以新型银胶为衬底的超低浓度R6G的拉曼光谱检测

2024-07-29 作者:

第19卷　第1期2007年3月

光　散　射　学　报

THEJOURNALOFLIGHTSCATTERINGVol119　No11

March12007

文章编号:100425929(205

以新型银胶为衬底的超低浓度R6G的拉曼光谱检测

马枫茹,刘　琨,张　毅,潘　石3

(大连理工大学物理系近场光学与纳米技术研究所,大连　116023)

Ξ

摘　要:利用柠檬酸钠还原硝酸银的原理,提出了一种微波加热制备银胶体粒子的新方法,得到了颗粒大小较均匀的灰色银胶体。以提纯后的银胶为表面增强拉曼散射衬底,研究了超低浓度染料大分子罗丹明

6G分子的表面增强拉曼散射,得到浓度分别为10-12

mol/L、10-

13

mol/L和10-

14

mol/L的罗丹明6G的表

面增强拉曼散射光谱,初步实现了罗丹明6G的单分子检测,证明该新型银胶衬底有非常强的表面增强拉曼活性。同时根据表面增强拉曼散射“热点”的增强机理,分析了获得超低浓度R6G的表面增强拉曼光谱的原因。

关键词:表面增强拉曼散射;银胶;单分子;罗丹明6G中图法分类号:O657137　　　文献标识码:AANovelSilverColloidasSubstrateforDetectionofSingle-molecularLevelofR6G

MAFeng2ru,LIUKun,ZHANGYi,PANShi3

(InstituteofNear-fieldOpticsandNanotechnology,DepartmentofPhysics,

DalianUniversityofTechnology,China,116023)

Abstract:Anovelgraysilvercolloidwaspreparedbysilvernitratesolutionreducedwithsodi2umcitratecoec2tionofsinglemolecularlonofdifferentconcentration(10-moleculewasfound.

Keywords:SERS;silvercolloid;singlemolecule;R6G

12

mol/L、10-

13

mol/L和10-

14

mol/L)was

oryof“hotspots”isanalyzedtoexplainthepossiblereasonswhythesingle

引言

随着光谱技术的发展,在单分子水平上研究

物质的结构已经成为了可能。早在1976年,Hirschfeld就已经实现了单分子荧光光谱检测[1]。由于拉曼光谱的散射截面比荧光散射截面低1014倍,导致单分子拉曼光谱的检测难度比较大。近年的实验研究表明,表面增强拉曼散射能够使拉曼散射信号增强1014-1015倍[2-5],极

大地提高了拉曼散射的强度,使拉曼散射在单分子探测及生物医学等方面得到了更加深入和广泛的应用。Nie等人首次在1997年宣布利用表面增强拉曼效应获得了单分子拉曼光谱[5]。由于表面增强拉曼是实现单分子的拉曼光谱检测的必要手段,因此如何制备出高效的表面增强拉曼散射衬底就更加重要。银胶以其制备方法简单多样、增强效果显著而得到了广泛的应用。其性能与纳米银粒子的聚集状态、大小和形状密切

Ξ收稿日期:2006209220

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　　第1期马枫茹:以新型银胶为衬底的超低浓度R6G的拉曼光谱检测2007年

相关[6-9]。因此,制备纳米银胶粒子时,各种参数的控制直接影响到银胶为衬底的样品拉曼信号的增强效果。光化学还原法和加热法是银胶制备时最常用的方法[10,11]。加热法常用的原理是1982年Meisel等人所提出的用柠檬酸钠还原硝酸银制备银胶的方法,但是该方法加热时间长,实验条件不易精确控制[12],溶液量大易引起受热不均匀,形成大小不均匀的纳米银胶颗粒。采用微波加热的方法逐步向沸腾的硝酸银溶液中滴入柠檬酸钠溶液,可以制备出颗粒均匀的灰色银胶。分析了该银胶溶液的紫外可见吸收光谱,并通过原子力显微镜观察该银胶提纯后的表面形貌,得到了新型银胶颗粒的形状、大小及聚集状态等信息。用提纯的银胶作罗丹明6G(Rhodamine6G,R6G)分子的表面增强拉曼散射活性衬底,实现了低浓度R6G分子的拉曼光谱检测,显示出该银胶非常强的表面增强拉曼散射增强特性。实验研究发现,该新型银胶是一种较理想的表面增强拉曼散射衬底。1　实验部分1.1　试剂及仪器

