金纳米脐橙用于催化还原硝基酚的原位表面增强拉曼光谱分析

程子贺， 方 威， 杨 尹， 王小华， 沈爱国， 胡继明

(生物医学分析化学教育部重点实验室，武汉大学化学与分子科学学院，湖北武汉 430072)

金纳米材料具有高稳定性和多相催化活性[1 - 6]，常应用于废液污染处理[4]、化学燃料电池[5]以及其他新型催化体系[7 - 8]。然而金纳米材料的催化反应仍有一些尚需研究的问题：纳米材料上的催化位点数量与催化速率的关系、共生型纳米材料与混合型纳米材料催化速率的异同、合金型纳米材料与单晶型材料催化速率的差异等，这些问题的解答有助于更实用的纳米催化材料的设计和合成[9 - 11]。4-硝基苯酚与4-硝基苯硫酚的催化还原是具有代表性的氧化还原催化体系[12 - 15]。这两种底物是许多反应体系的中间体和交联剂、也是工业废水的主要成分。但其催化还原的反应机理仍是学者们争论不休的课题。传统的原位分析手段如紫外吸收光谱提供的化学信息非常有限，而表面增强拉曼光谱(Surface -Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)分析在催化反应的表征中具有许多优势：(1)拉曼谱带的半峰宽较窄，利于多相催化反应中的底物及产物的定性分析；(2)纳米材料表面的局域等离子体电场具有较高的催化活性和选择性，可提高特定产物的转化率；(3)金纳米材料是常见的SERS基底，有利于实时反映底物变化[13,15 - 17]。但实际上，粒径小于10 nm的纳米金才具有极佳的催化性能，而粒径大于20 nm的纳米金才拥有良好的拉曼增强效应。因此，设计及合成具有高效催化和SERS原位表征双功能的纳米材料就显得尤为重要。

本文以一锅法制备了高粒径的双功能金纳米脐橙，并将其用于4-硝基苯酚和4-硝基苯硫酚催化还原反应和原位表征，证明了该材料“小球”端点具有催化活性，同时考察了材料的浓度、催化位点、形状对反应速率的影响。通过比较金纳米脐橙对4-硝基苯酚和4-硝基苯硫酚的催化效果，并结合SERS原位分析技术以“大球”端点作检测基底，实现了该催化反应的免标记原位SERS分析，为高效催化和SERS原位表征提供了一种高复现性的双功能纳米材料。

1 实验部分

1.1 主要仪器和试剂

Zeiss SIGMA场发射扫描电子显微镜(英国，Carl Zeiss公司)；JEM-2100透射电子显微镜(日本，JEOL公司)；UV-2550紫外-可见分光光度计(日本，Shimadzu公司)；inVia共聚焦显微拉曼光谱仪(英国，Renishaw公司)，配备有632.8 nm半导体激光器及50倍长焦物镜。

HAuCl4·3H2O(99%，分析纯)、柠檬酸三钠(99%，分析纯)、NaBH4(99%，分析纯)、4-硝基苯酚(97%，分析纯)及4-硝基苯硫酚(97%，分析纯)，均购买自阿拉丁试剂公司；AgNO3(99%，分析纯)、抗坏血酸(97%，分析纯)、无水乙醇(99.5%，分析纯)，均购买自国药集团化学试剂有限责任公司。实验用水由Direct-Q 3超纯水器(美国，Millipore公司)制备。

1.2 金纳米脐橙的制备

1.2.1纳米金种(30nm)的制备于150 mL两口瓶中加入50 mL的超纯水，500 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，在120 ℃下加热回流至沸腾后，添加900 μL的柠檬酸三钠溶液(38.8 mmol/L)，继续搅拌回流20 min后停止反应，得到酒红色溶胶，静置，冷却至室温并封口待用。

1.2.2小粒径纳米金(5nm)的制备于50 mL两口瓶中加入25 mL的超纯水，100 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，置于冰水浴中搅拌2 min，混入还原剂250 μL的NaBH4溶液(10 mmol/L)，得到棕黄色溶胶，反应完成后补加适量柠檬酸三钠溶液(38.8 mmol/L)。

