小尺寸金石墨纳米颗粒的合成与表征

刘芳，张鲁凤，董倩，陈卓

湖南大学化学生物传感与计量学国家重点实验室，长沙 410082

1 引言

表面增强拉曼散射(SERS)自发现以来，已被广泛应用在单分子检测1,2、生物医学诊断3,4、环境监控5,6等领域。等离子体纳米颗粒，如金、银纳米粒子，因为其固有介电函数，纳米级尺寸和等离子体振荡特性展现出独特的光学性质7，被广泛应用在生物医学纳米技术中。在十到数百纳米的尺寸范围内，来自金属纳米颗粒表面的电子和来自入射光的光子耦合产生局域表面等离子体共振(LSPR)效应，增强了纳米颗粒附近的电磁场，这种高的电磁场能极大的增强分析物的拉曼信号8。因此等离子体纳米平台被用作拉曼信号放大器，使SERS成为了超灵敏的检测工具。等离子体金属基底的制备一直是过去几十年的研究热点9-14，然而开发的金属基底通常稳定性和重现性差，因此制备稳定的等离子体金属纳米基底仍是一个挑战15。

自从2004年Novoselov等16在石墨中分离出石墨烯以来，大量的研究工作一直致力于石墨烯和石墨烯复合材料的研究与应用17,18。石墨烯是一种无限延伸的二维碳晶体，是由碳原子紧密排列形成的蜂窝网状六角平面晶体19。石墨烯具有大的比表面积，高透明度，优异的机械强度和柔韧性，良好的导热性和导电性以及优异的电子性能等20。除了这些优异的电学和光学性质外，2009年报道发现其具有石墨烯增强拉曼散射(GERS)21，因此将它和等离子体纳米粒子结合能够有效地提高SERS性能。与等离子体金属纳米颗粒的SERS基底相比，除了化学增强作用，石墨烯同时具备表面分子富集、猝灭荧光、表面高度均匀、强的化学稳定性等特点。因此石墨金属复合纳米材料制备的SERS基底，受到各国研究人员的关注22-25。

本文通过化学气相沉积(CVD)法合成小尺寸的具有核壳结构的金石墨纳米颗粒(Au@G)，其粒径约为17 nm。Au@G中内核的Au NP具有拉曼增强作用，石墨化的外层保证了材料的稳定性并且其大的比表面积又具有很强的富集功能，是一种较理想的SERS基底。通过CVD法制备得到的Au@G表面洁净，拉曼光谱峰独特，在分子检测与细胞内的成像分析等领域中具有巨大的应用潜能。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

正硅酸乙酯(TEOS)购于阿拉丁；十四烷基三甲基溴化铵(TTAB)、硼氢化钠(NaBH4)购于国药集团化学试剂有限公司；氢氧化钠(NaOH)、氯金酸(HAuCl4)、氢氟酸(HF)、乙醇购于长沙试剂公司；结晶紫(CV)、C18-PEG购于Sigma Aldrich。所有试剂均为分析纯，实验用水均来自Milli-Q Integral System的超纯水(电阻率＞ 18 MΩ·cm)。

JEOL 2010透射电子显微镜(日本电子株式会社)，Zeta sizer Nano ZS90激光粒度仪(英国马尔文仪器有限公司)，UV 2450紫外分光光度计(日本岛津公司)，Invia-reflex激光共聚焦拉曼光谱仪(英国雷尼绍公司)。

2.2 实验部分

2.2.1 合成TTAB稳定的金溶胶

TTAB溶液(12.5 mL，100 mmol·L-1)与29.5 mL水混合，室温搅拌条件下加入HAuCl4(5 mL，10 mmol·L-1)溶液，并继续搅拌10 min。将溶液在搅拌条件下加热到50 °C，缓慢加入冰的NaBH4溶液(3 mL，500 mmol·L-1)，50 °C下搅拌反应15 h。

2.2.2 合成Au@m-SiO2

Au@m-SiO2通过模板法合成26，取18 mL TTAB稳定的金溶胶，加入TTAB溶液(162 mL，0.15 mmol·L-1)，混合均匀，然后加入NaOH溶液(0.9 mL，1 mmol·L-1)调节pH至11.4，加入TEOS溶液(0.4-1.5 mL)，在25 °C下搅拌反应3 h。