完成后将溶液取出自然冷却,溶液为灰色不透明

液体。

1.2.2　银胶衬底的制备及AFM图像扫描

用台式高速离心机对所获得的银胶溶液进行提纯,转速为12000转,离心5min,完成后弃去离心管内透明上清液,滴入去离子水,将离心管置入超声波清洗器中超声震荡5min,使管内的纳米银颗粒与去离子水充分混合之后再次离心;如此离心三次得到浓度较大纯度较高银胶。

μ取约5L经提纯的银胶滴于盖玻片上,待

其在室温下自然干燥后测量其原子力图像,获得提纯后的银胶体表面形貌图。1.2.3　R6G的SERS光谱采集将提纯的银胶溶液与浓度分别为10-12mol/L、10-13mol/L和10-14mol/L的R6G溶液按体积比1:1混合,置入1.5ml离心管中使之充分混合,室温下密闭稳定4小时后,毛细管装样,以180°背散射方式采集R6G的表面增强拉曼光谱。光源为He-Ne激光器,波长632.8nm,到达样品的激光功率为35mW。采用40倍物镜,曝光时间为10s,分辨率为2cm-1。扫描范围500～2000cm-1。2　结果与讨论

2.1　银胶的紫外可见吸收光谱分析与原子力图

主要试剂:硝酸银(沈阳试剂二厂),分析纯;

柠檬酸三钠(沈阳试剂三厂),分析纯;R6G(Flu2ka公司),相对分子量为479.02。

主要仪器:拉曼光谱仪(RenishawInvia,UK)结合倒置显微镜(ZEISSAxiovert25)组成的显微拉曼光谱仪;原子力显微镜(MolecularIm2age公司,PicoPlus扫描探针显微镜系统);磁力搅拌器(CJJ-781,江苏金坛);紫外光吸收谱仪(Helios,Alpha);微波炉(WP700,广东格兰仕);

像分析

采用HeliosAlpha双光束紫外分光光度计测量银胶的紫外可见吸收光谱。将冷却后的未提纯银胶稀释至原来体积的四倍,置入石英皿中以去离子水为参比测量其紫外可见吸收光谱,如图1所示。可以看出吸收光谱中有一个明显的吸收峰,说明所制备的纳米银粒子为球形;峰具有较好的对称性,说明粒子大小比较均匀,原因是将柠檬酸三钠滴入沸腾的硝酸银溶液中,柠檬酸钠立刻分解为乙酰乙酸和甲酸,然后甲酸还原硝酸银生成了银[12];初次向沸腾的硝酸银溶液中滴入少量柠檬钠并搅拌时,柠檬酸钠与硝酸银溶液均匀地混合,受热分解生成的甲酸与硝酸银发生充分的反应,还原出一定量的银,这些银粒子在溶液中作为晶核,后续滴入的柠檬酸钠所还原的银包裹在晶核上使晶核逐渐长大,由于滴入柠檬酸钠时进行了充分的搅拌,与硝酸银均匀且充分地混合,所以生成的晶核大小均匀,生长得

台式高速离心机(TG16-WS,湖南湘仪)。1.2　实验操作1.2.1　银胶的制备

将50mg硝酸银溶于300ml去离子水中,剧烈搅拌30min。配制浓度为1%的柠檬酸钠溶液;将配制好的硝酸银溶液取150ml置入微波炉大火加热,待溶液沸腾1min后向溶液中滴入1ml的柠檬酸钠溶液,用玻璃棒迅速搅拌均匀,

继续大火加热保持溶液沸腾1min;再次向沸腾的溶液中滴入1ml柠檬酸钠溶液并用玻璃棒搅拌均匀,大火加热使溶液沸腾1min;按照上一步骤再重复两次,即一共滴入4ml柠檬酸钠溶液,・12・

