（分析化学专业论文）超稳定、高灵敏的表面增强拉曼光谱银基底的制备及应用.pdf

摘要 表面增强拉曼散射( s u r f a c e - e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g , s e r s ) 光谱克服了普 通拉曼技术低灵敏度的缺点，能提供结构特征性强的分子水平信息。产生s e r s 的重要i ； 提是有一个具有拉曼活性的基底。其中，金属纳米颗粒是常用的s e r s 基底，但制备过程中尺寸难以控制，且随放置时间的增强会产生无序团聚，尤其 是当加入分析物后，团聚更为严重，因而导致s e r s 信号的重现性差，无法实现 定量分析。本论文引入一种经济的、环境友好的试剂植酸，其分子含有六个不 共面的磷酸酯键，对金属离子有很强的络合作用，且分子之间在一定条件下能自 组装形成胶束，胶束的内部和外部存在自由的磷酸酯键。以植酸胶束为模板制备 稳定的、灵敏度高的银纳米粒子活性基底。同时在植酸胶束存在下，以银纳米粒 子为还原剂制备金银合金纳米粒子，并考察了他们的s e r s 活性。本文具体内容 如下： 以植酸胶束为模板，柠檬酸三钠为还原剂制备银纳米粒子，并对产物进行 了表征。紫外可见光谱图说明银纳米粒子随着反应的进行是一个逐渐长大的过 程( 6 小时) ；透射电子显微镜( t e m ) 图进一步证明了银粒子的长大过程，同时可 以清楚地观察到植酸胶束的模板作用，反应最后阶段植酸胶束被破坏。但是将最 终产物放置两周后，植酸胶束又重新形成，银纳米粒子被固定在胶束表面。s e r s 谱图表明最终产物的s e r s 效应最好，稳定性也最好，s e r s 谱图的重现性长达 四个月之久。 以植酸胶束为模板，用还原性较强的抗坏血酸( a a ) 为还原剂缩短了制备时 间。通过紫外可见吸收光谱吸收峰的强度变化可知反应进行5 分钟时就已经结 束。t e m 图表明加入的还原剂的量较少时，产物具有明显的核壳结构，但由于 银纳米粒子尺寸较小及壳的厚度较厚，不能形成s e r s 效应必需的“热点”，以 罗月明6 g ( r 6 g ) 为探针分子表征该产物不具有s e r s 增强效应。但是具有很好的 荧光增强效应。当加入过量还原剂后，植酸胶束壳变薄且作为桥联剂使银纳米粒 子之间的间距为使得相邻纳米颗粒间的距离达到最佳值( 约为2n m ) 。此时产物的 s e r s 信号( r 6 g ) 强度最高，增强因子达1 0 8 。但具有荧光淬灭效应。 以小粒径银纳米粒子为基底和还原剂与高氯金酸反应更有利于金银原子间 的融合形成合金。本文用小银纳米粒子( 6 个月) 。 以植酸胶束为模板最终得到的银纳米粒子为基底与高氯金酸反应，制备金 银合金纳米粒子，随着加入高氯金酸量的不同，通过紫外可见光谱表征，结果 表明产物的表面等离子体共振( s p r ) 效应具有很好的可调性。通过t e m 图可以看 出各产物的形貌，产物表面有一定的粗糙度，并存在产生s e r s 效应的“热点 。 以r 6 g 为探针分子分别初步考察各产物的s e r s 活性，结果表明各产物的s e r s 活性不同。进一步研究不存在植酸胶束的条件下制备的金银合金纳米粒子的形 貌，并以r 6 g 为探针分子分别考察两种条件下制得的产物的s e r s 活性。结果 初步表明以植酸胶束为模板制得的银纳米粒子为基底制备金银合金纳米粒子相 同条件下s e r s 效应好。 关键词：表面增强拉曼光谱植酸胶束银纳米粒子金银合金纳米粒子表面等 离子体共振 i l a b s t r a c t s s u r f a c e e n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ( s e r s ) s p e c t r o s c o p y h a ss h o w nt h e a d v a n t a g eo fo v e r c o m i n gt h el o ws e n s i t i v i t yo fc o n v e n t i o n a lr a m a ns p e c t r o s c o p ya n d m o l e c u l a rd e t e c t i o nc a p a b i l i t i e s t h em e t a l n a n o p a r t i c l e sw h i c h i su s e ds e r s s u b s t r a t e sw i d e l y , i sd i f f i c u l tt oc o n t r o lt h es i z eo ft h er e s u l t i n gc o l l o i d sa n dt h e d e g r e eo ft h ea g g r e g a t i o nw i t hc o l l o i da g e i n g p a r t i c u l a r l y , a f t e rt h ea d d i t i o no ft h e a n a l y t e ，t h ea g g r e g a t i o no fm e t a lc o l l o i