2.2.3 合成Au@G

Au@m-SiO2溶液分别用水、乙醇离心洗涤(12000 r·min-1，5 min)，洗去多余的TTAB，并在60 °C下干燥得到固体。将固体研磨成粉末并在550 °C下煅烧3 h。然后称取适量粉末放入CVD管式炉中，于1000 °C下在CH4与H2气氛下进行化学气相沉积，得到的产物冷却至室温后加入HF酸处理去除二氧化硅模板并用超纯水洗至中性，最后加入C18-PEG超声分散。

2.2.4 TEOS浓度优化

在合成Au@m-SiO2这一步时，改变加入TEOS的体积，TEOS浓度为7.7、6.2、5.1、3.1、2.1 mg·mL-1分别对应加入TEOS的体积为1.5、1.2、1.0、0.6、0.4 mL。反应其他条件不变。

2.2.5 结晶紫(CV)分子的检测

CV的SERS光谱：取10 µL Au@G与CV混合溶液(CV，3 µmol·L-1)滴于玻片上，室温干燥后进行拉曼测试(532 nm，10%激光功率，曝光时间1 s，累积1次)。

CV拉曼光谱：取10 µL CV水溶液(10µmol·L-1)滴于玻片上，室温干燥后进行拉曼测试(532 nm，10%激光功率，曝光时间1 s，累积5次)。

3 结果与讨论

3.1 透射电子显微镜分析

在TTAB作为保护剂条件下，利用NaBH4还原HAuCl4得到了粒径在7 nm左右的Au NP，如图1a、b，可以看出所合成的Au NP粒径较为均一。

在合成的TTAB保护的金溶胶中，以TEOS为原料，TTAB为模板，在Au NP上包覆了介孔二氧化硅层(Au@m-SiO2)。图1c、d是Au@m-SiO2的透射电子显微镜(TEM)图像，可以看出Au NP的尺寸没有太大变化，在9 nm左右，包覆的介孔二氧化硅层的厚度约为45 nm。

图1 Au NP, Au@m-SiO2, Au@G的透射电子显微镜图像Fig. 1 TEM images of Au NP, Au@m-SiO2,Au@G.(a, b) TEM images of Au NP; scale bar, (a) 50 nm, (b) 20 nm.(c, d) TEM images of Au@m-SiO2; scale bar, (c) 50 nm, (d) 20 nm.TEM (e) and HR-TEM (f) images of Au@G; scale bar, 20 nm and 5 nm.

将得到的Au@m-SiO2通过CVD法在Au NP上生长石墨化的碳层，之后将得到的产物用HF刻蚀去掉二氧化硅模板,得到金石墨纳米颗粒(Au@G)。图1e是Au@G的TEM图像，Au NP的尺寸明显增大，尺寸约为17 nm。在CVD沉积石墨阶段，反应温度达1000 °C，Au NP在此温度下呈熔融状态，易与周围金颗粒相互熔合导致尺寸变大，所以Au@m-SiO2尽管有外层介孔二氧化硅的保护，但是尺寸上还是存在一定程度的增大。Au@G是由内核的Au NP和外层的石墨壳构成，如图1f是Au@G的高分辨率透射电子显微镜(HR-TEM)图像，可以看出Au NP外部包覆了较薄的石墨化碳层。

3.2 Au@G的表征

图2a是Au NP和Au@G的紫外吸收光谱，Au NP的共振吸收峰在518 nm处，与其TEM上显示的粒径尺寸一致。相比Au NP，Au@G的共振吸收峰发生了红移出现在523 nm处，说明Au@G的尺寸变大，这与TEM上的分析结果一致。Au@G的紫外吸收光谱在249 nm处出现了新的吸收峰，对应芳香C＝C的跃迁，与TEM上分析结果一致，进一步说明石墨化碳层的成功包覆。图2b是Au@G的Zeta电位测试，Au@G表面带少量负电荷(-4.7 mV)，其表面的负电荷可能是由于在石墨生长过程中引入了少量的含氧基团。图2c是Au@G的拉曼光谱，其中1350 cm-1为D峰，D峰为石墨中sp2杂化碳原子的环呼吸振动模式，表现的是碳晶格的无序和缺陷。G峰在1600 cm-1，G峰是石墨sp2杂化碳原子的面内振动模式。

图2 所合成的Au@G的表征Fig. 2 Characterization of synthesized Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au NP (red line) and Au@G (blue line). (b) Zeta potential of Au@G. (c) Raman spectrum of Au@G.

