金属纳米粒子胶体是一种重要的纳米材料, 其独特的性质已经引起人们广泛的关注, 金属胶体的应用已涉及到分子生物学、医学等多个领域。近十多年来, 人们发现金属纳米粒子胶体可以作为一种高效率的吸附衬底, 使吸附分子的拉曼信号获得10⁵~10⁷倍的增强, 特别是银胶和金胶, 以此为衬底已经获得了多种分子高质量的表面增强拉曼散射(SERS)光谱, 并广泛用于SERS增强机制和应用研究中^[1-2]。由于金属纳米粒子胶体是一种灵敏度很高的吸附衬底, 同时在激光照射下金属胶体中不存在如其他衬底那样的光损伤, 有利于进一步应用。

以往制作金属胶体主要以化学还原银盐的方法获得, 通常所用的银盐为硝酸银, 还原剂多为硼氢化钠^[3]和柠檬酸钠^[4], 用这种方法制备金属胶体已经成功地用于SERS研究, 其增强效果很好。但是化学方法制备金属胶体时, 不可避免地会引入一些杂质离子, 如硼氢化钠作还原剂时, 胶体中会存在硝酸银的还原产物及硼氢根离子加水分解生成的硼酸盐等。在一些情况下, 以此金属胶体为基体的吸附分子的SERS谱中可以看到硼酸盐特征谱的存在^[5-6], 而四氢硼酸盐复合系统的时间演变产物与Ag胶表面电势有很大关系, 反之, 这会影响到分子吸附和吸附分子的光谱分析, 柠檬酸盐作还原剂也存在类似情况。因此, 以化学方法制备的金属胶体作为基体得到的SERS谱会受到这些残余离子的影响, 使分子的SERS谱质量有时受到很大干扰, 从而影响到被检测分子的光谱分析及增强机理的研究。

液相激光刻蚀技术作为一种金属胶体的绿色制备方法, 近年来受到了很多研究人员的关注, 此方法克服了采用化学方法制备胶体时存在离子残留的弊端。通过调节激光脉冲的参数和激光刻蚀的时间, 可实现对纳米颗粒尺寸和浓度的控制; 同时, 通过改变刻蚀靶材成分, 可实现单一元素纳米颗粒及复合元素纳米颗粒的刻蚀。液相激光刻蚀技术操作简单且可控性强, 是制备胶体材料的理想方法。我们用液相激光刻蚀技术制备了金银合金胶体, 该胶体表现出很好的SERS活性, 且性能稳定可在室温下长时间保存, 在痕量检测及生物探测方面都有很好的应用潜力。

图 1为激光烧蚀制备金属胶体的装置示意图。实验中所用试剂均为分析纯, 实验前先用稀盐酸清洗合金(99.99%)表面, 进行机械打磨, 使合金表面光滑, 然后分别用酒精和二次蒸馏水在超声波清洗机中各自清洗10 min, 将2 mL左右的去离子水倒入烧杯中, 将样品固定于该烧杯中, 然后将其置于二维平移台上。通过使用焦距为50 mm的平凸透镜将纳秒脉冲激光聚焦(激光单脉冲能量为1 mJ), 聚焦后的光束通过厚度为2 mm的水层对合金靶表面进行烧蚀, 聚透镜置于精密二维调整架上实现对激光束焦点位置的精密控制。当聚焦的激光束辐照到样品表面时, 可以明显观察到合金靶表面有浑浊物冒出, 并伴有响声。增大照射时间, 合金胶体浓度增加, 水的颜色从微黄色逐渐变为棕黄色, 并最终稳定下来。

图 1

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图 1 激光刻蚀示意图 Figure 1 The diagram of the laser ablation

激光辐照样品结束后, 由透射电子显微镜确定实验制备的粒子的粒径和形貌, 粒径大小测量由软件完成, 用紫外-可见(UV-Vis)分光光度计测定其等离子体共振吸收谱。采用透射电子显微镜对激光烧蚀后合金颗粒尺寸大小及分布进行表征。金银合金的SERS的表征采用共聚焦显微拉曼光谱仪, 激发波长633 nm, 激发功率3 MW。

图 2为合金胶体透射电镜图, 由图 2(a)可见, 胶体颗粒均为球形颗粒, 对其颗粒进行粒径统计, 得到图 2(b)纳米颗粒尺寸分布, 直径大部分小于10 nm并主要在1~4 nm。杜勇等^[7]采用Nd:YAG激光器1 064 nm激发光照射金属Ag表面, 制备出“化学纯净”的金属Ag胶体, 同时还获得了纳米级粗糙度的金属表面。利用投射电子显微镜(TEM)对胶体银粒子的尺寸及形态进行观测, 发现这些胶为粒径介于15~35 nm的纳米体系, 与之相比较我们制备的金银合金胶体的纳米尺寸更小, 且均匀。

图 2

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图 2 合金胶体透射电镜图 Figure 2 Transmission electron microscopy images of ablated AuAg alloy colloids

采用UV-Vis分光光度计对颗粒等离子体共振吸收峰进行测量, 得到制备好3 h后的光谱如图 3所示, 由图可见, 合金胶体的共振吸收峰位于428 nm。将颗粒密封保存6个月, 再次测量其吸收曲线, 得到图 3所示曲线, 由图可见吸收峰位及峰强均未见明显变化。由此可见, 此方法制备的合金胶体分散性好, 且不随时间发生凝聚现象。

图 3

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图 3 金银合金颗粒吸收光谱 Figure 3 The absorption spectrum of AuAg alloy colloids

结晶紫是一种酸碱指示剂, 基于SERS效应, 吸附在金属胶体颗粒表面的结晶紫分子的拉曼信号可得到较强的增强^[8]。图 4为结晶紫溶液增强拉曼光谱图, 图中A曲线为浓度为10^-6 mol/L的结晶紫溶液与合金胶体1:1(体积比)混合后所测得的表面增强拉曼光谱图, B曲线为浓度为10^-6 mol/L的结晶紫溶液与放置6个月后合金胶体1:1(体积比)混合后所测得的表面增强拉曼光谱图, C曲线为浓度为10^-2 mol/L的结晶紫溶液正常拉曼光谱图。它们测量条件均完全相同, 经对比可以看出, 合金胶体对结晶紫的拉曼光谱增强效果非常明显, 振动峰的数量、峰的强度、分辨率以及灵敏度都大大提高, 其中曲线A的1 177 cm^-1峰的相对强度得到了极大的提高。图中位于1 177 cm^-1的谱峰对应于结晶紫的CH键振动, 1 371 cm^-1的谱峰对应于N苯基振动, 1 622cm^-1的谱峰则对应于结晶紫芳香环的振动^[9], 且在长时间放置后, 颗粒的性质依旧稳定, 增强效果没有明显的变化。

图 4

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注:A为10-6 mol/L结晶紫溶液与合金胶体1:1混合; B为10-6 mol/L结晶紫溶液与放置6个月后合金胶体1:1混合; C为10-2 mol/L结晶紫溶液的正常拉曼光谱 图 4 结晶紫溶液增强拉曼光谱图 Figure 4 Surface-enhanced Raman spectra crystal violet solution

利用液相激光刻蚀技术制备的合金胶体, 其颗粒尺寸小且分布均匀, 稳定性很强, 长时间保存仍然具有良好的SERS增强效果。研究表明, 此方法所得的纳米颗粒避免了采用化学方法制备胶体时存在的离子残留问题, 同时操作简单且可控性强, 是制备胶体材料的理想方法。