d st r e n d st oc o a g u l a t e s ot h er e p r o d u c i b i l i t y o fs e r ss i g n a l si st o op o o rt ob ea p p l i e df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s i nt h i sw o r k ，w e u s ea ne c o n o m i c a la n d g r e e n r e a g e n t - p h y t i ca c i d ( i p 6 ) ，i p 6a n di t ss a l t sa r el i a b l e t oc h e l a t ew i t hm e t a li o n sb e c a u s eo fi t ss t r u c t u r ec o n t a i n i n gs i xp h o s p h a t e ss e p a r a t e l y o nb o t hs i d e so ft h ec y c l o h e x a n e o nt h eo t h e rh a n d ，i p 6m o l e c u l e sc a nf o r mi n t ot h e m i c e l l et h e m s e l v e sa n ds o m ef r e ep h o s p h a t e sr e m a i n i n go nt h eo u t s i d eo ft h em i c e l l e i p 6m i c e l l e sa c t e da sas o f tt e m p l a t ea n ds t a b i l i z e ri nt h ep r o c e s so fs y n t h e s i s t h ei p 6m i c e l l e sa c t e da sas o f tt e m p l a t e ，a n dt r i - s o d i u mc i t r a t ew a su s e da st h e r e d u c t i o nr e g e n tt o s y n t h e s i st h ea gn a n o p a r t i c l e s t h eu v v i ss p e c t r as h o wt h e g r o w t ho ft h eo fa gn a n o p a r t i c l e s t h et r a n s m i s s i o ne l e c t r o nm i c r o s c o p e ( t e m ) i m a g e ss h o wt h ee f f e c to f t h ei p 6m i c e l l e s ，a n dt h ei p 6m i c e l l e sb r e a k u pa tl a s t t h e i p 6m o l e c u l e sf o r m e di n t ot h em i c e l l e sa g a i na n dt h ea s m a d es i l v e rn a n o p a r t i c l e s w e r ei m m o b i l i z e de f f e c t i v e l yb yp h o s p h a t e si nt h eo u t e rl a y e ro ft h em i c e l l e t h e s e r ss p e c t r ai n d i c a t e dt h a tt h i sk i n do fa gn a n o p a r t i c l e sc o u l dp r o v i d er e p r o d u c i b l e a n de f f i c i e n ts u r f a c ee n h a n c e dr a m a ns i g n a l sw i t h i n4m o n t h s u s i n gi p 6m i c e l l e sa sat e m p l a t e ，l - a s c o r b i ca c i dw h i c hh a ss t r o n g e rr e d u c t i o n a b i l i t i e sa c t sa st h er e d u c t i o nr e g e n tt os y n t h e s i st h ea gn a n o p a r t i c l e s t h eu v v i s s p e c t r as h o wt h es y n t h e s i sp r o c e s se n d e d w i t h i n10 m i n w h e nt h er e d u c t i o nr e g e n ti s i n s u f f i c i e n c y , t h et e