新型銀膠體表面增強拉曼散射的研究

新型銀膠體表面增強拉曼散射的研究

納米銀膠的制備隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，單分子材料的結(jié)構(gòu)可以得到更多的研究。早在1976年,Hirschfeld就已經(jīng)實現(xiàn)了單分子熒光光譜檢測。由于拉曼光譜的散射截面比熒光散射截面低1014倍,導致單分子拉曼光譜的檢測難度比較大。近年的實驗研究表明,表面增強拉曼散射能夠使拉曼散射信號增強1014-1015倍,極大地提高了拉曼散射的強度,使拉曼散射在單分子探測及生物醫(yī)學等方面得到了更加深入和廣泛的應(yīng)用。Nie等人首次在1997年宣布利用表面增強拉曼效應(yīng)獲得了單分子拉曼光譜。由于表面增強拉曼是實現(xiàn)單分子的拉曼光譜檢測的必要手段,因此如何制備出高效的表面增強拉曼散射襯底就更加重要。銀膠以其制備方法簡單多樣、增強效果顯著而得到了廣泛的應(yīng)用。其性能與納米銀粒子的聚集狀態(tài)、大小和形狀密切相關(guān)。因此,制備納米銀膠粒子時,各種參數(shù)的控制直接影響到銀膠為襯底的樣品拉曼信號的增強效果。光化學還原法和加熱法是銀膠制備時最常用的方法。加熱法常用的原理是1982年Meisel等人所提出的用檸檬酸鈉還原硝酸銀制備銀膠的方法,但是該方法加熱時間長,實驗條件不易精確控制,溶液量大易引起受熱不均勻,形成大小不均勻的納米銀膠顆粒。采用微波加熱的方法逐步向沸騰的硝酸銀溶液中滴入檸檬酸鈉溶液,可以制備出顆粒均勻的灰色銀膠。分析了該銀膠溶液的紫外可見吸收光譜,并通過原子力顯微鏡觀察該銀膠提純后的表面形貌,得到了新型銀膠顆粒的形狀、大小及聚集狀態(tài)等信息。用提純的銀膠作羅丹明6G(Rhodamine6G,R6G)分子的表面增強拉曼散射活性襯底,實現(xiàn)了低濃度R6G分子的拉曼光譜檢測,顯示出該銀膠非常強的表面增強拉曼散射增強特性。實驗研究發(fā)現(xiàn),該新型銀膠是一種較理想的表面增強拉曼散射襯底。1實驗部分1.1顯微拉伸光譜主要試劑:硝酸銀(沈陽試劑二廠),分析純;檸檬酸三鈉(沈陽試劑三廠),分析純;R6G(Fluka公司),相對分子量為479.02。主要儀器:拉曼光譜儀(RenishawInvia,UK)結(jié)合倒置顯微鏡(ZEISSAxiovert25)組成的顯微拉曼光譜儀;原子力顯微鏡(MolecularImage公司,PicoPlus掃描探針顯微鏡系統(tǒng));磁力攪拌器(CJJ-781,江蘇金壇);紫外光吸收譜儀(Helios,Alpha);微波爐(WP700,廣東格蘭仕);臺式高速離心機(TG16-WS,湖南湘儀)。1.2實驗操作1.2.1微波加熱加熱將50mg硝酸銀溶于300ml去離子水中,劇烈攪拌30min。配制濃度為1%的檸檬酸鈉溶液;將配制好的硝酸銀溶液取150ml置入微波爐大火加熱,待溶液沸騰1min后向溶液中滴入1ml的檸檬酸鈉溶液,用玻璃棒迅速攪拌均勻,繼續(xù)大火加熱保持溶液沸騰1min;再次向沸騰的溶液中滴入1ml檸檬酸鈉溶液并用玻璃棒攪拌均勻,大火加熱使溶液沸騰1min;按照上一步驟再重復兩次,即一共滴入4ml檸檬酸鈉溶液,完成后將溶液取出自然冷卻,溶液為灰色不透明液體。1.2.2超聲離心次數(shù)用臺式高速離心機對所獲得的銀膠溶液進行提純,轉(zhuǎn)速為12000轉(zhuǎn),離心5min,完成后棄去離心管內(nèi)透明上清液,滴入去離子水,將離心管置入超聲波清洗器中超聲震蕩5min,使管內(nèi)的納米銀顆粒與去離子水充分混合之后再次離心;如此離心三次得到濃度較大純度較高銀膠。取約5μL經(jīng)提純的銀膠滴于蓋玻片上,待其在室溫下自然干燥后測量其原子力圖像,獲得提純后的銀膠體表面形貌圖。1.2.3表面增強拉曼光譜he-ne激光器將提純的銀膠溶液與濃度分別為10-12mol/L、10-13mol/L和10-14mol/L的R6G溶液按體積比1:1混合,置入1.5ml離心管中使之充分混合,室溫下密閉穩(wěn)定4小時后,毛細管裝樣,以180°背散射方式采集R6G的表面增強拉曼光譜。光源為He-Ne激光器,波長632.8nm,到達樣品的激光功率為35mW。采用40倍物鏡,曝光時間為10s,分辨率為2cm-1。掃描范圍500～2000cm-1。2結(jié)果與討論2.1銀膠的純化結(jié)果采用HeliosAlpha雙光束紫外分光光度計測量銀膠的紫外可見吸收光譜。