球形银纳米粒子的制备及其表面增强拉曼活性研究

李 东

(大庆油田制造装备集团 力神泵业股份有限公司检测中心，黑龙江 大庆 163311)

球形银纳米粒子的制备及其表面增强拉曼活性研究

李 东

(大庆油田制造装备集团 力神泵业股份有限公司检测中心，黑龙江 大庆 163311)

提供了一种绿色的、具有高表面增强拉曼活性(SERS)的银纳米球的溶剂热制备方法。在制备体系中，聚乙烯吡咯烷酮为峰端剂，无水乙醇为溶剂和还原剂，所获得的银纳米球尺寸分布窄(20-40 nm)，形貌均匀。作为SERS基底检测模型违禁药品(孔雀石绿)时表现出较高的活性，即使孔雀石绿的浓度低至10-12mol·L-1仍旧可以检出。

银、 纳米球、表面增强拉曼、孔雀石绿

在各种分析技术中，拉曼光谱可以提供化学和生物材料的振动指纹，用于对化学物质的定性甚至是定量分析。然而，对于大多数分子来说，其拉曼散射信号是非常弱的，这也限制了拉曼技术的发展。1974年，Fleischmann等人发现吸附在粗糙的银表面的拉曼信号被增大了几个数量级[1]。1977年，Jeanmaire和Van Duyne发现当把分子放置在粗糙贵金属表面上或是附近后拉曼信号可以被极大增强[2]，这种效应后来被称之为表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)。之后，随着纳米技术的发展和各类拉曼光谱仪的开发，SERS技术逐渐发展起来。时至今日，SERS技术的检测限已经能够达到ppb级[3]甚至是可以实现单分子的检测[4]。因其灵敏度高且可以实现无损检测，SERS检测正在受到广泛关注并逐渐成为表面科学、电化学、分析化学和生物学等领域的重要应用技术[5-6]。尽管SERS增强机理还是一个较为活跃的研究课题，但目前普遍接受的增强来源有两个：电磁场增强和化学增强，其中电磁场增强被认为是拉曼信号增强的主要因素。电磁场增强取决于表面等离子和激发场之间的共振过程，当纳米粒子的局域表面等离子共振被可见光激发时，被分子吸附的纳米粒子表面会产生强的电磁场[8]。而化学增强是由于吸附在金属表面的分子与金属之间发生了电荷转移共振状态[9]，这就要求分子必须直接吸附在粗糙表面上，而电磁场增强没有这样严格的要求。SERS技术的推广应用之一就是高活性基底的制备，具有较强等离子共振效应的十一族金属(Ag、Cu、Au)经常被用作SERS基底，且制备成合理的纳米结构使得SERS活性进一步提高。这是因为纳米结构的尺寸分布、几何构型、化学组成以及表面状态都会影响拉曼增强性能[10]。就尺寸而言，有研究表明，纳米材料的尺寸应当在5-100 nm范围内才能具有SERS活性，而20-70 nm的粒子具有最强的SERS效应[11]。

孔雀石绿是一种三苯甲烷类染料，同时也具有杀灭真菌、细菌和寄生虫的功效。由于孔雀石绿对鱼体水霉病、鳃霉病、小瓜虫病等有特效，一度被广泛用于水产养殖业。但在上世纪90年代，国外学者证实这种物质具有高毒素、高残留和致癌、致畸、致突变等副作用。于是，1992年加拿大率先禁止使用孔雀石绿作为渔场杀菌剂，1993年美国FDA也规定了食用水产品中禁止检出孔雀石绿和隐性孔雀石绿。2002年，我国农业部门将其列入《食品动物禁用的兽药及化合物清单》，禁止在食用动物中使用。然而，由于迄今为止没有更好的替代药品，很多水产养殖和销售人员仍铤而走险在水体中添加孔雀石绿。虽然消费者可以将购买的水产品拿到检验中心进行检验，但现有的检验方法通常需要两三天时间，而且每次检测都要花费几百元钱，对于普通消费者来说，为一条鱼花费如此大量的时间和金钱并不现实。因此，为消费者提供快速、简便、低廉的检测孔雀石绿的方法成为当务之急，而SERS技术恰恰能够满足这个需求，特别是近些年来手持式拉曼光谱仪设备的不断完善，只要有高效、可靠的SERS基底，就能使孔雀石绿的现场、快速、高通量检测成为可能。

本文中，我们采用一种简单的水热方法制备合成了尺寸非常均匀的近球形Ag纳米粒子(20-40 nm)，并将其用作SERS基底进行了孔雀石绿的检测，结果表明：当孔雀石绿的浓度低至10-12mol·L-1时仍有拉曼信号检出，说明我们所制备的Ag纳米粒子具有良好的SERS活性，并有望应用在其他违禁药品的痕量检测中。

1 实验部分

1.1 球形Ag纳米粒子的制备

称取0.0085 g 硝酸银加入到5 mL无水乙醇中并搅拌至完全溶解形成溶液A。称取0.05 g的聚乙烯吡咯烷酮(PVP，M=40000)加入10 mL无水乙醇中，通过磁力搅拌使之完全溶解，形成溶液B。在搅拌状态下，将溶液A滴加到溶液B中，然后将所得的混合液转入20 mL特弗隆衬底的水热釜中并置于烘箱中180 ℃下反应2小时。自然冷却后离心分离并用去离子水清洗三次待用。

