二氧化硅-金核壳材料的制备与SERS研究陈雷;薛向欣;刘洋;高铭;王雅新;杨景海【摘要】表面增强拉曼散射（ SERS）活性基底的制备与优化对靶分子的研究非常关键.本文设计了一种二氧化硅—金核壳材料的SERS活性基底，通过调节二氧化硅—金种子和金生长溶液的比例调节二氧化硅球表面金纳米材料的厚度，得到一系列表面等离子体吸收带可调控的SERS活性基底.这类材料具有较宽的吸收带，适用于多激发线激发，并产生强烈的表面等离子体共振吸收峰.我们采用633 nm 激发波长，选择苯硫酚作为探针分子研究基底的SERS活性，其SERS增强因子可以达到107. SERS的增强贡献主要来源于电磁场增强，而聚集在二氧化硅纳米粒子表面的金会提供巨大的电磁场，提高了基底的检测灵敏度和光谱重现性.这类基底在基于SERS应用方面具有潜在的应用价值.%In this paper,we prepared a SiO2@ Au nanoshell substrate for surface-enhanced Raman scattering study. In SERS-based study,SERS substrate was an important part for the determination of the target. By adjusting the proportional of SiO2@Au and K-gold solutions to control the thickness of the gold shell which was covered on the SiO2 particles. UV-vis-NIR absorption spectrometer and SEM were employed to monitor the reaction process of the formation of Au on the surface of silica bead,and the optical resonance of the substrate could turn from visible to NIR area. It possessed the broad surface plasmon resonance,which extend the SERS applications with different laser excitations. To investigate the potential of this substrate for SERS applications, SERS spectra of thiophenol( TP )were normalized by using an internal standard of silicon( 520 cm-1 ). The calculated enhancementfactor( EF)of TP adsorbed onto a SiO2@Au core-shell substrate was ~107 following 633 laser excitations. It could effectively control surface morphology of SiO2@Au core-shell,which was one of the important factors in the fabrication of an excellent SERS-actived substrates. More importantly,this SERS substrate exhibited an excellent potential application in biosystem and environmental monitoring.【期刊名称】《吉林师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(000)004【总页数】5页(P29-33)【关键词】表面增强拉曼光谱;基底;核壳结构【作者】陈雷;薛向欣;刘洋;高铭;王雅新;杨景海【作者单位】吉林师范大学化学学院，吉林四平136000;吉林师范大学化学学院，吉林四平136000;吉林师范大学物理学院，吉林四平136000;吉林师范大学物理学院，吉林四平136000;吉林师范大学物理学院，吉林四平136000;吉林师范大学物理学院，吉林四平136000【正文语种】中文【中图分类】O657.37自1974年表面增强拉曼散射(SERS)技术被发现以来，SERS技术在各个领域都展现出其突出的应用价值，例如在表面与界面研究、电化学反应监测、原位在线研究、单分子检测和生物体系(蛋白质、DNA和细胞等)研究等[1-13].目前基于SERS技术的研究中依然存在很多问题，如基底的非重现性聚集造成光谱的重现性不好、基底的生物相容性不好造成对生物分子研究的假象、基底的制备工艺复杂以及造价较高为研究带来很多困难等[14-15].目前研究表明，SERS增强的主要贡献是来源于基底的电磁场贡献和化学增强两部分，电磁场增强贡献来自于SERS基底表面的粗糙度以及纳米粒子尺度等变化引起基底的等离子体振荡程度的不同造成的，该部分可以提供104～106贡献；而化学增强是由于吸附于SERS活性基底表面的分子与基底之间的电荷转移引起的增强，可以提供102的贡献[16].SERS的指纹信息可以用来分析分子的结构变化，而接触或接近于SERS活性基底的探针分子可以被增强1014甚至更高水平，增加了SERS技术在化学传感和生物体系检测方面的应用价值[17-18].SERS活性基底的制备与应用方面，金和银胶体纳米粒子是被应用最为广泛的材料，可以实现超高灵敏度的检测水平，金银胶体纳米粒子要利用聚集剂或固定在特定结构上来提高SERS基底的电磁场.