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也比较均匀。采用化学还原法制备的银胶的紫外可见吸收光谱的峰一般出现在390-410nm附近[13],新型银胶的吸收峰位于433nm,较一般的化学还原法所获得的银胶的紫外可见吸收光谱有较大的红移,因为银胶体内部的纳米银粒子有较明显的聚集现象。

扫描提纯后银胶的原子力图像,原子力显微

镜使用AAC模式(轻敲模式),针尖为硅针尖(专用于AAC模式)。提纯后的银胶溶液浓度较大,呈不透明的灰色。图2给出的是提纯后银胶的AFM表面形貌图;扫描范围600×600nm。由图可以看出,银粒子呈球形,大小较均匀,约为20nm左右,呈明显的聚集状态。

Fig.1　AbsorptionspectroscopyofsilvercolloidsFig.2　Atomicforcemicroscopy(AFM)image

ofpurifiedsilvercolloids

2.2　以新型银胶为衬底的R6G单分子检测

的化学吸附产生了高的增强效果,即金属纳米粒子有明显的聚集效果及高的浓度是SERS超灵敏探测的有效条件之一[15,16,17]。在柠檬酸钠还原硝酸银的反应中,一般认为柠檬酸钠有稳定胶团的作用,即银纳米粒子吸附柠檬酸根离子形成扩散双电子层结构,从而阻止粒子的聚集[11,18,19]。实验中,将所获得的银胶进行提纯,提高了银胶的浓度。用去离子水反复冲洗,不但减少了银粒子表面所吸附的化学反应产物,使R6G分子更容易化学吸附在银粒子上;还在一

μm,对样品的探测实验中激光光斑直径为2

深度约为1mm,由此可知激光对样品的探测体积约3×10-12L,R6G溶液浓度为6.4×10-13mol/L时,探测体积内的分子数为1.16个,基本上达到单分子水平。以提纯的新型银胶作为活性衬底,测量浓度分别为10-12mol/L、10-13mol/L和10-14mol/L的R6G溶液的SERS光谱,如图3所

示,实验得到了高信噪比的超低浓度的R6G溶液的表面增强拉曼光谱。Nie[6]等人发现在表面增强拉曼散射的实验中的“热点”现象:就是在表面增强拉曼散射中,出现一些银纳米粒子聚集点,使吸附在上面的样品的拉曼散射强度异常增强。目前有关“热点”的表面增强机理人们还不是很清楚,通常表面增强拉曼机理的解释包含“电磁增

[14]强”和“化学增强”两种方式,并且认为这两种

定程度上促进了银粒子的聚集。当R6G分子化学吸附在银粒子表面时,分子处在较强的局域电场中,并且有利于分子与纳米银之间进行电荷转移,从而产生比较明显的表面增强效应。银粒子的聚集促使了更多“热点”的形成,进而提高了超低浓度条件下R6G分子吸附在热点上的几率,实现对低浓度R6G溶液检测。而且,R6G分子在银聚集体上的吸附具有一定的取向:[16]等实验研究发现,R6G分子并不是均匀

方式是同时作用的。

实验所实现的低浓度的R6G的表面增强拉曼检测,主要原因是“热点”和R6G-银胶之间

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地吸附在SERS基底上,而是更多地吸附在了银粒子的聚集体所提供的热点上。因此,银粒子的聚集和R6G分子的吸附是拉曼光谱可以高灵敏地探测超低浓度R6G分子的主要原因。实验在采集低浓度R6G的SERS光谱时,选取了产生银胶聚集体的点来探测,在银粒子浓度低和没有银粒子的部位无法探测到R6G分子的SERS光谱。同样的步骤利用未提纯的银胶作为R6G分

子的SERS衬底,无法得到相同浓度下的R6G的SERS光谱,证明了银纳米粒子明显的聚集及高的浓度是确实有助于实现SERS的超灵敏探测。另一方面,银粒子的聚集同时导致了强荧光样品R6G的荧光淬灭,从而降低了谱线的荧光背景,对实验获得高信噪比的SERS光谱也起了一定的作用。

Fig.3　ComparisonofR6GSERSofdifferentconcentration:(a)10-

12

mol/L;(b)10-

13

mol/L;(c)10-

14

mol/L.