为考察时间因素对Ag纳米粒子形貌的影响，在其他条件不变的前提下，我们还分别进行了1小时 、4小时和6小时反应时间的实验。

1.2 Ag纳米粒子的表征

Ag纳米粒子的形貌和尺寸通过透射电子显微镜(TEM，Hitachi H-7500，加速电压80 KV)进行表征。将少量Ag纳米粒子超声分散到乙醇溶剂中形成浓度适中的悬浊液，并滴加到铺有Formvar膜的铜网上自然晾干后即可进行透射电子显微镜的测试。样品的紫外吸收光谱(UV-vis)在PE Lamda 35紫外可见光谱仪上获得。

1.3 Ag纳米粒子SERS活性的考察

配置不同浓度的孔雀石绿水溶液(10-3mol·L-1～10-12mol·L-1)，并分别量取0.5 mL加入少量Ag纳米球，超声分散一分钟后静置半小时，然后吸取1～2滴混悬液置于干净的玻璃片上自然晾干或吹干后在DXR共聚焦显微拉曼光谱仪上进行拉曼光谱的测试，激发波长为325 nm，光谱采集范围100～2500 cm-1，积分时间10s，曝光数3次。

2 结果与讨论

图1所示的是2h反应时间所得银纳米粒子的透射电子显微镜(TEM)图片。由图可以看出，所制备的Ag纳米粒子基本呈球形，尺寸分布较窄，基本在20～40 nm之间，非常均匀。

图2a所示的为反应1 h所得纳米粒子的TEM图片，可以看到，此时Ag纳米粒子已经形成，但形状多呈现椭球形，且尺寸分布相对较宽，在10～50 nm范围内。这说明在1 h和2 h之间反应体系中主要进行了晶体的熟化，使得粒子的形状趋于圆形从而获得较小的吉布斯自由能而使粒子更稳定。但这并不意味着反应时间越长越完美，当反应时间延长到4小时(图2a)，粒子逐渐失去其圆形外貌而开始长出棱角，个别粒子尺寸增大到近100 nm，这说明有些晶面在熟化过程中逐渐消失。继续延长反应时间至6 h，形貌没有明显变化。图2c所示的是不同反应时间所得纳米粒子的UV-vis谱图，可以看出，1 h所得产物的最强吸收峰在427 nm左右，且吸收峰较宽，说明此时粒子的尺寸分布较宽，形状不是圆形。而2h产物的最强吸收峰蓝移至410 nm左右，这是典型的球形银纳米粒子的表面等离子共振特征吸收峰，另外整个吸收峰较为尖锐，也说明所得粒子的尺寸分布很窄，这与透射电镜结果是一致的。图2c中还给出了反应4 h和6 h时产物的UV-vis吸收光谱，可以看到最强吸收峰的位置还在410 nm左右，但在570nm左右出现一个较宽的肩峰，说明此时产物中有尺寸较大的粒子出现，这也与TEM表征结果一致。

图2 (a)反应时间1 h得到的Ag纳米粒子的TEM图片；(b)反应时间4 h得到的Ag纳米粒子的TEM图片；(c)不同反应时间所得产物的UV-vis吸收光谱 (A:1 h; B: 2 h; C: 4 h; D: 6 h)

考虑到SERS活性对粒子尺寸的要求以及对活性晶面的要求，我们认为2 h所得的球形银纳米粒子应当具有最高的活性，并将之应用于不同浓度孔雀石绿的SERS检测，所得结果如图3所示。可以看到，孔雀石绿在433 nm、798 nm、913 nm、1172 nm、1360 nm 和1610 nm处的特征峰都得到了很大的增强，即使是浓度低至10-12mol·L-1仍能够看到清晰可辨的特征拉曼峰，说明本文所提供的Ag纳米球可以作为很好的SERS基底检测痕量的孔雀石绿。

图3 用Ag纳米球为基底增强后的孔雀石绿的拉曼光谱：(a)-A，10-3 mol·L-1；(a)-B，10-6 mol·L-1； (b) -A，10-8 mol·L-1；(b)-B，10-10 mol·L-1；(b)-C，10-12 mol·L-1。

3 结论

以PVP为封端剂，采用溶剂热法并利用乙醇溶剂在高温下产生还原性物质的特性制备得到了尺寸均匀的20-40 nm的Ag纳米球，通过调整反应时间还可以得到尺寸略有变化的椭球形和带棱角的Ag纳米粒子。所制备的Ag纳米粒子表现出良好的SERS活性，作为基底检测孔雀石绿的检测限可以达到10-12mol·L-1。本方法操作简单，灵敏度高，适合食品安全监管部门以及食品生产企业的快速、高通量、现场化的检测。

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责任编辑：程艳艳

Research on Preparation for Silver Nanospheres and Their Surface-enhanced Raman Scattering

LI Dong

(Inspection Center of Lishen Pump Industry Co., Ltd, Daqing Oilfield Manufacturing Equipment Group， Daqing 163311, China)

A method of solvent-thermal preparation for silver nanospheres with high Surface-enhanced Raman Scattering(SERS)is given, in which polyvinylpyrrolidone is taken as the capping reagent, and ethanol as both solvent and reducer. The obtained silver nanospheres have narrow size distribution and uniform shape. When they are used as SERS substrate to detect model illegal drugs (malachite green oxalate), the obtained silver nanospheres show higher activity, and even the concentration of malachite green oxalate is as low as 10-12mol·L-1, it could still be detected.

silver; nanospheres; Surface-enhanced Raman Scattering; malachite green oxalate

2016-11-16

李东(1972-)，男，黑龙江宾县人，工程师，主要从事化学分析方面研究。

TK124

A

1009-3907(2017)02-0020-04