虽然银纳米材料聚集可以提供巨大的电磁场贡献(优于金纳米材料)并实现超灵敏检测水平，但是银纳米材料在环境中极易氧化，在空气和水体系中极不稳定，并且与生物体不相容，不利于实际应用.以往的研究表明，金纳米材料的化学稳定性优于银纳米材料，因此我们通常采用金纳米材料用于SERS研究，以提高SERS检测的稳定性和光谱重现性，同时用于生物体系的研究.本文致力于制备一系列具有生物相容性好、SERS活性强的基底来对生物分子进行研究，得到了较好的检测效果.首先利用苯硫酚分子作为探针评估基底的增强能力，增强因子可以达到107.苯硫酚(TP)和聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)购自于Sigma-Aldrich公司和3-氨丙基三甲氧基硅烷(APTMS)购自于Acros Organics Chemical公司；正硅酸乙酯、氨水、碳酸钾、甲醛、氯金酸、盐酸和无水乙醇均购自于北京化学试剂有限公司.实验中所用去离子水电阻率为18 MΩ·cm.二氧化硅—金核壳材料的制作方法是按照Halas教授团队方法制备而成[19].二氧化硅小球(180 nm)是按照Stöber方法合成，表面经APTMS氨基化后待用[20].2～3 nm金纳米种子粒子是根据Duff报道的方法制备而成，这种方法制备的金种子粒子避光保存在4 ℃条件下1周以上，会达到最佳的单分散状态[21].将10 mL经氨基化处理的二氧化硅小球加入到200 mL金纳米种子中搅拌1～2 h，使得二氧化硅表面覆盖金纳米种子达到饱和状态，经4 000转离心15 min后，倒掉上层液体，然后水洗，重复5次，得到二氧化硅—金种子溶液(1 mg/mL).硅—金核壳材料的制备，首先制备金生长液，称取25 mg碳酸钾溶于98.5 mL去离子水中，搅拌，再加入1.5 mL、1%的氯金酸，搅拌至无色后，过夜保存.每个反应体系中加入1 mL上述制备好的二氧化硅—金种子溶液，然后分别加入5、10、20、30、40和50 mL金生长液，最后加入10 μL甲醛，溶液颜色逐渐变深，分别为紫色、蓝色、深蓝色到蓝绿色(图1)，然后离心，去离子水洗涤3次，得到二氧化硅—金核壳溶液.硅片经清洗后浸在30% H2O2和98% H2SO4体积比为3 ∶7溶液中煮沸直至没有气泡产生，经冷却后，用去离子水对硅片多次洗涤，硅片经冷却后多次用去离子水冲洗，氮气吹干，得到羟基化的硅片.接下来将硅片表面修饰上带有正电荷聚合物0.5% PDDA溶液中30 min，冲洗，氮气吹干.最后将带有正电荷的硅片浸泡在不同二氧化硅—金种子溶液和金生长液比例制备而成的二氧化硅—金核壳溶液中2 h后，取出，冲洗，氮气吹干，得到二氧化硅—金核壳.将上述不同二氧化硅—金核壳基底分别浸在10-4 mol/L的TP乙醇溶液30 min，取出，乙醇冲洗，氮气吹干.不同二氧化硅—金核壳基底的紫外可见近红外光谱(UV-vis-NIR)采用日本岛津公司生产的UV-3600型光谱仪.不同二氧化硅—金核壳基底的扫描电镜图片是利用型号为JEOL JSM-6700F冷场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)表征得到，加速电压为3 kV.二氧化硅—金纳米种子粒子采用型号为日立H-8100透射电子显微镜(TEM)表征，加速电压为200 kV.拉曼光谱采用法国HORIBA Jobin Yvon公司生产的型号为LabRam ARAMIS型拉曼光谱仪.采用空气制冷的HeNe激光器，633 nm激发波长激发.二氧化硅—金核壳材料的制备过程如图2所示，首先制备二氧化硅纳米小球，二氧化硅小球(180 nm)是按照Stöber方法合成[20]，利用APTMS分子将其氨基化，在其表面修饰上小尺寸的金纳米粒子(2～3 nm)作为成核位点和催化位点，以利于大量的金修饰在二氧化硅表面形成二氧化硅—金复合结构材料(图3).通过控制金种子和金生长液的比例，调节二氧化硅表面金覆盖量，并且其表面等离子体吸收峰呈现红移现象(图4).当金种子溶液和金生长液比例为1 ∶5时，其呈现出红色，吸收峰位于539 nm，归属于金纳米粒子的吸收峰.而随着金生长液的量逐渐增加，其表面金覆盖量逐渐增厚，纳米粒子的尺度和基底的表面形貌都发生变化，得到可调控等离子体吸收峰的基底.基底等离子体吸收峰红移并展宽，主要源于金纳米粒子间的聚集而引起红移现象.此外，宽的吸收带特别适用于多激发线的选择应用.据报道，二氧化硅—金核壳材料表面有2～5 nm的针孔也不会影响其消光峰.我们制备的二氧化硅—金核壳结构的光学性质独特，表面粗糙度比较大，可以提供巨大的电磁场贡献，因此可以提高SERS的检测能力.图5是金种子溶液和金生长液不同配比的扫描电镜图，可以看出，随着金生长液体积的增加，二氧化硅小球表面的金种子逐渐长大，聚集，并且二氧化硅小球表面金层逐渐变厚，粗糙度增加，因此不同的覆盖厚度对SERS的贡献会呈现出不同的现象.在SERS研究中，SERS的增强多少与探针分子的选择有一定的关系，这部分贡献归因于化学增强机制.然而基底表面的结构对SERS增强的影响会是巨大的，源于电磁场增强机制.而电磁场增强贡献是与基底的局域表面等离子体振荡程度相关，主要与纳米粒子性质有关.