1.2.3单凸起金纳米脐橙的制备取4 mL新制备的30 nm金种至50 mL两口瓶中，加入25 mL的超纯水，于搅拌条件下加入25 μL的AgNO3溶液(11.8 mmol/L)和25 μL的抗坏血酸溶液(28.4 mmol/L)，室温反应30 min。待还原反应完全，得到橙红色透明溶胶。再向溶液中补加适量抗坏血酸后添加10 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，可看到溶液迅速变成紫红色。持续搅拌30 min后反应完成，于室温下静置，待用。

1.2.4多凸起金纳米脐橙的制备吸取单凸起纳米脐橙溶胶25 mL，于搅拌下混入25 μL的AgNO3溶液(11.8 mmol/L)及25 μL的抗坏血酸溶液(28.4 mmol/L)，室温反应30 min。随后再添加适量抗坏血酸溶液及10 μL的HAuCl4溶液(29 mmol/L)，持续搅拌反应30 min即得。

1.3 催化还原实验与表征

分别称取4-硝基苯酚、4-硝基苯硫酚粉末0.1391 g、0.1552 g，以10 mL无水乙醇溶解配制得到浓度为10 mmol/L的底物母液。再称取0.0378 g NaBH4粉末，溶解于100 mL超纯水中，得到10 mmol/L的还原剂母液。催化实验中，于5 mL EP离心管中混入3 mL上述NaBH4溶液及20 μL 4-硝基苯酚或4-硝基苯硫酚母液，得到催化还原反应液。再向反应液中加入固定体积新制的金纳米脐橙材料，立即以紫外-可见分光光度计测定反应混合液的吸收光谱。

在拉曼光谱分析中，考虑无水乙醇自身具有微弱的拉曼信号，所以在4-硝基苯酚及4-硝基苯硫酚高浓度溶液分析测定时，应以超纯水为溶剂配制底物溶液[18 - 21]。向洁净的5 mL容量瓶中加入1 mL新制备的金纳米脐橙溶胶及20 μL 4-硝基苯酚或4-硝基苯硫酚母液，静置5 min。再向反应液中加入2 mL NaBH4溶液(10 mmol/L)，并立即以共聚焦显微拉曼光谱仪采集溶液体系的拉曼光谱[22 - 23]。

2 结果及讨论

2.1 金纳米粒子的表征

本文以30 nm的金纳米粒子为种子，少量Ag+被还原至金种特定晶面上，从而形成局域薄银层，并在还原剂的作用下被随后加入的HAuCl4腐蚀生长成脐橙型凸起。将合成得到的纳米材料进行透射电镜表征，结果如图1所示。由图1(A)可知，纳米金种的粒径约为30 nm。由图1(B)可知添加AgNO3后，可观察到金种上局域银层的形成。待添加HAuCl4后，图1(C)展示了所合成的单凸起纳米脐橙。将已制备好的单凸起纳米脐橙为种子，以与单凸起脐橙相同的金银用量进行重复添加生长原料，即得到了多凸起的纳米脐橙，如图1(D)。结果表明，纳米脐橙凸起的数量可以通过多批次添加原料来实现有效控制。图2为上述各阶段纳米材料的紫外-可见吸收光谱，可以观察到单凸及多凸起金纳米脐橙的吸收峰较纳米金种略宽，表明粒径变大。

图1 纳米金种(A)、银包金球(B)、单凸起纳米脐橙(C)、多凸起纳米脐橙(D)的透射电镜(TEM)图Fig.1 TEM images of AuNPs(A)，Au@AgNPs(B),Single-bumped nano navel oranges(C),Multi-bumped nano navel oranges(D)

2.2 单凸起金纳米脐橙SERS基底的稳定性

为了考察SERS基底的稳定性，在单凸起纳米脐橙表面修饰甲酚紫分子后，用共聚焦拉曼光谱仪连续采集30个SERS光谱。所有光谱如图3所示，将30个光谱转换为强度伪彩色图，其亮白色区域表示可量化峰的位置。结果表明，甲酚紫的特征峰590 cm-1处的亮度均一，所制备的纳米脐橙SERS基底稳定性良好。