mi m a g e ss h o wt h em o r p h o l o g yi sc o r e - s h e l ls t r u c t u r e t h e r ei s n o “h o ts p o t ”w h i c hi sc r u c i a lt ot h es e r sa c t i v i t yb e c a u s eo fs u c ht h i c ki p 6s h e l l n o s e r ss i g n a lf r o mt h er h o d a m i n e6 g ( r 6 g ) w h i c hi su s e da st h ep r o b em o l e c u l a r b u tt h i ss t r u c t u r ec a ng i v er i s et os u r f a c ee n h a n c e df l u o r e s c e n c e ( s e f ) i ft h e r e d u c t i o nr e g e n ti s s u f f i c i e n c y , t h ei p 6s h e l lt u r nt h i n n e r ，a n dt h eg a pb e t w e e na g i i i n a n o p a r t i c l e si sa b o u t2 n m ，w h i c he x h i b i tt h eh i 曲e f f i c i e n ts e r se n h a n c e m e n tf o r r 6 gm o l e c u l e s t h er a m a ne n h a n c e m e n tf a c t o r s( e f )i sa b o u t10 8 b u tt h e f l u o r e s c e n c ei sq u e n c h e d o n eo ft h em o s tc o m m o n l ym e t h o d sf o rs y n t h e s i z i n ga 学a ua l l o yn a n o p a r t i c l e s i st h er e p l a c e m e n tr e a c t i o nb e t w e e na gn a n o p a r t i c l e sa n dh a u c l 4 w ek n o wt h a t s m a l la gn a n o p a r t i c l e s ( 6m o n t h s ) i p 6m i c e l l e sa c ta st e m p l a t e st op r e p a r ea gn a n o p a r t i c l e s t h ea gn a n o p a r t i c l e s t or e a c tw i t hd i f f e r e n ta m o u n to fh a u c l 4t os y n t h e s i sa 争- a ua l l o yn a n o p a r t i c l e s f r o mt h eu v - v i ss p e c t r a ，w ec a nf i n dt h a tt h es u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e ( s p r ) i s t u n a b l e t h et e mi m a g e ss h o wt h er o u g h n e s so ft h es u r f a c ei sh i g h ，a n dt h e r ea r e m a n y “h o ts p o t s w h i c hi sc r u c i a lt os e r sa c t i v i t y u s et h er 6 g i st h em o l e c u l a rt o i n v e s t i g a t et h es e r sa c t i v i t yp r i m a r y t h es e r ss p e c t r as h o wd i f f e r e n tp r o d u c th a s d i f f e r e n ts e r sa c t i v i t y t oc o n f i r mt h ee f f e c to ft h ei p 6m i c e l l ee x i s t e n c eo nt h e s y n t h e s i s ，w ed e m o n s t r a t et h ec o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so b t a i n e da tt h es a m e c o n d i t i o n si nt h ea b s e n c eo fi p 6m i c e l l e