室温电子还原制备金纳米颗粒与琼脂糖复合膜的表征与应用

方 敏 王宗元 刘昌俊

(天津大学化工学院，天津化学化工协同创新中心，天津 300073)

室温电子还原制备金纳米颗粒与琼脂糖复合膜的表征与应用

方 敏 王宗元 刘昌俊*

(天津大学化工学院，天津化学化工协同创新中心，天津 300073)

利用室温电子还原技术合成了一种金纳米颗粒与琼脂糖复合膜。合成过程采用氩气辉光放电为廉价电子源，方便快捷，绿色环保。通过紫外-可见(UV-Vis)分光光度计、透射电子显微镜(TEM)、扫描电子显微镜(SEM)、X 射线衍射(XRD)仪、光电子能谱(XPS)等表征，发现可以通过改变氯金酸浓度调控复合膜中金纳米颗粒的分布，加入聚乙烯吡咯烷酮(PVP)可有效控制金纳米颗粒的形貌。由于复合膜具有金纳米颗粒密集排布的结构，可作为表面增强拉曼散射(SERS)活性基底。实验表明，以对氨基苯硫酚为探针，该复合膜作为SERS 基底，SERS 平均增强因子超过了 106，检测限达到了 10－12mol·L－1。除此之外，作为 SERS 基底，复合膜具有良好的均一性和稳定性。

电子还原；复合膜；金；表面增强拉曼散射

1 引言

利用等离子体技术制备催化剂及先进材料得到研究者广泛关注1－3。如 Wang 等4利用等 离子体以普通廉价的鸡蛋为原料制备了荧光性能优异的零维荧光量子点。Pan等5利用等离子体诱导生物分子自组装，制备出一种新型的导电性能优良的生物材料基光催化剂。在等离子技术中，以非氢等离子体作为廉价电子源的室温电子还原技术能够有效还原贵金属离子，由此已经发展起一个基于非氢冷等离子体的室温电子还原技术1,6－8。该技术不需要有害化学还原剂也不需要氢还原，绿色环保。室温电子还原技术已用于制备以热敏材料和化学不稳定物质作为基底的复合材料，如以多肽5,7，共价有机骨架材料(COP)8为基底的贵金属复合材料。这些以热敏材料和化学不稳定物质为基底 的 贵 金 属 复 合 材 料 对 于 发 展新 型 催 化 剂9,10及 其它方面应用有很大帮助。金属纳米颗粒与多聚物的复合材料在催化、药品传送、生物组织工程、微设备等领域存在广泛的应用11－13。这里，我们以琼脂糖为原料，利用非氢冷等离子体的室温电子还原技术制备了金与琼脂糖复合膜材料。从复合膜的表征中发现其金纳米颗粒密集排布的结构。进一步探究了复合膜作为SERS活性基底的应用。

2 实验部分

2.1 实验药品

氯金酸(HAuCl4·4H2O)购于天津金铂兰精细化工有限公司；聚乙烯吡咯烷酮(PVP，平均分子量1300000 g·mol－1)购于西格玛奥德里奇(上海)贸易有限公司。对氨基苯硫酚(96%，4-ATP)购于阿拉丁试剂(上海)有限公司。琼脂糖购于香港 Gene公司。

2.2 琼脂糖水凝胶的制备

1 g 的琼脂糖加入到含有 50 mL 蒸馏水的烧瓶中，烧瓶带有冷凝回流系统。常温下磁力搅拌形成悬浊液。加热至沸腾，形成无色透明溶液。将无色透明溶液加入到模具中，置于常温下，形成琼脂糖水凝胶。

2.3 金纳米颗粒与琼脂糖复合膜的制备

将PVP与氯金酸混合溶液(没有特殊说明时，PVP 与氯金酸的摩尔比为2:1)滴加至琼脂糖水凝胶表面，使其完全均匀地覆盖在琼脂糖水凝胶表面。将以上样品放入辉光等离子体设备中处理5 min。 辉 光 等 离 子 体 设 备 在 前 期 研 究 中 已 有 描述6－8。辉光后的样品在 50 °C 真空干燥 55 min，形成复合膜。