图2 金种、单凸起及多凸起金纳米脐橙的紫外-可见(UV-Vis)光谱图Fig.2 UV-Vis spectra of AuNPs, single-bumped and multi-bumped gold nano navel oranges

图3 甲酚紫修饰的单凸起金纳米脐橙溶胶的SERS信号连续采集堆叠图(30次)Fig.3 Thirty SERS spectra continuously collected from cresol purple modified single-bumped gold nano navel oranges

2.3 单凸起纳米脐橙浓度对4-硝基苯酚催化还原的影响

为了探讨单凸起纳米脐橙的浓度对催化还原反应速率的影响，在其他实验条件相同的情况下，调节实验中纳米脐橙用量分别为10 μL、20 μL和30 μL。通过观察4-硝基苯酚在400 nm处特有紫外吸收峰的变化来监测反应进程。所有的光谱为连续检测，且每一条光谱扫描时间为55 s，由此可计算出纳米催化剂的催化速率，并将所得结果列于表1。由此可知，纳米材料的催化速率正比于纳米材料的浓度。

表1 不同浓度纳米脐橙对4-硝基苯酚的催化速率

2.4 金纳米脐橙的催化性能研究

为了证实纳米脐橙具有更为高效的催化效果，在4-硝基苯酚的催化还原实验中，还对比了相同浓度下不同形状的纳米材料的催化速率，同样以紫外-可见吸收光谱实时追踪催化反应进程。此处主要对比了单凸起、多凸起纳米脐橙与相似粒径的直接混合体系(大球混合小球)催化效率的异同。实验所涉及的纳米材料包括以下几种：(1)20 μL 多凸起纳米脐橙溶胶；(2)20 μL 单凸起纳米脐橙溶胶；(3)20 μL 30 nm纳米金种溶胶；(4)20 μL 5 nm 纳米金球溶胶；(5)10 μL 30 nm纳米金种溶胶混合10 μL 5 nm纳米金球溶胶。表2的实验结果表明，多凸起纳米脐橙的催化速度最快，其次是单凸起纳米脐橙，与小粒径纳米金球(5 nm) 的催化速率相近。结合2.1中多凸起纳米脐橙的表征结果可知，实验中使用的多凸起脐橙具有两颗或三颗凸起，即理论上多凸脐橙的催化位点比同浓度单凸脐橙的多一倍至两倍，这与实验中相同浓度下单凸与多凸纳米脐橙催化速度的倍数关系匹配。而混合体系的催化速率低于其他所有纳米材料，甚至反应未能进行完全(4-硝基苯酚于400 nm处仍有一定强度的吸收)，这可能是由于不同还原剂制备的纳米溶胶混合后导致材料发生不稳定聚集，进而影响了还原反应的进程。

表2 不同材料对4-硝基苯酚的催化速率汇总

图4 纳米脐橙催化4-硝基苯酚还原过程中的SERS图(a、b、c：反应过程中的SERS图;d：4-硝基苯酚的本征拉曼光谱)Fig.4 SERS spectra during the reduction of 4-nitrophenol catalyzed by nano navel orange (a,b,c：SERS spectra during the reaction;d：intrinsic Raman spectroscopy of 4-nitrophenol)

2.5 单凸起金纳米脐橙催化还原4-硝基苯酚的SERS

为了验证单凸起金纳米脐橙能否在高效催化的同时实现SERS实时监控表征，即在催化反应中将“小球”端作为催化位点，“大球”端作为SERS增强基底的可行性。在还原催化反应的过程中以共聚焦拉曼光谱仪采集反应体系的SERS信号，如图4所示。4-硝基苯酚的本征拉曼谱图为图4d，1 347 cm-1处振动峰归属于苯环上的硝基。根据催化反应过程中的谱图(图4a、b、c)可知，1 004 cm-1处归属于苯酚基团的振动峰以及1 604 cm-1处归属于苯环基团的振动峰有显著增强，而1 347 cm-1处硝基振动峰没有出现，说明4-硝基苯酚已被还原，并且4-硝基苯酚分子主要通过氮元素静电吸附于纳米材料上。结果表明，所制备的金纳米脐橙具有催化还原和SERS增强双功能。