s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es e r sa c t i v i t yi s l o w e ri ft h ei p 6m i c e l l e sd on o ta c ta st h et e m p l a t e si ns y n t h e s i z i n gt h ea g n a n o p a r t i c l e s k e y w o r d s ：s e r s i p 6m i c e l l e s a gn a n o p a r t i c l e sa g 一_ a ua l l o yn a n o p a r t i c l e s s u r f a c ep l a s m o nr e s o n a n c e i v 上海师范人学硕士学位论文论文独创性声明 论文独创性声明 本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中除 了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或机构已经发表或撰写过的研究 成果。其他同志对本研究的启发和所做的贡献均已在论文中做了明确的声明并表 示了谢意。 作者签名： 蛳期：) 刍7 口 f 2 夕 论文使用授权声明 本人完全了解上海师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其它手段保存论文。保密的论文在解密后遵守此 规定。 作者签名：之聊导师签作者签名：彩移矽舟师签 期：豆o j o 、s - 2 ) 6 7 i ：海师范大学硕 ：学位论文 绪论 第一章绪论 始于上世纪七十年代的表面增强拉曼散射( s u r f a c ee n h a n c e dr a m a n s c a t t e r i n g ，s e r s ) 技术其检测灵敏度高，样品制备简单，而且对被测样品的需要 量较少又无破坏性，所以己被广泛应用于研究表面分子的排列和取向、痕量样品 的检测、生物检测等领域。表面增强拉曼散射光谱产生的一个重要前提是要有一 个具有拉曼活性效应的基底。所以s e r s 基底的研究一直是被关注的热点。 用作s e r s 光谱的基底有很多种，常用的包括粗糙的贵金属表面、金属纳米 粒子等。其中，由于金属纳米粒子制备简单、增强效应好而被广泛的应用。近几 年来，许多金属纳米粒子，特别是金、银纳米粒子的制备越来越引起人们的关注 【l 捌。但是由于金属纳米粒子长时问放置或加入分析物之后，会导致纳米粒子之 间的自由团聚甚至沉淀而引起纳米粒子不稳定。因此很难实现在定量分析领域的 应用。最近很多工作报道了利用软模板法合成和加入稳定剂来改善金属钠米粒子 的稳定性【3 ，4 】。但是这些软模板的大部分具有毒性，而且制备过程较为复杂，所 以，探索一种绿色、制备方法简单的模板将是一个新课题。 植酸是从植物中直接蒸馏制得的，是一种环境友好型、经济的化学试剂f 5 1 。 由于植酸分子含有六个不共面的磷酸酯键，对金属离子有很强的络合能力，而且 植酸分子之间能自由络合形成胶束。胶束内部和表面都存在自由的磷酸酯键能与 金属离子进行络合。 本论文的主要工作是利用植酸胶束为模板可控的合成银纳米粒子以及金银 合金纳米粒子，同时植酸胶束的存在又作为稳定剂能阻止银纳米粒子之间的进一 步团聚。对所制得的金属纳米粒子进行了s e r s 活性的研究，并考察了s e r s 光 谱随时间的重现性，进一步说明所制得的金属纳米粒子有很好的稳定性。另一方 面，植酸胶束又可作为桥联剂控制金属纳米粒子之间的距离在2 n m 左右，使产 物的s e r s 效应好、灵敏度高。 绪论 ：海师范大学硕士学位论文 1 1 拉曼散射 1 1 1 拉曼散射的基本原理1 6 - 9 1 当电磁波与物质相互作用时会发生吸收、反射、散射等过程。而其中散射光 主要包括弹性散射和非弹性散射两种，弹性散射频率不变，也就是瑞利散射；非 弹性散射频率发生改变，包括拉曼散射和布里渊散射。下面对拉曼散射原理作简 单介绍。 1 9 2 8 年印度物理学家c v r a m a n 等研究人员发现当频率为v o 的单色光入 射到物质以后，物质中的分子会对入射光产生散射，散射光的频率为v o 士v ， 即在激发线两侧各存在一条谱线，在低频一侧频率为v 0 v 的谱线称为斯托克斯 线，在高频一侧频率为v v 的谱线称为反斯托克斯线。我们称这种散射为拉曼 ( r a m a n ) 散射。每种物质的拉曼线可以有若干对，每对线对应于物质的某两个能 级间差值( 振动、转动或电子能量间的差值) 。拉曼散射过程示意图，如图1 1 所 示， jljl e ， 卜e = v 1 r1r e e x c i t e ds t a t e v i r t u a ls t a t e g r o u n ds t a t e s t o k e s r a y l e i g h a n t i 。s t o k e s s c a t t e r i n gs c a t t e r i n gs c a t t e r i n g f i g u r e1 1s c h e m a t i cd i a g r a mf o rr a m a ns c a t t e r i n gp r o c e s s 因此，根据入射光子和散射光子频率变化，就可以判断出分子含有的化学键 或基团。