基于单个花状银纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应研究

陶晨阳，宁欢，陈海艺，范天瑜，詹依婷，杨硕

(温州大学电气与电子工程学院，温州 325035)

1 引言

金属纳米粒子因其独特的光学性质——局域表面等离子体共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)效应以及在光电子器件[1]、化学和生物分子传感器[2]、催化[3]、表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)光谱[4]等方面的重要应用成为研究人员一直关注的焦点。LSPR是指当入射光的频率与金属纳米粒子表面自由电子的振荡频率相一致时，使粒子周围局域电场显著增强的现象[5]。大量研究表明，金属纳米粒子的LSPR特性和应用强烈地取决于它的几何构型、尺寸和表面形貌。理论上讲，金属纳米结构表面的任何细微变化都能引起其局域表面等离子体的改变[6]。因此，为了获得理想的光学性质，制备尺寸和形貌高度可控的金属纳米粒子对于拓展SERS的应用及解释SERS的理论机制有着十分重要的意义。

随着SERS效应研究的不断深入，对SERS基底的制备也发展到了一个新的阶段。尽管目前已有多种球形、棒状、片状、立方体等规则形貌的金、银纳米粒子被大量合成[7-10]，但是粒子的形状、尺寸往往不能做到完全均匀，导致在探讨纳米粒子集体SERS效应时还需考虑粒子的不均匀形貌因素，为人们理解纳米结构SERS机理带来很多困难。为了更好地理解SERS现象，进一步推动纳米科技的发展，对单个或者少数纳米粒子LSPR性能的研究变得至关重要。然而，受限于传统金属纳米粒子的小尺寸，使得人们难以在光学显微镜下定位单个粒子并进行LSPR和SERS特性研究。为了进一步拓宽SERS基底材料的范围并加深对SERS机理的理解，必须发展适合进行单个或者少数颗粒LSPR及SERS特性研究的金属纳米粒子。

本文通过改进Liang等人[11]报道的方法，严格控制表面活性剂聚乙烯吡络烷酮(Polyvinyl Pyrrolidone, PVP)的浓度，制备出大粒径、表面粗糙、尺寸均一的花状银纳米颗粒，并利用扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope, SEM)、原子力显微镜(Atomic Force Microscope, AFM)、X射线衍射(X-ray Diffraction, XRD)和X射线能谱(Energy Dispersive X-ray, EDX)等技术对颗粒的结构和成分进行了系统地表征。基于花状银纳米颗粒，我们成功实现了对单个或少数颗粒LSPR特性及SERS活性的检测。

2 实验方法

2.1 实验原料及仪器

实验原料：硝酸银(分析纯，上海国药集团化学试剂有限公司)、抗坏血酸(分析纯，西陇科学股份有限公司)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW=40 000，Adamas-beta公司)、对羟基苯甲酸(P-hydroxybenzoate, PHBA，百灵威科技有限公司)、浓硫酸(分析纯，浙江中星化工试剂有限公司)、双氧水(分析纯，上海联试化工试剂有限公司)、硅片(苏州研材微纳科技有限公司)、Milli-Q去离子水。实验中所用的化学试剂使用前均不需要进一步提纯。

实验仪器：磁力搅拌台(IKA C-MAG SH 10)和台式高速离心机(上海安亭TGL-10B)用于银纳米颗粒的制备和离心；扫描电子显微镜(SEM，Hitachi S-4800)和原子力显微镜(AFM，Park XE-100)用于表征纳米材料的形貌、尺寸；X射线衍射仪(XRD，Rigaku Rint2400, Cu Kα, λ=1.5418 Å)用来表征纳米材料的晶型结构；X射线能谱仪(EDX, EDAX DX-4)用来表征纳米材料的成分组成；暗场显微镜光谱系统是由IX71 Olympus显微镜与Acton Advanced SP2750A Princeton光谱仪搭建而成；拉曼光谱实验在Horiba JobinYvon公司生产的激光共聚焦显微拉曼光谱仪(LabRAM HR-800)上进行，仪器的分辨率可达2 cm-1，激发波长为785 nm，输出功率为50 mW，积分时间为5 s，积分次数为3次，数值孔径为0.5的50倍显微物镜。