將冷卻后的未提純銀膠稀釋至原來體積的四倍,置入石英皿中以去離子水為參比測量其紫外可見吸收光譜,如圖1所示?？梢钥闯鑫展庾V中有一個明顯的吸收峰,說明所制備的納米銀粒子為球形;峰具有較好的對稱性,說明粒子大小比較均勻,原因是將檸檬酸三鈉滴入沸騰的硝酸銀溶液中,檸檬酸鈉立刻分解為乙酰乙酸和甲酸,然后甲酸還原硝酸銀生成了銀;初次向沸騰的硝酸銀溶液中滴入少量檸檬鈉并攪拌時,檸檬酸鈉與硝酸銀溶液均勻地混合,受熱分解生成的甲酸與硝酸銀發(fā)生充分的反應(yīng),還原出一定量的銀,這些銀粒子在溶液中作為晶核,后續(xù)滴入的檸檬酸鈉所還原的銀包裹在晶核上使晶核逐漸長大,由于滴入檸檬酸鈉時進行了充分的攪拌,與硝酸銀均勻且充分地混合,所以生成的晶核大小均勻,生長得也比較均勻。采用化學還原法制備的銀膠的紫外可見吸收光譜的峰一般出現(xiàn)在390-410nm附近,新型銀膠的吸收峰位于433nm,較一般的化學還原法所獲得的銀膠的紫外可見吸收光譜有較大的紅移,因為銀膠體內(nèi)部的納米銀粒子有較明顯的聚集現(xiàn)象。掃描提純后銀膠的原子力圖像,原子力顯微鏡使用AAC模式(輕敲模式),針尖為硅針尖(專用于AAC模式)。提純后的銀膠溶液濃度較大,呈不透明的灰色。圖2給出的是提純后銀膠的AFM表面形貌圖;掃描范圍600×600nm。由圖可以看出,銀粒子呈球形,大小較均勻,約為20nm左右,呈明顯的聚集狀態(tài)。2.2低濃度的r6g的表面增強和高-銀實驗中激光光斑直徑為2μm,對樣品的探測深度約為1mm,由此可知激光對樣品的探測體積約3×10-12L,R6G溶液濃度為6.4×10-13mol/L時,探測體積內(nèi)的分子數(shù)為1.16個,基本上達到單分子水平。以提純的新型銀膠作為活性襯底,測量濃度分別為10-12mol/L、10-13mol/L和10-14mol/L的R6G溶液的SERS光譜,如圖3所示,實驗得到了高信噪比的超低濃度的R6G溶液的表面增強拉曼光譜。Nie等人發(fā)現(xiàn)在表面增強拉曼散射的實驗中的“熱點”現(xiàn)象:就是在表面增強拉曼散射中,出現(xiàn)一些銀納米粒子聚集點,使吸附在上面的樣品的拉曼散射強度異常增強。目前有關(guān)“熱點”的表面增強機理人們還不是很清楚,通常表面增強拉曼機理的解釋包含“電磁增強”和“化學增強”兩種方式,并且認為這兩種方式是同時作用的。實驗所實現(xiàn)的低濃度的R6G的表面增強拉曼檢測,主要原因是“熱點”和R6G-銀膠之間的化學吸附產(chǎn)生了高的增強效果,即金屬納米粒子有明顯的聚集效果及高的濃度是SERS超靈敏探測的有效條件之一。在檸檬酸鈉還原硝酸銀的反應(yīng)中,一般認為檸檬酸鈉有穩(wěn)定膠團的作用,即銀納米粒子吸附檸檬酸根離子形成擴散雙電子層結(jié)構(gòu),從而阻止粒子的聚集。實驗中,將所獲得的銀膠進行提純,提高了銀膠的濃度。用去離子水反復沖洗,不但減少了銀粒子表面所吸附的化學反應(yīng)產(chǎn)物,使R6G分子更容易化學吸附在銀粒子上;還在一定程度上促進了銀粒子的聚集。當R6G分子化學吸附在銀粒子表面時,分子處在較強的局域電場中,并且有利于分子與納米銀之間進行電荷轉(zhuǎn)移,從而產(chǎn)生比較明顯的表面增強效應(yīng)。銀粒子的聚集促使了更多“熱點”的形成,進而提高了超低濃度條件下R6G分子吸附在熱點上的幾率,實現(xiàn)對低濃度R6G溶液檢測。而且,R6G分子在銀聚集體上的吸附具有一定的取向:G.Wei等實驗研究發(fā)現(xiàn),R6G分子并不是均勻地吸附在SERS基底上,而是更多地吸附在了銀粒子的聚集體所提供的熱點上。因此,銀粒子的聚集和R6G分子的吸附是拉曼光譜可以高靈敏地探測超低濃度R6G分子的主要原因。實驗在采集低濃度R6G的SERS光譜時,選取了產(chǎn)生銀膠聚集體的點來探測,在銀粒子濃度低和沒有銀粒子的部位無法探測到R6G分子的SERS光譜。同樣的步驟利用未提純的銀膠作為R6G分子的SERS襯底,無法得到相同濃度下的R6G的SERS光譜,證明了銀納米粒子明顯的聚集及高的濃度是確實有助于實現(xiàn)SERS的超靈敏探測。另一方面,銀粒子的聚集同時導致了強熒光樣品R6G的熒光淬滅,從而降低了譜線的熒光背景,對實驗獲得高信噪比的SERS光譜也起了一定的作用。3小截面大小均勻采用微波加熱的方法,將檸檬酸鈉逐步滴入沸騰的硝酸銀溶液中,成功地還原出了灰色銀膠;通過分析銀膠的紫外可見吸收光譜和原子力圖像,發(fā)現(xiàn)粒子呈球形,大小均勻,尺寸為20nm左