对于多原子分子，拉曼振动选律是a v = + l 。拉曼光谱的纵坐标是散射光 强度，横坐标为拉曼位移( v o v ，单位c r r l 。1 ) 。 2 上海师范人学硕上学位论文绪论 1 1 2 拉曼散射的特点1 1 0 - i i i i 拉曼光谱属于分子振动和转动光谱范畴，现有的分子结构等分子信息大多是 从分子光谱学中获得的。因此拉曼光谱学在物理、化学、材料科学、生命科学等 诸领域有重要的应用价值。相对于红外光谱，拉曼光谱技术在应用中的优越性， 主要表现为： ( 1 ) 拉曼光谱的频率位移v 不受单色光源频率的限制。单色光源的频率可以根据 样品的不同特点而有所选择。 ( 2 ) 激光的方向性强，光束发散角小，可对极微量的样品进行测定。如溶液、粉 末、气体、薄膜、表面和许多其他类型的样品。激发光源的单色性好，因而拉曼 光谱谱带分辨性好。 ( 3 ) 用拉曼光谱进行光谱分析时，可以使用溶剂是水的样品检测。拉曼光谱测量 所用器件和样品池材料可以由玻璃或石英制成。 ( 4 ) 拉曼活性的谱带是基团极化率随简正振动改变的关系。拉曼谱带中包含的倍 频及组频谱带较少。拉曼光谱往往仅出现基频谱带，谱带清楚，分析起来简单。 ( 5 ) 在分子结构分析中，拉曼光谱与红外光谱相互补充。一些在红外光谱仪无法 检测的信息在拉曼光谱能很好地表现出来。 ( 6 ) 使用高功率脉冲激光器对受激拉曼散射和超拉曼散射效应等非线性现象的研 究可大大增加人们对物质固态和液态结构方面的认识。 拉曼光谱的一个主要缺点就是会产生荧光干扰，由于样品荧光的产生，拉曼 光谱会被荧光所湮灭从而检测不到样品的拉曼信号。另一个缺点就是拉曼光谱的 检测灵敏度较低。 1 1 3 共焦显微拉曼光谱技术1 1 9 - 2 1 1 3 绪论i ：海师范人学硕一l ：学位论文 激光共焦显微拉曼技术是将激光科学、拉曼散射技术和显微共焦原理三者完 美相结合的一门技术，与常规拉曼技术相比，具备非常好的空间分辨率即所谓的 “光学切片 功能。可以得到样品体积很小和不同深度的光谱信息( 样品可小于 2 微米) 。其原理具体是指分析样品处于激光通过显微镜形成的焦点上，激发产生 的散射光由该透镜收集成像于放有一针孔光阑的像平面上，针孔光阑与激光焦点 构成光学共轭，从而消除来自样品焦平面外的其他信号干扰，形成空间滤波。其 原理示意图见图1 2 。 1 2 表面增强拉曼光谱 19 7 7 年，j e a m a i r e 【2 2 1 和c r e i 曲t o n 【2 3 】等人分别独立地研究了f l e i s c h m a i l l l 等人 【2 4 1 的实验，即将所使用的银电极经过电位多次氧化还原处理以后，使其表面粗 糙程度加大以增加其表面积，使得银电极表面吡啶分子的拉曼散射信号强度大大 地增强。经过分析后他们认为，仅靠简单地增大电极表面并不足以解释所观测到 的增强程度，因此把这一种新的现象归结为一种全新的表面光化学效应表面 4 i ：海师范人学硕上学位论文绪论 增强拉曼散射( s u r f a c e e n h a n c e dr a m a ns c a t t e r i n g ) ，简称s e r s 。 s e r s 技术是一种表面测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信 息，是指当一些分子吸附到经特殊处理或制备的粗糙金属或胶体表面( 如金、银、 铜等) 时，它们的拉曼光谱信号强度会增j j l l l 0 4 1 0 6 倍。因此，s e r s 信号强度一般 比正常拉曼强度高几个数量级，有很强的增强因子。有效地解决了拉曼光谱在表 面科学和痕量分析中存在的低灵敏度问题【2 5 】。n i e d , 组已经报道了在银纳米粒子 上s e r s 的增强因子达1 0 1 4 倍，实现了表面吸附物种单分子检测【2 6 1 。由于s e r s 具有很高的灵敏度，不仅能够检测到吸附在粗糙金属表面的单分子层和亚单分子 层的分子，而且能够给出表面分子的结构及构象的信息，同时由于吸附分子的取 向和状态对不同的分子振动模式有不同的增强，因此有可能利用s e r s 这一特性 来检测吸附分子的吸附态，实现吸附态的分辨，从而s e r s 被认为是一种很好的 表面分析的手段【2 7 】。 目前的研究主要集中在探讨表面增强的理论增强机制，寻找新的实验方法制 备基底并研究表面增强拉曼光谱的应用。 1 2 1 表面增强拉曼散射的原理机制 自表面增强拉曼散射效应发现以来，其理论的研究一直相对滞后，这主要是 因为具有表面增强拉曼散射效应的体系表面形貌和表面电子结构，光和粗糙表面 的相互作用等因素对s e r s 谱图的影响比较复，导致了人们对s e r s 效应理论认 知的多样性【2 8 。2 9 1 。目前在s e r s 机制的研究中提出了很多的理论机制，这些机制 中主要分为两大类：电磁增强机制和化学增强机制( 非电磁增强) 。 