CN101832933B

CN101832933B - 用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法

Info

Publication number: CN101832933B
Application number: CN 201010044867
Authority: CN
Inventors: 李剑锋; 田中群; 王中林
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: XIAMEN PERSER NANO TECH. Co.,Ltd.
Priority date: 2010-01-21
Filing date: 2010-01-21
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2030-01-21
Also published as: CN101832933A

Abstract

用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法，涉及激光拉曼光谱的检测。提供一种操作简单、快速、成本低、拉曼信号强、重现性好、结果准确的、通用的用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法。制备金属纳米粒子为内核，极薄壳惰性材料为外壳的壳层隔绝的核壳结构纳米粒子；将纳米粒子均匀铺撒在待测样品表面；直接进行表面增强拉曼光谱检测。

Description

用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法

技术领域

本发明涉及激光拉曼光谱的检测，尤其是涉及一种用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种重要的谱学技术，可以从分子水平上鉴别吸附在纳米结构表面的物种，其增强能力可以达到10⁶～10¹²。然而，SERS技术并没有发展成为表面科学以及实际生产实践中的一个重要工具，其中的一个主要原因是只在币族金属金、银、铜等少数金属(及锂，钠，钾等)表面上可以产生很强的SERS效应，并且要求基底表面是粗糙的，这大大限制了SERS技术的应用前景。所以基底材料的普适性以及基底形貌的普适性问题一直成为制约SERS技术发展的关键问题。

为了将SERS拓展到具有极高催化价值的过渡金属表面，人们最早在20世纪80年代就开始尝试采用“借力”的办法。由于电磁场的场强与拉曼信号的强度成4次方的关系，因此将极薄的过渡金属层覆盖在具有高SERS活性的粗糙金或银表面，凭借金或银的强的电磁场来增强吸附在上层过渡金属层表面物种的拉曼信号。但是必须控制过渡金属层非常薄，在几个纳米左右，否则电磁场增强的长程效应就会失效。所以沉积的过渡金属层极薄，且没有针孔，成为当时的一大难题。到了20世纪90年代后期，Weaver小组采用欠电位沉积，然后氧化-还原取代的办法在具有SERS活性的金表面制备出了没有“针孔”的过渡金属层，对铂系金属上的分子的吸附和反应开展系统的研究。(S.Park，P.Yang，P.Corredor，P.and M.J.Weaver，Transitionmetal-coated nanoparticle films：vibrational characterization with surface-enhanced Ramanscattering.J.Am.Chem.Soc.2002，124，2428.)但是基底金属对薄层金属的理化性质的影响、薄层的稳定性和可逆性仍困扰着此方法。

到了21世纪初，本申请人(Z.Q.Tian，B.Ren，J.F.Li，and Z.L.Yang，Expanding generalityof surface-enhanced Raman spectroscopy with borrowing SERS activity strategy.Chem.Comm.2007，3514.)设计合成了金核过渡金属壳的双金属核壳结构纳米粒子，即在金纳米粒子上化学沉积一层极薄且无针孔的过渡金属层，借用内核金纳米粒子的极强的电磁场来增强吸附在过渡金属层上分子的拉曼振动信号。在一系列过渡金属(铂，钯，铑，钌，钴，镍等)上得到了非常好的SERS光谱，进一步将SERS的应用拓宽至具有极高催化价值的过渡金属上。但是需要检测的材料是多种多样的，不可能合成每一种材料的核壳结构纳米粒子，所以必须寻找一种通用的方法来检测各种基底上的拉曼信号。

到了2000年，随着针尖增强拉曼光谱(TERS)的发明，突破了这一局限性。它采用了一种针尖与探测基底分离的新工作模式，即TERS针尖在合适的激发光源条件下能产生极强的电磁场，如果能非常逼近待测基底就能增强各种形貌和材料基底上的拉曼信号，并且具有极高的空间分辨率。(B.Pettinger，B.Ren，G.Picardi，R.Schuster and G.Ertl，Nanoscale probingof adsorbed species by tip-enhanced Raman spectroscopy.Phys.Rev.Lett.2004，92，096101.)但是TERS技术只使用了一个针尖，这就导致它增强的拉曼信号比较弱，所以目前为止TERS的使用范围仅仅局限于一些拉曼散射截面比较大的探针分子。TERS的另一大局限性在于TERS针尖是裸露的，所以在气相或者溶液环境中，一些探针分子会很容易吸附在TERS在针尖上，产生的拉曼信号会远远强于来自待探测基底上的信号，这就势必会干扰实验，给出错误的信息。因此，需要从源头创新，发明新方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简单、快速、成本低、拉曼信号强、重现性好、结果准确的、通用的用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法。

本发明采用的技术方案是：

首先在金属纳米粒子表面包覆上一层极薄化学惰性且没有针孔的致密壳层，然后很简单地将这些纳米粒子“撒”在任何待测样品表面，利用内核金属纳米粒子极强的电磁场来增强待测样品表面吸附分子拉曼信号。