2.2 花状银纳米颗粒样品的制备

花状银纳米颗粒是在改进Liang等人[11]报道方法的基础上制备的。取0.2 mL浓度为0.1 mol/L的硝酸银水溶液和2 mL浓度为0.1 mol/L 的PVP水溶液加入到盛有20 mL去离子水的烧杯中，磁力搅拌至混合液充分均匀。值得注意的是，在这里PVP浓度以聚合物单链C6H9NO的分子量111 g/mol来计算。PVP 是一种阳离子表面活性剂，它起到帮助控制反应进行速率的作用。另取0.2 mL浓度为0.1 mol/L的抗坏血酸水溶液迅速注入以上混合溶液，在室温下持续搅拌反应5 min。随着搅拌的进行，溶液逐渐呈现出灰色浑浊状，这表明在抗坏血酸的还原下已经有大量的银颗粒生成。为了获得干净的银纳米粒子，除去多余的表面活性剂PVP和其他杂质，我们将合成好的银纳米颗粒溶胶倒入离心管中进行离心清洗，离心时间设定为5 min，离心速度是3000 rpm。银颗粒沉降在离心管底部，用移液器除去上层清液，加入去离子水再次离心，次步骤重复3～5次。最后将沉淀物分散到1 mL水中，取少量颗粒悬浮液滴加在干净的硅片表面，用真空干燥器干燥后形成纳米颗粒薄膜用于形貌、成分和LSPR特性表征。将1×10-3mol/L的PHBA溶液滴在纳米粒子膜上，自然晾干后用于SERS测试。

实验中所有玻璃器皿浸泡在浓硫酸和双氧水的混合溶液(浓硫酸和双氧水的配比为2∶1)中，并在室温下浸泡一小时，去离子水洗涤三次后备用。

3 分析与讨论

3.1 花状银纳米结构的形貌和成分表征

我们利用SEM和AFM对具有代表性的花状银纳米颗粒的形貌进行了表征。图1(a,b)为根据2.2所述实验条件制得的银纳米颗粒SEM图像。从低倍率的图像(图1(a))中可以看出，硅基底被大量银纳米颗粒所覆盖，所得到的产物具有十分均匀的粒径，单分散性良好、产率高。对50个银纳米结构进行了尺寸分析，得到其直径为1±0.1m。从单个银纳米颗粒的放大图(图1(b))中，我们发现产物整体呈球形，相比于文献中报道的银纳米粒子[12]，本工作合成的银纳米粒子有着高度粗糙的表面，颗粒表面由大量的褶皱(长约300 nm，直径约70 nm的纳米级棒状结构)堆积而成，褶皱之间形成深深的沟壑，整个材料看起来酷似一个含苞欲放的花朵，因而我们将其称之为花状银纳米颗粒。为了更加清晰地观测颗粒表面的纳米级粗糙度，我们采集了单个花状银纳米颗粒的AFM图像，如图1(c)所示。由于样品表面凹凸不平，为了避免损坏AFM针尖，选取非接触模式进行扫描。尽管非接触模式扫描得到的图像没有采用接触模式的分辨率高，但是从我们的实验结果中仍然可以观察到颗粒表面纳米量级的粗糙结构，进一步说明了所制备银纳米颗粒表面有着精细的微观结构。

图1 (a,b) 典型花状银纳米颗粒不同放大倍率的SEM图像；(c) 单个花状银纳米颗粒的AFM图像。

Fig.1 (a,b) SEM images of flower-like silver nanoparticles at different maganification; (c) AFM image of an individual flower-like silver nanoparticle

采用XRD技术表征产物的晶体结构和成分。图2(a)是产物的XRD谱图，图中观察到五个明显的特征衍射峰，其2θ角的值分别位于37.9°、44.3°、64.6°、77.6°和81.9°。通过对比标准XRD卡片(JCPDS，No.04-0783)可知，这五个衍射峰很好地对应了银的(111)，(200)，(220)，(311)及(222)晶面。通过布拉格公式2dsinθ= nλ(式中d为晶面间距，λ为入射线波长，n为衍射级数)计算其晶格常数a=b=c=4.0861 Å，在实验误差范围内与先前报道的结果(a=4.0862 Å，来自JCPDS No.04-0783)相接近，从而表明颗粒的主要成分是银，晶型为面心立方结构。图中的(111)面峰强度明显大于其他面，说明(111)面的晶格能低于其他面，因此该晶体主要沿着(111)面生长，从而形成了各向异性的银纳米结构，这与扫描电镜的结果是一致的。