2.4 表征方法

采用紫外-可见分光光度计(UV-2600，日本岛津)表征样品的光学性能。TEM 分析使用荷兰Philips Tecnai G2 F20 场 发 射 透 射 电 子 显 微 镜 。SEM 分析使用美国 FEI NanoSEM 430 场发射扫描电子显微镜。X 射线衍射(XRD)使用日本理学 D/ Max-2500 X 射线衍射仪测试，Cu Kα辐射，扫描范围为 20°－80°，2θ 扫描速率为 4(°)·min－1。XPS 实验是在美国 Perkin Elmer PHI-1600 型 X 射线光电子能 谱仪 上 进 行 的 ， 以 Mg Kα为 激 发 源(hν=1486.6 eV)。电子结合能(EB)值以样品污染碳(C 1s，284.6 eV)为内标校正样品的荷电效应。拉曼光谱采用英国 RENISHAW 公司型号为 in Via reflex 的拉曼光谱仪 ， 采 用 50 倍 镜 头 ， 数 值 孔 径 (NA)值 为 0.75，785 nm 的激光作为激发源。没有特殊说明时，照射在样品上的激光功率为 0.87 mW。采集时间为 5 s。所有的拉曼谱图都经过了基线校正。

图1 (a)复合膜制备示意图；(b)等离子体处理后样品照片；(c)复合膜照片Fig.1 (a)Schematic illustration of preparing the composite film;(b)photograph of sample after reduction by glow plasma; (c)photographs of the composite film

3 结果与讨论

图1(a)展示了金纳米颗粒与琼脂糖复合膜的制备过程。首先，涂布上氯金酸溶液的水凝胶样品通过辉光等离子体的处理，由于室温电子还原的作用，水凝胶表面产生了金。此制备过程简单易行，操作时间短，没有使用额外的化学还原剂，绿色环保。之后将辉光等离子体处理后的样品真空干燥，快速去除水凝胶中的水分，即可制得最终的复合膜样品。整个过程简单易行。

3.1 形貌与表征

辉光处理后，琼脂糖水凝胶表面展现了均匀的反光金属光泽。而琼脂糖水凝胶的主体没有可见的变化(见图 1(b))。这个结果表明金纳米颗粒主要分布在水凝胶表面。样品的金属反光光泽来源于密集排布的金纳米颗粒之间的电子耦合14。复合膜样品在透射的白光下呈现蓝色透明的形态。金纳米颗粒覆盖面和干燥前一样，呈现强烈的反光金属光泽。另外，该复合膜有很好的柔韧性，能够弯曲(见图1(c))。

图2为不同氯金酸浓度下制备的复合膜的紫外-可见光谱图。对比空白的琼脂糖膜，所有的复合膜都在 540 nm 处出现吸收带，该吸收带为金纳米颗粒的表面等离子共振(SPR)特征吸收带15－17。说明复合膜中含有金纳米颗粒。除此之外，在650 nm以上也都出现了第二特征吸收带，这个吸收带源于邻近的金纳米颗粒之间表面等离子体激元的耦合16,18。随着氯金酸浓度的提高，第二特征吸收带强度增大并且发生红移；随着浓度由 8 mmol·L－1增加到 16 和 32 mmol·L－1，第二特征吸收带由 650 nm 红移至 705 和 730 nm。因此，可以通过改变氯金酸浓度有效地调节复合膜的光学特性。此外，对比复合膜和真空干燥前的水凝胶样品(见图S1，Supporting Information, 氯 金 酸 浓 度 为 32 mmol· L－1)，复合膜的第二特征吸收带从真空干燥前的680 nm 红 移 至 730 nm。 这 个 结 果 显 示 真 空 干 燥后，金纳米颗粒间的距离减小。

图2 不同氯金酸浓度条件下制备复合膜的紫外-可见光谱图Fig.2 UV-Vis spectra of composite film with different concentrations of HAuCl4

图3 (a)复合膜的 X射线衍射(XRD)谱图；(b)复合膜的 Au 元素高分辨 XPS谱图；(c)金纳米颗粒的TEM 图Fig.3 (a)XRD patterns of the composite film;(b)Au 4f XPS spectra of the composite film; (c)TEM image of Au nanoparticles

图3(a)为复合膜 及 空 白 膜的 XRD 谱 图。复合膜样品中，在 2θ=38°，44°处观察到衍射峰，这两个衍射峰分别归属于金的(111)和(200)晶面的衍射峰。而空白膜样品中没有出现这样的衍射峰。图 3(b)为 复 合 膜 的 Au 元 素 4f的 XPS 高 分 辨 扫 描图。在 83.5 和 87.3 eV 处观察到两个明显的峰，这两个峰归属于Au0。说明制备过程中金有效地被还原，复合膜样品表面只有 Au0存在。图 3(c)为样品中的金纳米颗粒的TEM图。直接证明了辉光等离子体条件下金纳米颗粒形成。