在s e r s 效应的电磁场增强机理( e m ) 中，已被人们广泛接受的是表面等离 子体共振( s u r f a c ep l a s m a o nr e s o n a n c e ，s p r ) 弓i 起的局域电磁场增强 3 0 - 3 2 】：即当 激光照射到粗糙的金属表面时，表面等离子体被激发后与光波电场发生耦合产生 共振，从而引起金属表面局域电场急剧增强，引起了拉曼散射的增强。它具有长 程效应，与吸附分子的种类没有多大关系。对于金属纳米粒子，不同粒径的金属 纳米粒子因为各自独特的等离子体共振吸收而显现出丰富多彩的颜色效应。而金 属纳米粒子之间的耦合作用对其自身的光学性质和s e r s 的增强效应都有很大 的影响【3 3 1 。表面等离子体耦合产生共振强度与纳米粒子之间的距离、纳米粒子 5 绪论 上海师范大学硕一 ：学位论文 本身的尺度有很大关系。 然而，由于电磁增强所涉及的分子与金属问作用为物理吸附，对分子的化学 性质不敏感，因此从理论上讲，任何在表面上物理吸附的分子都应该有相当的增 强效应。但是，实验发现不同的物质分子的增强效应却有很大的差别。说明电磁 增强机制无法说明不同吸附分子间的差异，不能解决分子与金属表面发生化学吸 附的影响【3 4 】。 在化学增强机制中，电荷转移( c h a r g e t r a n s f e r ，简称为c t ) 模型是被广泛接 受的一种模型f 3 卯。该理论认为，金属表面的原子或原子簇与吸附分子之间产生 某种化学作用。在入射光的激发下，电子将会由余属的某一填充能级转移到吸附 分子的某一激发态分子轨道，或者由吸附分子的某一已占据的分子轨道向金属的 某个未填充能级转移。当入射光子的能量与电子在金属基底和吸附分子问的能量 差相等时，将会产生共振，从而使体系的有效极化率得到增加，拉曼信号强度增 强【3 4 1 。电荷转移机制预示了产生拉曼增强的必要条件是吸附分子与金属表面发 生化学作用，形成化学键。一般只有与金属直接吸附的第一层分子才能与会属表 面发生电荷转移。增强效应取决于吸附分子在表面的键合方式等因素，增强因子 大约为1 0 1 1 0 3 。 目f j 的解释能普遍被人接受的是在大多数s e r s 体系研究中，电磁增强和 化学增强这两种机制是共存的。它们的贡献随s e r s 体系的不同而不同。因此， 要得到一个比较完善的、能普遍适用的机制还需要大量的理论和实验工作。 1 2 2 表面增强拉曼散射的特点i z s ，z 7 , 3 6 1 相对于普通拉曼散射，表面增强拉曼散射有更高的检测灵敏度，其主要特点 有以下几个方面： ( 1 ) 具有很大的增强因子是s e r s 的一个最重要特性，吸附在粗糙的贵会属表面的 分子的拉曼散射强度要比普通拉曼强度高几个数量级。 ( 2 ) 与普通拉曼光谱相比，化合物的大多数s e r s 光谱峰的频率变化不大，但相对 强度的差别却很大，即分子的振动模式不同引起增强因子不同。 ( 3 ) 在s e r s 光谱中，光谱峰的出现并不太严格遵守拉曼跃迁的选择性定则，即有 时也能观察到与仅为红外活性振动模式相应光谱峰的出现。 6 上海师范大学硕十学位论文绪论 ( 4 ) s e r s 强度随着分子与金属基底表面距离的增加而迅速降低。这是s e r s 所具 有的长程性和短程性。一般较小的分子被吸附到金属表面时，观察不到距离效应， 而较大的生物分子吸附到基底表面时，离表面远的基团的增强效应比与表面接近 的基团增强效应要小。 ( 5 ) 产生s e r s 效应的金属基体表面要有一定微观粗糙度，也就是金属表面应被适 当粗糙化。 ( 6 ) 在测量有较强的荧光化合物的s e r s 时，许多化合物的荧光将被淬灭，因而能 得到的s e r s 光谱质量比普通拉曼好，能排除荧光的干扰。 1 3 表面增强拉曼光谱活性基底介绍 由于活性基底是获得s e r s 信号的一个重要前提，因此自表面增强拉曼散射 现象发现以来，关于s e r s 活性基底的研究一直是s e r s 领域研究的一个热点。新 活性基底的不断发现拓展了s e r s 技术在各个领域的应用。所需要的s e r s 活性基 底，它应该易于制备和存储、便于使用、具有很强的增强能力，而且能得到重现 性很好的s e r s 光谱，即具有很高稳定性。所以，制备具有上述特点的s e r s 活性 基底一直以来是s e r s 研究领域中的一个重要课题。下面对目前常用到的s e r s 活 性基底作简单的介绍。 1 3 1 金属电极表面 首先，产生s e r s 效应的实验是在粗糙银电极表面实现的，后来又发现了一 些贵金属如铁、铜、金、铂、钯等粗糙表面也有s e r s 活性。当然，不同的金属 表面所具有的s e r s 活性不同，而且同种金属采用不同粗糙化方法得到的表面 s e r s 活性不同【3 7 4 0 】。常用的电极粗糙化过程一般通过电化学氧化还原、电化学 阶跃电位和循环伏安等方法处理电极表面。粗糙度一般在10 5 0 0n m 之间，基本 处于宏观粗糙度与亚微观粗糙度范围内。虽然方法较为简单，但是各种粗糙方法 得到的金属电极基底粗糙度的不均匀性会影响吸附分子的s e r s 信号的稳定性， 而且重现性较差。 7 绪论上海师范人学硕l ：学位论文 1 3 2 用纳米技术获得s e r s 基底 利用纳米技术获得s e r s 活性基底相对于粗糙金属表面有一定的优势：首 先可以获得纳米尺度下形状及大小基本可控的粗糙表面；其次还可以制备的各种 模拟“粗糙表面 的有序纳米结构表面【4 。 