原理示意圖如圖1。具體工藝過程如下：

（1）金種子溶液制備。將1.5 mL 25 mM HAuCl4加入150 mL煮沸的去離子水中，劇烈攪拌5 min，加入4.5 mL 3.87mM檸檬酸三鈉溶液，繼續(xù)攪拌，溶液顏色逐漸變成紫紅色，得到粒徑約50 nm的Au種子溶液備用。

（2）AuNSs的形貌調(diào)控。然后經(jīng)過多次對(duì)比試驗(yàn)，我們發(fā)現(xiàn)改變納米星生長(zhǎng)過程中的HAuCl4濃度可以有效的改變納米星尖角結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，從而改變納米星的尺寸。下述是一個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)過程。在四個(gè)盛有100 mL去離子水的燒杯中加入500 uL制備好的金種子溶液，220 uL 3.87 mM檸檬酸三鈉溶液和10 mL 30 mM對(duì)苯二酚溶液，同時(shí)分別加入0.5 mL、1 mL、2 mL、4 mL，25 mM 的HAuCl4溶液，然后攪拌28分鐘。檸檬酸鈉和對(duì)苯二酚同時(shí)作為還原劑和形貌誘導(dǎo)劑在金種子表面將反應(yīng)體系中Au3+還原為Au0，使金種子繼續(xù)生長(zhǎng)為具有多個(gè)枝角的星狀金納米結(jié)構(gòu)。

3 樣品形貌表征

為了觀察HAuCl4濃度對(duì)AuNSs形貌的影響，我們對(duì)所得樣品進(jìn)行了SEM檢測(cè)，如圖2所示。為描述方便，將上述得到的樣品分別命名為1-AuNSs、2-AuNSs，3-AuNSs，4-AuNSs。

圖2為反應(yīng)體系中改變HAuCl4體積后制備出的AuNSs的掃描電鏡SEM圖，從圖中可以明顯看出改變反應(yīng)體系中HAuCl4體積對(duì)AuNSs形貌調(diào)控非常有效。當(dāng)HAuCl4體積為0.5 mL時(shí)，1-AuNSs尺寸為80 nm左右；當(dāng)HAuCl4體積為1 mL時(shí)，2-AuNSs尺寸為150 nm左右；當(dāng)HAuCl4體積為2 mL時(shí)，3-AuNSs尺寸為300 nm左右；當(dāng)HAuCl4體積為4 mL時(shí)，4-AuNSs尺寸為850 nm左右。可見，隨著HAuCl4體積增大，AuNSs尺寸調(diào)控范圍可以從80 nm增至850 nm，變化了約10倍。

為了分析所得樣品的顆粒均一性，對(duì)圖2中四種樣品的粒徑大小進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。粒徑近似呈正態(tài)分布，均方誤差分別為15%，7%， 4.5%， 1.3%，說明樣品中顆粒大小基本一致，顆粒越大越均勻，這對(duì)于SERS信號(hào)的均一性有益。

在上述實(shí)驗(yàn)過程中，我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)AuNSs變大時(shí)，樣品非常容易發(fā)生團(tuán)聚，這可能會(huì)對(duì)材料的光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，于是對(duì)四種樣品進(jìn)行了從可見到紫外的吸收光譜測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知1-4號(hào)AuNSs樣品對(duì)應(yīng)的LSPR吸收峰分別為603 nm、623 nm、663 nm和683 nm，可見四種樣品均在SERS測(cè)試的激光波長(zhǎng)633 nm附近，說明四個(gè)樣品對(duì)該波長(zhǎng)均有較好的吸收，有利于SERS信號(hào)增強(qiáng)。同時(shí)也可以看到隨著樣品尺寸增大，LSPR吸收峰出現(xiàn)一定的紅移，這與表面等離激元的共振波長(zhǎng)變化有關(guān)［11］。另外還可以看到，當(dāng)樣品尺寸變大時(shí)，LSPR吸收峰有展寬現(xiàn)象并且強(qiáng)度減弱非常明顯，這預(yù)示了樣品團(tuán)聚的發(fā)生。這對(duì)于SERS信號(hào)的強(qiáng)度以及均一性均是不利因素，因此要盡量避免。