因此，本研究中采用633 nm激发线，对不同的二氧化硅—金核壳基底进行优化，以得到最大SERS贡献及光谱重现性的基底.我们以TP 分子为探针分子研究不同SERS活性基底活性.图6是随着金生长液体积增加的不同基底表面吸附有10-4 mol/L TP分子的SERS光谱图，随着金覆盖量的逐渐增加，可以看出其SERS光谱强度逐渐变强.其中1 574 cm-1归属于C—C伸缩振动峰，1 072 cm-1归属于C—S伸缩振动和苯环面内弯曲振动峰，1 022 cm-1归属于苯环面内弯曲振动峰，998 cm-1归属于苯环C—H伸缩振动峰和690 cm-1归属于C—H伸缩振动峰.我们选用硅片为基片以硅的峰(520 cm-1)作内标评估自组装基底的活性，同时也可以用来校正因为仪器和激光状态变化引起的误差，可以很好的避免测量过程中的误差.随着金生长液比例逐渐增大，其SERS光谱强度逐渐增强.随着金生长液体积的增加，装饰在二氧化硅表面的金纳米粒子逐渐变大，并聚集而提供巨大的电磁场增强.当金种子和金生长液的比例为1 ∶50时，其SERS贡献最大，通过扫描电镜可以看出其表面覆盖着较厚一层金聚集体，这种连续和适当大小的二氧化硅—金核壳粒子的表面粗糙度较大，可以提供大量的热点区域，此外，三维聚集的二氧化硅—金核壳球会额外提供更多的热点，因此对SERS的贡献会是最大的.我们以TP分子为探针分子研究二氧化硅—金核壳基底的增强因子(EF).通常增强因子的计算公式为：EF= (ISERS/INR)(NNR/SERS)，其中NNR和NSERS分别是纯TP分子的数量和吸附在二氧化硅—金核壳基底上的TP分子数量，而INR和ISERS分别是TP本体的拉曼强度以及吸附于二氧化硅—金核壳上的TP分子的SERS强度.TP分子本体分子个可以用公式NNR=NAAhρ/m来计算，A为激光斑点的面积，h,ρ,和m分别为激光的穿透深度，TP分子密度和分子量.TP分子吸附于SERS活性基底上数量可以用公式NSERS=NdAlaserAN/σ[22]计算，其中Nd为二氧化硅—金核壳纳米粒子的密度，Alaser采用显微镜头的激光斑点面积，AN为二氧化硅—金核壳纳米粒子的表面面积，σ吸附于SERS基底上的单个分子占据的面积，Nd和AN的值可以利用扫描电镜采集多组照片统计.据报道，单个TP分子在金材料表面占据的面积σ=0.147 nm2[23].在633 nm激发光下，假设二氧化硅—金核壳基底表面全部被TP分子覆盖时，对于六种制备的基底增强因子计算，得到EF=106～107.本文设计制备了一种硅金核壳结构材料作为SERS活性基底.通过优化二氧化硅表面金纳米粒子的尺寸，聚集程度以及粗糙度调节其表面等离子吸收峰，然后选择合适的激发波长进行SERS研究.选择苯硫酚分子为探针分子吸附在不同结构的基底表面，得到不同增强效果的SERS光谱，其增强因子可以达到107.此外，这种二氧化硅和金复合基底的稳定性更高.【相关文献】[1]M.Fleischman,P.J.Hendra,A.J.McQuillan.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode[J].Chem.Phys.Lett.,1974,26:163～166.[2]D.C.Jeanmarie,R.P.Van Duyne.Surface Raman Spectroelectrochemistry:PartI.Heterocyclic,Aromatic,and Aliphatic Amines Adsorbed on the Anodized Silver Electrode[J].J.Electroanal.Chem.,1977,84:1～20.[3]M.G.Albrecht,J.A.Creighton.Anomalously Intense Raman Spectra of Pyridine at a Silver Electrode[J].J.Am.Chem.Soc.,1977,99:5215～5218.[4]K.Kneipp,M.Moskovits,H.Kneipp.Surface-Enhanced Raman Scattering-Physics and Applications[M].Springer:Berlin,Heidelberg,2006.[5]R.F.Aroca,C.J.L.Constantino.Surface-enhanced Raman scattering:Imaging and mapping of Langmuir-Blodgett monolayers physically adsorbed onto silver islandfilms[J].Langmuir,2000,16:5425～5429.[6]J.F.Li,Z.L.Yang,B.Ren,et al.Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Using Gold-Core Platinum-Shell Nanoparticle Film Electrodes:Toward a Versatile Vibrational Strategy for Electrochemical Interfaces[J].Langmuir,2006,22:10372～10379.