纳米尺寸的金属纳米颗粒在物理、化学各个研究领域引起了人们广泛的研究 兴趣【4 2 舶】。金属纳米粒子具有纳米尺寸的粗糙表面，因此金属纳米粒子是目前应 用最多的s e r s 基底。其中较常用的是银、金纳米粒子，直径一般在1 0 r i m 一1 0 0 r i m 范围内，与金属电极活性基底相比，制备方法简单，使用范围更加广泛。用金属 溶胶作活性基底产生s e r s 信号的必要条件是样品分子被加入到溶胶溶液后，能 引起溶胶一定程度的凝聚。其增强机理还可解释为金属纳米粒子因内部电子振荡 产生的表面等离子体产生共振效应，可使其周围电磁场大大的增强【4 5 4 6 】，另一方 面，由于金属纳米粒子之间的相互作用及协同效应，会进一步使金属纳米粒子周 围局域电磁场增强，形成所谓的“热点” 4 7 - 4 9 】，更有利于s e r s 信号的增强。 几种常用的金属溶胶基底有：银、金溶胶，其中银溶胶是最常用的作为s e r s 活性基底【5 m 5 2 1 ，增强效应最好，原因是银的介电常数的虚部最小；核壳结构的基 底，在s e r s 研究中，金银核壳结构是最常用的核壳基底，金银核壳结构既具 有金溶胶的生物兼容性和均匀性，又具备银溶胶的高s e r s 增强效应。其增强 效应随会、银各组分的不同而改变【5 3 彤】；金银合金纳米粒子，我们可以通过改 变金、银组分含量，制得相应的金银合金纳米粒子，根据具有可调性的表面等 离子体共振效应，一般认为表面等离子体越强，在表面激发的电磁场就越强，相 从而获得具有不同s e r s 增强效应的活性基剧5 6 , 5 7 】。 1 3 3 含“结点结构的纳米活性基底 通过加入分析物使金属钠米粒子产生一定的聚集可以大大提高其s e r s 活 性。已有文献报道当金属纳米粒子之间的距离在1 - 2 n m 时【5 8 】，s e r s 信号强度可 达到最强，原因可能是因为金属粒子结合点处的电磁场耦合增强。所以，调节金 属钠米粒子之间的间距以达到强的s e r s 效应引起人们广泛的关注。如金属纳米 粒子二聚体5 9 , 6 0 】、纳米簇阵列【6 等，这些纳米粒子之间的纳米级空隙都可以认为 i ：海师范人学硕一l ：学位论文 绪论 是产生s e r s 效应的“热点 。通常的方法是引入合适的桥联剂来控制金属纳米 粒子之间距离，使金属纳米粒子具有很强的s e r s 活性。 1 4 金属溶胶( 纳米粒子) s e r s 基底的制备 目前为止，常用为s e r s 基底的金属溶胶主要是金、银溶胶，制备金、银溶 胶的方法很多，但总体来说，其基本的步骤基本相似，即把水溶性的盐溶液加入 适量合适的还原剂，在一定的实验条件下，经化学还原反应后得至1 j 6 2 , 6 3 】。下面对 常用的s e r s 活性基底银溶胶以及越来越引起人们关注的金银合金纳米粒子的 制备方法作重点的介绍。 1 4 1 银纳米粒子制备方法简介1 6 4 - 6 7 1 银纳米粒子的制备方法多种多样，随着银纳米粒子应用领域的不断扩大，探 索制备银纳米粒子的新方法和新技术一直是人们研究的新方向。银纳米粒子的制 备方法总体可分为两大类：物理法和化学法。物理法主要是真空蒸镀、溅射镀和 激光烧蚀法等，这类方法原理简单，但是对仪器设备要求较高、所以制备过程并 不经济。化学方法可以实现银纳米粒子的晶型和粒径可控合成，而且操作方法灵 活、多样。化学方法有液相化学还原法、光化学还原法、超声波法、微乳法和电 化学还原法等。 液相化学还原法的基本原理是用还原剂( 柠檬酸三钠、水合肼、抗坏血酸等) 把银从其银盐化合物中将a 矿还原为a g 原子，并逐渐生长为单质银颗粒【6 8 , 6 9 。 光还原法的机理是通过光照使有机物产生还原性的自由基团可还原溶液中的 a 矿为a g ，主要用到的光源是紫外光源。这种方法制得的银纳米粒子具有高度分 散性，可获得不同粒径的银纳米粒子，而且粒径分布均匀【7 0 , 7 1 】。超声波法主要是 通过超声波引起的化学效应，体系在超声震荡的空化作用下，a f 与超声空化水 蒸气发生热分解反应产生的活性基团h 结合，a 矿被还原，生成均匀的银原子 之后形成许多银晶核，进而聚集成近球形的银纳米粒子【7 2 1 。微乳液法 7 3 , 7 4 是指在 微乳液中进行化学反应生成所需的银纳米粒子，首先a 矿和还原剂的两种微乳液 混合，使a g + 在胶束中发生还原反应，最后银纳米粒子就会均匀分散在微乳液胶 束中，能够控制粒径的尺寸。电化学还原法是基于溶液中金属离子在一定的电化 9 绪论 上海师范人学硕：学位论文 学窗口下，可以发生氧化还原反应，该制备方法简单、快速、无污染7 5 1 。 1 4 2 胶束模板法制备银纳米粒子 最近，有关金属 聚合物胶束纳米结构的制备和应用引起广泛关注【7 6 。8 3 】。即 用化学功能性修饰的聚合物胶束通过静电作用捕获金属离子，在合适的还原剂存 在下，还原获得稳定的金属溶胶。在这些工作中，被修饰的聚合物不仅是一种稳 定剂、保护剂，还是一种控制金属纳米粒子尺寸的反应模板。但是以上报道所制 备的金属溶胶大都粒径较小，而且被包埋在胶束内部，不产生合适的表面等离子 体共振以产生s e r s 效应。