4 SERS性能測(cè)試

為了對(duì)比分析所得到的四種金納米星的SERS性能，我們選擇羅丹明6G（R6G）、結(jié)晶紫（CV）、孔雀石綠（MG）、亞甲基藍(lán)（MB）這四種常見有機(jī)染料分子作為探針分子來表征樣品的SERS活性。

拉曼測(cè)試樣品制備如下：將50μL的AuNSs樣品加入到100μL不同濃度梯度的R6G、CV、MG、MB中，超聲分散至溶液均勻混合，靜置2 h后，探針分子均勻吸附在AuNSs樣品上。然后，取10μl的混合分散液滴在0.5 cm×0.5 cm的硅片上，室溫干燥后進(jìn)行拉曼測(cè)試。測(cè)試參數(shù)如下：激發(fā)波長(zhǎng)為633 nm，激光功率為0.5 mW，光斑直徑約為1μm。

為方便對(duì)比，探針分子濃度均取10-5 M，測(cè)試結(jié)果如圖5所示。

圖5（a）是對(duì)R6G的SERS光譜，四條曲線分別對(duì)應(yīng)1-4號(hào)AuNSs樣品。從圖中可以看到，四種樣品的拉曼響應(yīng)非常明顯，峰位清晰，位置準(zhǔn)確，說明4個(gè)樣品均可以完成對(duì)R6G的檢測(cè)。但1-4號(hào)樣品最強(qiáng)峰位（612cm-1）處的強(qiáng)度并不相同，歸一化強(qiáng)度分別是5500、12500、30000和60000左右，可見對(duì)于R6G而言，AuNSs尺寸調(diào)控對(duì)拉曼響應(yīng)影響較大，光譜強(qiáng)度大致與AuNSs顆粒尺寸成正比關(guān)系。

圖5（b）是對(duì)MB的SERS光譜，四條曲線仍然對(duì)應(yīng)1-4號(hào)AuNSs樣品，按照拉曼光譜強(qiáng)度來排列，所以從下到上樣品序號(hào)有所變化，分別是1，3，2，4號(hào)。這說明，光譜強(qiáng)度與顆粒直徑并沒有嚴(yán)格的比例關(guān)系，不一定顆粒直徑越大SERS光譜強(qiáng)度越強(qiáng)。從最大峰位（1628cm-1）的歸一化強(qiáng)度來看，1-4號(hào)樣品分別是50000、80000、760000和80000左右?？梢娍傮w而言，AuNSs樣品對(duì)于MB的響應(yīng)比R6G更強(qiáng)，但隨著顆粒尺寸超過150nm后，光譜強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定。

圖5（c）是對(duì)MG的SERS光譜，光譜強(qiáng)度順序又有所不同，從弱到強(qiáng)分別是1，3，4，2號(hào)樣品，這更進(jìn)一步說明光譜強(qiáng)度與AuNSs顆粒尺寸并沒有確定的關(guān)系，光譜強(qiáng)度很可能與檢測(cè)樣品的分子性質(zhì)關(guān)系更大。1-4號(hào)樣品最大峰位（1618cm-1）處強(qiáng)度分別為50000、85000、76000、77000?？梢钥吹阶兓?guī)律與對(duì)MB的響應(yīng)有些相似，強(qiáng)度量級(jí)一致，尺寸較大時(shí)對(duì)響應(yīng)強(qiáng)度的影響規(guī)律不明顯。

圖5（d）是對(duì)CV的SERS光譜，強(qiáng)度順序是1，4，3，2號(hào)樣品，最大峰位（1620 cm-1）處的歸一化強(qiáng)度分別為6000、85000、70000、70000。可見AuNSs對(duì)CV、MB、MG三種探針而言，AuNSs均有非常強(qiáng)的響應(yīng)，歸一化強(qiáng)度都在104以上，整體比R6G更強(qiáng)。如果注意到CV、MB、MG三種探針的最強(qiáng)共振峰都在1620 cm-1附近，這是苯環(huán)中的C-C振動(dòng)模式，說明AuNSs結(jié)構(gòu)應(yīng)該更加適合含C-C鍵的化合物檢測(cè)。