3.3 TEOS浓度对合成Au@G的影响

在制备Au@G过程中，为避免CVD高温反应过程中Au NP互相熔合，而导致其尺寸难以控制，我们在Au NP上包覆了一层介孔二氧化硅，但是二氧化硅层的厚度也会对石墨化碳层的沉积产生影响。二氧化硅层的厚度通过TEOS的浓度来控制，因此我们研究了TEOS的浓度对CVD生长过程中石墨化碳层沉积的影响。图3a是不同浓度下TEOS所制得Au@G的紫外吸收光谱。从图中可以看出，所有条件下合成的Au@G的共振吸收峰都在相同区域。说明在试验中所使用的浓度范围内，不同浓度的TEOS条件下所形成的二氧化硅层都能够对Au NP很好的包覆，在CVD反应过程起到了保护尺寸的作用。图3b是不同浓度TEOS所制得Au@G的拉曼光谱。从图中看出，随TEOS浓度的降低，所制得Au@G的G峰变得尖锐且G峰与D峰强度比值增加。而G峰对应石墨结构的峰，D峰为晶格的缺陷峰，说明TEOS的浓度降低，石墨化程度增高。TEOS浓度降低，导致所合成的二氧化硅层变薄，使Au@m-SiO2在CVD生长过程中，高温裂解的C原子能更容易的接触到金颗粒表面，最终得到石墨化程度高的Au@G。所以在试验所用的浓度范围内，不同浓度的TEOS对Au@G的尺寸影响不大，但是TEOS浓度的降低有利于合成石墨化程度高的Au@G。

3.4 结晶紫分子的检测

使用CVD法来生长石墨，这种高温制备方法得到的金石墨纳米颗粒几乎没有杂质，拉曼光谱中也只有石墨的特征峰，与直接使用Au NP来进行SERS分析相比干扰更小。Au@G内核是Au NP，具有LSPR效应，能够作为SERS基底进行分子检测。Au@G的石墨化外壳还能进行分析物的表面富集，能够进一步提高SERS检测灵敏度。因此，我们利用Au@G作为SERS基底对结晶紫(CV)进行了拉曼测试(图4a)。Au@G能够明显增强CV的拉曼信号，除了石墨的D、G峰之外都是CV的特征峰(805、913、1171、1360 cm-1等)，分析待测物的拉曼图谱较为简单。将CV位于1171 cm-1处的拉曼峰(图4a中箭头处)的强度进行量化，得到图4b，根据公式EF = (ISERS/IRaman) × (CRaman/CSERS)计算得到(I是CV在1171 cm-1处的拉曼峰强度，C代表CV浓度)，Au@G对CV的增强超过200倍。

图3 TEOS浓度对Au@G合成的影响Fig. 3 Influence of TEOS concentration to the synthesis of Au@G.(a) UV-Vis spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS. (b) Raman spectra of Au@G synthesized with different concentrations of TEOS.

图4 CV分子的拉曼检测Fig. 4 Raman detection of CV molecules.(a) Raman detection of 3 µmol·L-1 CV with Au@G (red line) and 10 µmol·L-1 CV without Au@G (black line).(b) Corresponding quantitative data analysis of (a).

4 结论

本文通过CVD法制备了小尺寸的Au@G，通过在Au NP上包覆介孔二氧化硅层，来控制Au@G的尺寸，最终得到的Au@G粒径约为17 nm。此外，我们研究了反应过程中TEOS的浓度对合成Au@G的影响。结果表明在试验所用TEOS浓度范围内，TEOS的浓度变化对Au@G的粒径影响不大，但是降低TEOS浓度能得到石墨化程度更高的Au@G。通过CVD制备得到的小尺寸Au@G表面洁净，拉曼光谱峰简单，具有内核Au NP的增强作用，外层石墨化碳层保证了材料的稳定性，是一种增强效果较好的SERS基底。利用Au@G作为SERS基底对CV进行检测，CV的信号有明显增强，表明Au@G在分子检测与细胞内的成像分析等方面具有很大的应用潜力。