3　结论

吸附方面加以解释。参考文献:

[1]　lMicroscopicObser2

vationofSingleSmallMolecules[J].ApplOpt.,1976,15:2965-2966.

[2]　,,,L.T.

Perelman,,,.

SingleMoleculeDetectionUsing

EnhancedRamanScattering

Surface-1667.

[3]　,,,

entRamanEnhance2

采用微波加热的方法,将柠檬酸钠逐步滴入沸腾的硝酸银溶液中,成功地还原出了灰色银胶;通过分析银胶的紫外可见吸收光谱和原子力图像,发现粒子呈球形,大小均匀,尺寸为20nm左右。提纯后的银胶是一种非常有效的SERS活性衬底,较大的浓度和明显的聚集为可以产生强大SERS效应的“热点”的形成提供了必要的条件。在波长为632.8nm的激光下,以提纯后的新型银胶作为SERS衬底,成功地检测到了超低溶液浓度中的R6G分子,检测的极限是10-14

[J]..,1997,78(9):

mol/L,发现银粒子的聚集与高的浓度有利

于实现SERS的超灵敏探测,并在“热点”与分子・14・

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光　散　射　学　报

THEJOURNALOFLIGHTSCATTERINGVol119　No11

March12007

mentandIntermittentLightEmissionOb2servedinSingleGoldNanocrystals[J]..,1999,121(39):9208-9214.

[4]　ingand

EnrichmentofMetalNanoparticleswithNovelOpticalProperties[J]..B1998,102(3):493-497.[5]　gSingle

MoleculesandSingleNanoparticlesbySurface-1106.

[6]　JiataoZhang,XiaolinLi,XiaomingSun,eEnhancedRamanScattingEffectsofSilverColloidswithDifferentShapes[J]..,B2005,

109(25):12544-12548.

[7]　ari,,2

tochemicallyGrownSilverNanoparticlesWithWavelength-ControlledSizeandShape[J].NanoLetters2003,3(11):1565-1568.

[8]　DureuilV,RicolleauC,GandaisM,et

al.

Growthandmorphologyofcobaltnanoparticlesonalumina[J].lGrowth,2001,233:737—748.

[9]　elly,EduardoCoronado,Lin

LinZhao,icalPropertiesofMetalNanoparticles:TheInfluenceofSize,Shape,andDielectricEnvironment[J]..2003,107(3):668-677.

[10]　,tionandSur2

face-EnhancedRamanofDyesonSilverandGoldSols[J].1982,EnhancedRamanScattering

[J].Science.1997.275(21):1102-

86(17):3391-3395.

[11]　黄华,吴世法.纳米银胶的光化学制备及

其特性研究[J].光子学报,2005,34

(11):1643-1646.

[12]　刘琨,吴世法.微波法制备银胶体及其在

表面增强拉曼散射中的应用[J].光散射学报,2006,17(4):332-335.

[13]　沈星灿,郭俊怀,何锡文等.新型银胶基底研究HAS的近红外表面增强拉曼散射

[J].化学学报,2003,61(5):785-789,.

[14]　e-Enhancedspec2

troscopy[J]..,1985,57(3):783-826.[15]　oin,,,

itsinultrasensitivetracede2tectionbysurfaceenhancedramanscatter2ing[J].chemicalphysicsletters,2003,375:84-90.

[16]　,,,2

pleMethodforthePreparationofUltra2highSensitivitySurfaceEnhancedRamanScatteringActiveSubstrate[J].AppliedSurfaceScience,2005,240(1-4):260-267.

[17]　李亚琴,吴世法,简国树,刘琨.(FD)2TD

计算金属表面增强[J].光散射学报,

2004,16(1):48-52.

[18]　rticlesandNanos2

tructuredFilms[M].NewYork:Wiley-vch,1998.259.

[19]　yticPreparationofUl2

trafineColloidalGoldParticlesinAqueousSolution:OpticalSpectrum,ControlledGrowthandSomeChemicalReactions[J].Langmuir,1999,15(20):6738-6744.

・15・