由以上分析可知，AuNSs對(duì)四種探針分子均有很強(qiáng)的光譜響應(yīng)，是非常有效的SERS基底，不同尺寸的AuNSs對(duì)不同的探針分子響應(yīng)并不相同，為獲得最大的增強(qiáng)因子就需要制備直徑不同的AuNSs，因此在實(shí)際樣品中對(duì)AuNSs調(diào)控就顯得十分必要。同時(shí)也可以看到對(duì)四種探針分子都表現(xiàn)出一個(gè)同樣特征，小尺寸的粒子拉曼效應(yīng)較弱，這主要是因?yàn)樾〕叽缌Ｗ拥腖SPR共振波長(zhǎng)已經(jīng)偏離激發(fā)波長(zhǎng)（633 nm）較遠(yuǎn)，因此應(yīng)盡量將粒子直徑調(diào)控到100 nm以上以獲得較好的拉曼光譜強(qiáng)度。另外，還可以看到除R6G外，其余三種（MG、MB、CV）探針分子均表現(xiàn)出強(qiáng)度飽和特征，拉曼性能在粒子直徑超過150 nm后均不在增加，這也是在制備SERS基底時(shí)需要注意的。

5 結(jié)論

SERS是一種高靈敏度的分子指紋光譜技術(shù)，在環(huán)境檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和食品安全等領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛，金納米星（Au Nano-stars， AuNSs）能夠極大的增強(qiáng)局域表面電磁場(chǎng)，從而顯著提高SERS信號(hào)強(qiáng)度，近年來相關(guān)研究非常多。本文主要討論了AuNSs的可控制備方法，采用調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中氯金酸 （HAuCl4）體積的方式來實(shí)現(xiàn)AuNSs粒徑調(diào)控，SEM結(jié)果顯示得到的納米顆粒和形貌均一性良好。對(duì)此開展的SERS性能研究也表明制備得到的納米材料具有很強(qiáng)的SERS光譜靈敏度，對(duì)四種探針常見分子都能夠?qū)崿F(xiàn)有效探測(cè)，可以為高靈敏度SERS基底制備和選型提供參考。

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Controllable Preparation and SERS Performance Study of Gold Nanostars

KANG Xi-qiao1，WANG Man2， YUAN Yang-tao 2，MI Jia-jia 2，3，SHI Jian-ping2， 3

（1. School of Computer and Software，Chengdu Neusoft University，Chengdu 611844，China；2. College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China；3. Anhui Province Key Laboratory for Control and Applications of Optoelectronic Information Materials，Wuhu 241002，China）

Abstract： Gold Nanostars （AuNSs） have shown potential application advantages in detection fields such as pesticides， biology， and medicine due to their numerous sharp angular structures on the surface， which can significantly enhance the SERS signal intensity. Their controllable preparation has become a research hotspot in recent years. This paper uses seed growth method to prepare AuNSs， and adjusts the volume of chloroauric acid （HAuCl4） in the reaction system to achieve particle size control of AuNSs， and then， its SERS performance is discussed. The morphology was characterized by scanning electron microscopy （SEM）， and the Raman performance was tested using a confocal micro Raman spectrometer with an excitation wavelength of 633nm. The results showed that controlling the volume of HAuCl4 during the reaction process can effectively regulate the particle size from about 80nm to 800nm. The prepared AuNSs have uniform morphology and strong spectral response to four common probe molecules （R6G， MB， MG， CV）， making them an effective regulatory tool. At the same time， the influence of AuNSs particle size on SERS spectra was briefly discussed， which can provide reference for the selection of SERS substrates in actual sample detection.

Key words： SERS; gold nanostars;controllable preparation; SEM

（責(zé)任編輯：馬乃玉）