然而，面心立方结构的银和金(JCPDS No.04-0784)有着相似的晶格常数，其特征峰的位置极为相近，从XRD图谱上很难区分开银和金两种元素。本实验原料中不存在金元素，由此可以判断XRD图谱中出现的为银的特征衍射峰。为了更加确切地分析合成纳米颗粒的成分，我们选定银纳米颗粒上的某一区域，采集了它的EDX 谱图(图2(b))。从图中可以看出，该产物成分主要是Ag和Si。没有表面活性剂PVP引入的C峰出现，说明我们已将颗粒表面过量的表面活性剂洗得很干净。分析报告显示，产物中Ag的含量占94.82wt%，Si元素含量仅占5.18wt%。这里Si峰的出现是由硅基底引起的。由此可见，产物中除了Ag元素外再无其他元素，因此可以断定所制备的花状纳米材料是纯的银晶体。

图2 花状银纳米颗粒的(a) XRD图谱；(b) EDX元素分析谱图(插图为被测颗粒的SEM图像和元素含量百分数)

Fig.2 (a) XRD and (b) EDX spectrum of flower-like silver nanoparticles (insets are SEM image and element content of the products)

3.2 PVP浓度对花状银纳米颗粒形貌的影响

本文通过在PVP保护剂的条件下用抗坏血酸还银离子得到银纳米颗粒。在反应过程中，表面活性剂PVP起到减缓反应速率、防止纳米颗粒团聚以及调控金属微纳结构形貌和尺寸的作用[13]。为考察表面活性剂在反应物中所占比例对微纳银颗粒产物形貌、尺寸的影响，我们通过改变PVP浓度展开了一系列实验。

图3(a)是PVP浓度为0.01 mol/L时银纳米颗粒的形貌图。从图中可以看到产物整体以球状结构存在，直径约400 nm，颗粒表面具有一定的粗糙度，整体外貌就像人们餐桌上的“肉丸子”。这时由于PVP的作用，产物已具备了良好的单分散性；当PVP浓度增加到0.02 mol/L时，如图3(b)所示，生成的微纳银颗粒平均直径增大到550 nm左右，其表面的粗糙程度也大大地增加了，表面的突起变得愈加明显但是产物的粒径仍然不是很均匀；当PVP浓度达到0.1 mol/L时(与图1产物所用实验条件相同)，如图3(c)所示，产物的结构达到最精细的状态，从电镜照片看来，颗粒表面显现出更多的褶皱，且各褶皱间沟壑相对于前两个样品来说也越来越深，形貌趋近于花朵状。同时，颗粒的尺寸不仅增加而且开始变得更加均一(平均直径约为1.0m)；继续增大PVP的浓度，如图3(d)，发现产物的大小会继续增加，达到1.5m，表面结构单元间沟壑也随之加深，分散性更加良好和尺寸分布更窄。然而，其表面结构却没有图3(c)中样品那样细致，表面呈现出许多的大块结构，不利于LSPR的产生。可见，PVP的浓度对银纳米颗粒的生长起着重要作用。PVP的浓度越大，颗粒尺寸越大。然而，对于颗粒的表面形貌来说，PVP浓度过高或过低都不利于表面精细纳米结构的产生。

图3 PVP浓度分别为(a) 0.01, (b) 0.02, (c) 0.1, (d) 0.2 mol/L时所制备样品的SEM图像

Fig.3 SEM images of flower-like silver nanoparticles prepared by using PVP of (a) 0.01, (b) 0.02, (c) 0.1, (d) 0.2 mol/L

从动力学角度分析其原因可能是：表面活性剂与晶体某晶面的吸附几率决定了晶体的生长结构。反应过程中，起初抗坏血酸将硝酸银还原成单质银，被还原出来的银单质通过均相成核形成银晶核，并逐渐长成微小的银纳米晶。表面活性剂PVP通过选择性吸附到银纳米晶的某些晶面上，形成表面活性剂包覆层，实现了其在该方向上的选择性生长。由于新生成的银纳米晶具有高的表面能，很不稳定，因而就很容易附着到溶液中已包覆PVP的银纳米粒子表面以降低表面能，如此便形成了棒状结构；随着反应的不断进行，越来越多的银纳米晶形成并附着在棒状结构上，最终经过熟化作用生长成为独特的花状的银纳米结构。当表面活性剂PVP浓度过低，则不利于纳米晶体的选择性生长，难以形成棒状结构，因此导致银颗粒表面结构的不丰富；当表面活性剂浓度过高，银纳米晶附着到先驱银粒子表面的几率更大，因此形成大体积的块状结构，使得颗粒表面结构不精细。