图4为复合膜的SEM图。观察到金纳米颗粒密集的排布在复合膜上。可以看出，复合膜的第二特征吸收带的产生是由于密集排布的金纳米颗粒之间的局域表面等离子共振的耦合。密集的颗粒之间的空隙能够极大增强局域电磁场，即为表面增强拉曼散射的“热点”19,20。当氯金酸的浓度降低至 16 和 8 mmol·L－1，复合膜中的金纳米颗粒数目减少，金纳米颗粒的密集程度降低(图S2)。这样，复合膜的“热点”也随之减少，在紫外-可见光谱图中第二特征吸收带强度也随之变弱。而第二特征吸收带随着氯金酸浓度的增大而红移，原因可能是颗粒间的距离减小。这一点在现有表征中并未直接观察到。但可以推测，随着复合膜中金纳米颗粒的密集程度增大，颗粒间的距离是可能减小的。

图4 复合膜的SEM图Fig.4 SEM image of the composite film

3.2 聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的作用

PVP作为一种常用的封端剂，在合成贵金属纳米颗粒过程中非常的重要21。对比不同 PVP 与氯金酸摩尔比的复合膜(见图S3)，可以看出，如果没有PVP，复合膜中的金为链状的聚集体，复合膜表面存在很多没有被金覆盖的表面。随着PVP比例的提高，复合膜中没有被金覆盖的表面减少，链状团聚体的长度明显变短；当PVP与氯金酸摩尔比达到2时，变成了密集排布的金纳米颗粒。因此，可以通过加入PVP有效地控制复合膜中Au的形貌。根据这个实验结果，我们推测电子还原过程非常迅速的还原出金纳米颗粒，金纳米颗粒被PVP保护，密集地排布在水凝胶表面。如果PVP的含量不足或是没有，金纳米颗粒就会发生聚集，产生特殊的链状结构。在本研究中，当PVP的摩尔量是氯金酸的两倍时，可以避免形成聚集体，从而产生含有密集排布的金纳米颗粒的复合膜。

3.3 SERS图谱和增强因子

这种含有大量“热点”的复合膜有希望作为有效的SERS活性基底。对氨基苯硫酚(4-ATP)被选为探针分子，这种分子已经广泛用于SERS测试，并且有利于识别 SERS 活性基底的电子特性22。为了获得SERS光谱，复合膜被滴上4-ATP的乙醇溶液，在室温条件下使溶剂自挥发。图S4为三种氯金酸浓度制备的复合膜的SERS光谱，可以看出，三种复合膜中，32 mmol·L－1氯金酸合成的复合膜SERS特征峰的强度最高。因此，后续的SERS实验均采用氯金酸浓度为 32 mmol·L－1合成的复合膜。

图5 为 4-ATP 溶液(10－4mol·L－1)处理的基底的SERS 图 谱 和 固 体 4-ATP 的 拉 曼 图 谱 。 在 固 体 4-ATP的拉曼图谱中，可以观察到清晰的4-ATP的拉曼特征峰。在 1091 cm－1处出现明显的峰，该峰归属于 C―S 伸缩振动，其它位置如 1597 cm－1(C―C伸缩振动)、1206 和 1171 cm－1(C―H 弯曲振动)也观察到了 4-ATP的拉曼特征峰。在SERS 图谱中 ，出现在 1091、1171 和 1597 cm－1处的“a1模式”峰也被观察到了，但是这些峰分别位移至了 1071、1172 和 1572 cm－1处。“a1模式”被认为是完全来源于电磁场增强效应22。拉曼增强主要来源于电磁场增强效应，在基底中能够极大增强电磁场的区域即为“热点”。除此之外，几个新的峰(1433、1374 、1224 、1140 cm－1)出现在 SERS 谱图中，这些峰与其它报道相符23，产生的原因可能是在激光照射条件下由于表面的氧化反应产生了 4,4′-二巯基偶氮苯(DMAB)分子22。

拉曼增强因子(EF)用于定量评估复合膜的拉曼活性。定义公式：EF=(ISERS/NSERS)/(INR/NNR)。ISERS和INR代 表 SERS 和 常 规 拉 曼 图 谱 的 峰 强 度 ；NSERS和NNR代表在激光照射区域复合膜上和 4-ATP 固体中发现的分子数目。计算结果可得，在1071、1172和 1572 cm－1处的平均 EF 为 2.56 × 106。

图5 4-ATP固体粉末的拉曼谱图和 4-ATP 溶液的SERS谱图Fig.5 Raman spectra of 4-ATPsolid powder and SERS spectra of 4-ATP solution

3.4 检测限、稳定性、重现性与均一性

为了研究复合膜作为SERS基底的灵敏度，不同浓度的 4-ATP 被用于检测。图 6(a)即为不同浓度下的SERS谱图，可以看出，制备的复合膜具有非常好的SERS响应，以4-ATP分子为探针能够检测的 最 低 浓 度 达 到 了 1 × 10－12mol· L－1。 图 6(b)为SERS谱图信号强度与检测分子浓度的关系，检测结果经多个相同条件下制备的复合膜上测试后取平均值得到，随着检测分子浓度的升高，SERS谱图信号强度也随之增大。