2.6 单凸起金纳米脐橙催化还原4-硝基苯硫酚的SERS

为了测试单凸起金纳米脐橙对4-硝基苯酚同型反应物的催化效果，本文选取了4-硝基苯硫酚作为底物来考察了金纳米脐橙作催化剂还原4-硝基苯硫酚的催化性能。将还原催化反应结果图5(A)对比图5(B)可知，纳米脐橙对4-硝基苯硫酚的还原反应催化效果与4-硝基苯酚有很大区别。即纳米脐橙能快速有效催化4-硝基苯酚的还原反应，但无法催化4-硝基苯硫酚的还原反应，且提高材料浓度(20 μL或1 mL)其紫外吸收光谱图也无明显变化。

图5 纳米脐橙催化还原4-硝基苯酚(A)和催化还原4-硝基苯硫酚(B)的紫外-可见(UV-Vis)光谱图Fig.5 UV-Vis spectra of nano-navel orange catalyzed reduction of 4-nitrophenol(A) and 4-nitrothiophenol(B)

此处结合反应前后体系的SERS来分析解释该现象。如图6所示，拉曼光谱图中d为4-硝基苯硫酚本征信号，1 347 cm-1处为硝基苯基团振动峰。在加入金纳米脐橙后，反应过程中的光谱如图6a、b、c，其中1 347 cm-1处振动峰与本征谱相比反而强度增加，而新出现的1 147 cm-1、1 397 cm-1、1 449 cm-1处振动峰归属于分子间氮氮双键。静置数小时后，此时NaBH4还原剂即便过量存在，反应体系仍呈现亮黄色且SERS与图6(c)相比没有变化。分析可知，4-硝基苯硫酚以巯基吸附于纳米材料表面，远端的硝基形成了分子间氮氮双键，即4-硝基苯硫酚虽吸附在纳米脐橙表面但没有发生还原反应生成4-氨基苯硫酚。

在实验条件相同的前提下，金纳米脐橙对两种相似底物的催化还原结果却完全不同，其主要原因在于底物与纳米材料的连接方式。金纳米脐橙催化还原两种底物的反应示意图如图7所示。由此说明，纳米材料趋向于催化贴近于表面的基团的反应，而连接至材料表面的分子的远端基团催化效果不佳，即纳米材料的催化活性具有近场效应。

图6 单凸起金纳米脐橙催化4-硝基苯硫酚还原过程中的SERS图(a,b,c：反应过程中的SERS图;d：4-硝基苯硫酚的本征拉曼光谱)Fig.6 SERS spectra during the reduction of 4-nitrothiophenol catalyzed by single -bumped gold nano navel orange (a,b,c：SERS spectra during the reaction;d：intrinsic Raman spectroscopy of 4-nitrothiophenol)

图7 单凸起金纳米脐橙催化还原硝基酚示意图Fig.7 Schematic of the catalytic reduction of nitrophenols by ingle -bumped gold nano navel orange

3 结论

本文以“一锅法”合成了金纳米脐橙材料，该材料可作为一种高效催化和SERS原位表征的双功能材料。通过研究该材料对4-硝基苯酚及4-硝基苯硫酚还原反应的催化性能，并结合SERS技术分析了催化反应过程及异同。结果表明，纳米脐橙中“大球”可作SERS基底，“小球”则具有高效的催化性能。同时，研究发现材料的浓度、形状、催化位点和底物结合方式对催化反应均有影响。催化速率与纳米材料的催化位点成正比例关系，且该材料较直接混合体系具有更高的催化活性，而纳米材料对吸附在表面的基团的催化效果更佳，对吸附分子的远端基团催化效果极低。