3.3 花状银纳米颗粒的LSPR和SERS特性研究

经过上述实验条件的探讨，我们发现当PVP浓度趋于0.1 mol/L时，银纳米颗粒既拥有丰富的表面结构，又形成了有利于显微镜观测与单颗粒定位的较大粒径尺寸。因此，我们取该反应条件下生成的银纳米颗粒进行LSPR和SERS检测。

测量之前，我们将一片定位铜网用导电胶带黏贴在带有银颗粒的硅基底上，目的是通过铜网上的符号帮助我们记录下每次检测对象的所在区域。这样借助SEM就可以对被测对象进行形貌表征，将被测颗粒的具体结构和它的LSPR及SERS光谱之间建立起一一对应的关系。

图4 (a) 一个，(b) 两个，(c) 三个，及(d)多个银纳米颗粒的暗场显微镜照片及它们所对应的LSPR谱图

Fig.4 LSPR spectra and dark field images of (a) single, (b) dimer (c) triple and (d) many flower-like silver nanoparticles

首先，我们利用暗场散射光谱技术分别对一个、两个、三个及多个花状银纳米颗粒的LSPR特性进行了测量，谱图结果如图4所示。从光谱中可以观察到单个银颗粒大约在740 nm处呈现出一个较宽的等离子激元共振峰。这种宽的表面等离子体共振峰可能对应着比偶极共振更高级别的共振，如四级或八级共振，从而表明颗粒不再是平滑的球状结构，而是表面可能有一些突起[14]，与SEM结果相一致。随着颗粒个数增加，其表面等离子体共振峰逐渐展宽且向长波方向移动，表明颗粒之间并不是独立存在的而是具有很强的等离子激元耦合作用；而表面等离子体共振峰强度的增加，预示着电磁增强逐渐增大。

通过暗场散射光谱结果我们知道银纳米颗粒的个数对电磁场增强效果具有很大影响。因而我们以对羟基苯甲酸(P-hydroxybenzoate, PHBA)作为探针分子，考察了不同数量银纳米颗粒的SERS增强活性。由于暗场散射光谱显示银纳米粒子的表面等离子体共振峰位于740～770 nm，为了能与之产生更好的共振效应，选用最靠近该峰值的波长为785 nm的激光作为激发光源。图5为1×10-3mol/L的PHBA水溶液吸附在不同数量颗粒表面的SERS响应信号。当PHBA探针分子直接滴在硅片上时(图5(a))，其拉曼散射信号强度很弱，几乎没有发现振动峰。当PHBA吸附在多个银颗粒表面时(图5(d))，能够获得高信噪比的SERS光谱，且谱图中呈现出PHBA的几个特征峰。其中，位于1390 cm-1处的拉曼峰归属于COO-对称伸缩振动，位于1612和1600 cm-1处两个峰归属于苯环的C-C伸缩振动，与先前文献报道的一致[15]。从图中可以明显看到SERS信号强度随着颗粒个数的减少而单调降低。这表明银纳米粒子的SERS增强效应与“热点”数量密切相关，颗粒的聚集处促使了更多“热点”的形成，产生了更强的局域电场。当分子吸附在单个颗粒表面时，如图5(b)所示，PHBA的主要特征峰还能够清晰分辨出来。这是由于银纳米颗粒散射面积大、散射强度高，颗粒表面粗糙度较高、热点分布多，因此具有优越的SERS性能和高探测灵敏度。根据公式(1)我们估算了单个花状银纳米颗粒的SERS增强因子约为4×103。因此，花状银纳米颗粒能够作为新型SERS基底材料。

(1)

图5 (a) 1×10-3mol/L PHBA水溶液的拉曼散射光谱；1×10-3mol/L PHBA分子吸附在(b) 一个，(c) 两个，(d) 多个花状银纳米颗粒上的SERS光谱及光学显微镜图

Fig.5 (a) Normal Raman spectrum of 1×10-3mol/L PHBA solution; SERS spectra of 1×10-3mol/L PHBA adsorbed on (b) single, (c) dimer and (d) many flower-like silver nanoparticles

4 结论

本文以抗坏血酸作为还原剂，硝酸银作为银前体，PVP作为表面活性剂，采用改进的方法成功制备了花状银纳米颗粒。通过改变PVP的浓度，探索了银颗粒尺寸、形状和表面拓扑的控制规律，实现了对花状银纳米颗粒的可控合成。经优化条件得到的花状银颗粒适合单个或少数结构的LSPR特性研究，且拉曼增强效果显著，是一种潜在的SERS基底材料。