这些方法大都是通过小分子或高分子相互嵌联、组装 形成的纳米胶束或微囊作为反应空问，该空问作为纳米反应器可控的合成银纳米 粒子，由于合成依赖于胶束模板，所以制备的银纳米粒子的分散性较好。胶束或 微囊的形成主要包括以下几种情况：两亲性分子，如双十八烷基氯化铵或溴化铵 的自组装；两嵌段共聚物的自组装形成聚合物胶束如苯乙烯、异戊二烯；三嵌 段共聚物的自组装制备聚合物胶束等【8 4 1 。一定结构和荷电性质的表面活性剂由 于在一定浓度下，在水溶液中的存在一定的形态，可在溶液中形成胶束、囊泡等 自组装体，都可作为合成纳米材料的理想模板【8 5 1 。这种方法称为软模板合成技 术，此类方法越来越受到人们的关注。由于种子是处于胶束内部，所以可以控制 纳米粒子的生长。目前所用到的胶束或微囊的形成大多数需要两个以上的步骤 【8 0 】，过程比较繁琐，导致实际应用有一定的限制。而且，形成胶束所用到的表 面活性剂分子大部分是大分子有机物，都有一定的毒性，这些缺点也会限制所制 备的银纳米粒子的应用。所以，寻找一种形成过程较为简单、快速又“绿色”的 胶束是目前需要解决的一个难题。 1 4 3 金银合金纳米粒子的制备 银一金双金属纳米粒子由于其表面等离子共振吸收峰随着银、盒组分的不同 在紫外一可见光范围内具有可调性【晦恻；因而可以得到增强效应不同的s e r s 基 底，而且其表面积更有利于分子的吸附，更有利于s e r s 信号增吲9 1 , 9 2 】，因此。 银一金双金属纳米粒子的合成及应用越来越备受关注。银一金合金纳米粒子的合成 方法主要有两种：一种是同步还原方法【9 3 。9 7 1 ，即通过还原剂还原同时还原两种金 l o 上海师范人学硕士学位论文绪论 属离子制得合金纳米粒子，但是这种方法在高浓度下制得的产物会有氯化银沉淀 的污染，只能在低浓度下进行反应；另一种是利用模板法 9 8 , 9 9 1 ，以银纳米粒子为 基底和还原剂，在一定条件下与高氯金酸反应，主要是通过金原子与未反应的银 原子在一定条件相互融合形成合金。这种方法与前一种方法相比，优点是可以通 过控制加入高氯金酸的量和作为种子的银纳米粒子的形貌可以得到金银组分不 同和形貌不同的纳米粒子。已有报道证实银纳米粒子的粒径越小( 1 0a m ) ，会更 好的促进银、金原子之间的融合速度以形成金一银合金纳米粒子【1 0 0 】。 以上内容主要介绍了常用的s e r s 基底银纳米粒子的几种经典的制备方法， 也对目前人们关注的金银合金的制备方法作了简单的介绍。虽然银纳米粒子作 为s e r s 活性基底，增强效应好，制备方法简单，但是银纳米粒子之间的间距却 很难控制以达到很高的增强效应，同时银溶胶在长时间放割1 0 1 】和加入待分析的 样品后【1 0 2 , 1 0 3 】，银纳米粒子之间容易发生自由团聚，甚至结块沉淀，导致银溶胶 的稳定性差，因此，s e r s 信号的重现性差，难以实现定量分析。虽然己报道可 以加入稳定剂来改善银溶胶的稳定性，但是稳定剂的加入可能会导致s e r s 光谱 信号的复杂化，甚至会使溶胶受到毒化而失去s e r s 活性，这些缺点都会限制银 纳米粒子的应用。 所以，如何制备s e r s 增强效应好、稳定性好、环境友好型的金属纳米粒子 是一直目前面临的难题。而要寻找一种制备过程简单的环境友好型的胶束为模 板，同时又作为桥联剂控制纳米粒子之| 日j 的问距和稳定剂更是一种挑战。 1 5 以植酸胶束为模板制备银纳米粒子 1 5 1 植酸类化合物简介 植酸( p h y t i ca c i d ) 1 0 4 。1 0 6 1 从粮食作物中提取的一种天然试剂，在谷类、小麦、 稻米，豆类、芝麻和燕麦等作物中普遍存在，是p r e f f e r 于1 8 7 2 年发现的。以 米糠或麦麸为原料，经稀酸浸泡后过滤，经过中和、沉淀，再通过离子交换树脂 进行酸化交换、减压浓缩、脱色和过滤得到一种淡黄色浆状液体。其提取工艺简 单，容易进行规模生产，是一种极为经济的化学试剂。 植酸又名肌醇六磷酸酯，分子式为c 6 h 1 8 0 2 4 p 6 ，简称i p 6 ，于1 9 6 9 年由t a t e 绪论上海师范人学硕： ：学位论文 确定了植酸的分子结构【1 0 7 1 。植酸的分子结构中具有1 2 个羟基和6 个磷酸酯基， 6 个磷酸酯基只有一个处在a 位，其它5 个均在e 位上，其中有4 个磷酸酯 基处于同一平面上，所以植酸易溶于水，且具有较强的酸性。每个磷酸酯基中的 氧原子都可以作为配位原子和金属离子进行螯合，所以植酸以及植酸类化合物都 是很强的金属多齿螯合剂，同金属离子络合形成很稳定的络合物，如m u k h e r j e e ， t 小组报道了与银离子络合情况【1 0 8 1 。它们经常被用作食品和化妆品添加剂，以 及作为水处理试剂中的重要成分，因此，此类化合物是环境友好型、无环境公害 的天然化工产品【1 0 9 1 。下面是植酸盐类化合物植酸钠的分子结构式，如图1 3 所 示。 。o n a + n a + f i g u r e1 - 3 s t r u c t u r eo f p h ) ，t i ca c i dd o d e c a s o d i u ms a l t 1 5 2 植酸胶束的