图6 (a) 不同 4-ATP 浓度时复合膜的 SERS 谱图；(b)1071 cm－1处 SERS 峰强度与 4-ATP 浓度的关系; (c)2 min 连续激光照射下的 SERS 谱图；(d)任意批次 5 个复合膜的 SERS 谱图Fig.6 (a)SERS spectra of different 4-ATP concentrations applied with the composite film;(b)SERS spectrum intensity at 1071 cm－1as a function of the 4-ATP concentration;(c)SERS spectra under laser continuous illumination for 2 min; (d)SERS spectra applied with 5 random composite films

图7 (a)4-ATP 在 1071 cm－1处 SERS 峰强度的成像；(b)SERS 峰强度的分布Fig.7 (a)Image of the SERS intensities of 4-ATP at 1071 cm－1;(b)Raman intensity distribution profiles

进一步研究复合膜作为SERS基底的稳定性。在 3.6 mW 激光持续照射下 2 min，按时间顺序记录了12个以4-ATP分子为探针的SERS谱图。结果见图 6(c)。调查谱图中 1071 cm－1处的信号强度，12个信号强度的相对标准偏差不超过3%。因此，该复合膜作为SERS基底具有良好的稳定性。

作为SERS基底，结果的可重复性十分重要，以下是样品SERS测试重现性和均一性的测试。选取任意批次制备的5个样品，相同4-ATP浓度下进行 SERS 测试，结果见图 6(d)。五个样品的 SERS谱 图 在 1071 cm－1处 信 号 强 度 的 标 准 偏 差 不 超 过13%。因此，可以认为本研究制备的复合膜不同制备批次之间具有较好的重现性。为了检验复合膜的均一性，对复合膜进行了拉曼成像实验。图7(a)为 1071 cm－1处峰强度的成像图。图 7(b)为成像图对应的SERS峰强度的分布。统计成像的数据点，标准偏差不超过6%。

除了作为SERS活性基底，由于该复合膜的特殊结构，有希望应用于其他领域，如催化24、传感器25等。

4 结论

利用室温电子还原成功制备了一种金纳米颗粒与琼脂糖复合膜，并用 UV-Vis、TEM、SEM、XRD、XPS等手段证明了制备过程中金纳米颗粒形成，发现了复合膜为金纳米颗粒密集排布膜上的结构。研究表面，PVP在合成过程中能够有效控制金纳米颗粒的形态。通过调节氯金酸的浓度，可以调控复合膜中金纳米颗粒的排布及复合膜的光学性能。这种密集排布的结构可以作为SERS中的“热点”。复合膜作为SERS基底，具有较好的增强效果(EF=2.56 × 106)，优秀的 SERS 响应和灵敏度，良好的稳定性和均一性。

Supporting Information:available free of chargeviathe internet at http://www.whxb.pku.edu.cn.

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Characterization and Application of Au Nanoparticle/Agarose Composite Film Fabricated by Room Temperature Electron Reduction

FANG Min WANG Zong-Yuan LIU Chang-Jun*
(Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering,School of Chemical Engineering and Technology, Tianjin University,Tianjin 300073,P.R.China)

An Au nanoparticle/agarose composite film was fabricated using room temperature electron reduction with argon glow discharge as a cheap electron source.The synthetic procedure was facile,easy,and green.Characterization by UV-Vis spectrophotometry(UV-Vis),transmission electron microscopy(TEM), scanning electron microscopy(SEM),X-ray diffraction(XRD),and X-ray photoelectron spectroscopy(XPS) revealed that the distribution of Au nanoparticles in the composite film could be tuned by varying the concentration of HAuCl4,while the shape of Au nanoparticles could be controlled by adding polyvinyl pyrrolidone (PVP).The Au nanoparticles were closely packed in the composite film,making an excellent surface enhanced Raman scattering(SERS)-active substrate.ASERS enhanced factor(EF)of over 106and detection limit as low as 10－12mol·L－1were obtained for SERS detection using 4-aminothiophenol(4-ATP)as the probe.Moreover, the composite film possessed good uniformity and stability as a SERS substrate.

Electron reduction;Composite film;Au;SERS

.Email:coronacj@tju.edu.cn.

The project was supported by the National Natural Science Foundation of China(21476157).

国家自然科学基金(21476157)资助项目© Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinica

O649

10.3866/PKU.WHXB201611101

Received:September 5,2016;Revised:November 9,2016;Published online:November 10,2016.*