[7]Y.F.Wang,J.H.Zhang,H.Y.Jia,et al.Mercaptopyridine Surface-Functionalized CdTe Quantum Dots with Enhanced Raman ScatteringProperties[J].J.Phys.Chem.C,2008,112:996～1000.[8]A.Tao,F.Kim,C.Hess,et ngmuir-Blodgett Silver Nanowire Monolayers for Molecular Sensing Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy[J].Nano Lett.,2003,3:1229～1233.[9]S.P.Xu,X.H.Ji,W.Q.Xu,et al.Immunoassay using probe-labelling immunogold nanoparticles with silver staining enhancement via surface-enhanced Raman scattering[J].Analyst,2004,129:63～68.[10]X.X.Han,H.Y.Jia.,Y.F.Wang,et al.Analytical technique for label-free multi-protein detection based on Western blot and surface-enhanced Ramanscattering[J].Anal.Chem.,2008,80:2799～2804.[11]王丽,李壮.复合形状的金纳米结构的合成以及在表面增强拉曼光谱上的应用[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2009,30(3):66～70.[12]常立民,丁燕,李欣.微米银球的制备及SERS性能[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2013,34(2):11～14.[13]孙德武,翟宏菊,林险峰,等.单分散纳米银溶胶的合成、表征及其性质研究[J].吉林师范大学学报(自然科学版),2005,26(3):40～41.[14]X.X.Han,G.G.Huang,B.Zhao,et bel-Free Highly Sensitive Detection of Proteins in Aqueous Solutions Using Surface-Enhanced RamanScattering[J].Anal.Chem.,2009,81:3329～3333.[15]L.Chen,X.X.Han,Z.N.Guo,et al.Biomagnetic glass beads for protein separation and detection based on surface-enhanced Raman scattering[J].Anal.Methods.,2012,4:1643～1647.[16]R.Aroca.Surface-Enhanced Vibrational Spectroscopy[M].John Wiley &Sons,Ltd.:Chichester,2006.[17]S.M.Nie,S.R.Emory.Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering[J].Science,1997,275:1102～1106.[18]K.Kneipp,Y.Wang,H.Kneipp,et al.Single moleculedetection using surface-enhanced Raman scattering (SERS) [J].Phys.Rev.Lett.,1997,78:1667～1670.[19]S.J.Oldenburg,R.D.Averitt,S.L.Westcott,et al.Nanoengineering of optical resonances[J].Chem.Phys.Lett.,1998,288:243～247.[20]W.Stober,A.Fink.Controlled Growth of Monodisperse Silica Spheres in the Micron Size Range[J].J.Colloid Interf.Sci.,1968,26:62～69.[21]D.G.Duff,A.Baiker,A New Hydrosol of Gold Clusters.1.Formation and Particle Size Variation[J].Langmuir,1993,9:2301～2309.[22]C.J.Orendorff,A.Gole,T.K.Sau,et al.Surface-enhanced Raman spectroscopy of self-assembled monolayers:Sandwich architecture and nanoparticle shapedependence[J].Anal.Chem.,2005,77:3261～3266.[23]A.D.McFarland,M.A.Young,J.A.Dieringer,et al.Wavelength-scanned surface-enhanced Raman excitation spectroscopy[J].J.Phys.Chem.B,2005,109:11279～11285.。