本发明包括以下步骤：

1)制备金属纳米粒子为内核，极薄壳惰性材料为外壳的壳层隔绝的核壳结构纳米粒子；

2)将纳米粒子均匀铺撒在待测样品表面；

3)直接进行表面增强拉曼光谱检测。

所述金属纳米粒子最好为金纳米粒子、银纳米粒子或铜纳米粒子等具有显著表面等离子体共振性质的金属纳米粒子。

所述金属纳米粒子最好为球形、立方体或棒状等各种形状的金属纳米粒子结构，所述金属纳米粒子的粒径最好为10～300nm。

所述外壳最好为二氧化硅外壳、氧化铝外壳、氮化硅外壳或二氧化钛外壳等化学惰性材料外壳。

所述外壳的厚度最好为1～20nm。

所述壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法检测的激发光源波长是400～1100nm。

本发明的原理是：

通过借用内核金属纳米粒子的高SERS活性来增强待测样品上的表面增强拉曼散射信号，即在具有极强电磁场的金属(金、银、铜)纳米粒子上包覆一层极薄化学惰性的且没有针孔的致密壳层(二氧化硅、氧化铝、氮化硅、二氧化钛等材料)，构成壳层隔绝纳米粒子，壳层厚度控制在几个纳米以内，然后将该纳米粒子置于待测样品表面，干燥后进行拉曼测试，利用内层金属纳米粒子的强的电磁场增强的长程效应，来增强底层待测样品表面的拉曼信号。

本发明采用包覆上极薄且无针孔的惰性致密壳层是为了保证所测得分子的拉曼信号是真正来自待测基底的，而不是来自于纳米粒子上的，起到一个隔绝的作用。但是壳层厚度又不能太厚，否则内核金或银纳米粒子的电磁场增强就无法起到很好的增强效果。所以必须控制壳层是惰性的，极薄且致密。

与现有的技术相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1)本发明的壳层隔绝纳米粒子的制备方法及原材料简单，其中内核金属纳米粒子的大小以及惰性壳层的厚度都是可控的。

2)本发明与针尖增强拉曼光谱技术相比较，一个壳层隔绝纳米粒子相当于一个TERS针尖，在实验中会有上千个纳米粒子被激发，这就极大地提高了本发明的检测灵敏度。

3)本发明的壳层隔绝纳米粒子，包覆上的化学惰性壳层能很好的把内核金属纳米粒子与外界隔绝开，以保证金属纳米粒子不会与探针分子接触，不会与基底发生作用，进而干扰实验，如金属纳米粒子的光催化作用，与基底的电子结构效应。所以本发明非常适用于气相和溶液体系。

4)本发明克服了以往SERS的两大局限性，基底材料的普适性和基底形貌的普适性。利用包覆在极薄惰性壳层之内金属纳米粒子的强电磁场增强长程效应，不但能在非传统的SERS基底材料上获得SERS信号，还能在光亮基底甚至单晶表面轻松的获得分子的拉曼振动信息。

5)本发明只需将壳层隔绝纳米粒子置于任何待测样品上就能得到待测样品的SERS信号，并且具有极高的检测灵敏度，使得我们能够获得更多探针分子与基底相互作用以及基底本身的信息，并为研究各种结构的表面增强机理提供实验依据。

6)本发明使得SERS技术应用范围拓宽，为真正使SERS这种高灵敏度的检测技术普遍应用于生产科研中奠定基础。

附图说明

图1为制备壳层隔绝纳米粒子的实验流程示意图。

图2为壳层隔绝纳米粒子的扫描电子显微镜图(SEM)和透射电子显微镜图(TEM)。

图3为有针孔和无针孔壳层隔绝纳米粒子在硅片上的拉曼光谱图。

图4为组装和没组装壳层隔绝纳米粒子的铂单晶面上氢吸附的拉曼光谱图。

图5为使用壳层隔绝纳米粒子与纯金属纳米粒子在拉曼光谱上的比较的示意图。

图6为比较壳层隔绝纳米粒子与纯金属纳米粒子在铂单晶面上一氧化碳吸附的拉曼光谱图。

图7为检测硅清洗工艺流程各个关键步骤中硅片表明面化学成键变化的拉曼光谱图。

图8为检测酵母细胞壁主要成分的拉曼光谱图。

图9为检测水果橙子表皮农药残留的拉曼光谱图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

一种壳层隔绝纳米粒子的制备：

图1给出壳层隔绝纳米粒子的实验流程示意图。

以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例，其具体制备方法是：

取200ml质量分数为0.01％的氯金酸水溶液，搅拌条件下加热至沸腾，然后加入1.4ml质量分数为1％的柠檬酸钠水溶液，并保持微沸40min，溶液由淡黄色逐渐变为棕红色，使其完全反应后自然冷却至室温，即得直径约为55±10nm的金纳米粒子溶胶。取30ml金纳米粒子溶胶作为种子，加入0.4ml浓度为1mM的氨基硅烷水溶液，室温下搅拌15min，然后加入3.2ml质量分数为0.54％的硅酸纳水溶液，搅拌2分钟后转移至温度约为98℃的水浴中，反应1h后水浴冷却至室温，即得薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子溶胶，其中二氧化硅壳层厚度约为4～5nm。

图2A是二氧化硅包金核壳结构纳米粒子的扫描电子显微镜图(SEM)，图2B是高分辩透射电子显微镜图(TEM)。在图2A中，标尺为0.5μm，在图2B中，从左到右标尺分别为20nm，20nm，20nm，40nm，5nm。从高分辩透射电镜中能非常清楚的看到金核表面包覆上了一层致密的二氧化硅薄壳层。

实施例2

检测壳层隔绝的核壳结构纳米粒子的壳层是否致密无针孔的SERS表征：

合成了有针孔的壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)和无针孔的纳米粒子进行对比，离心洗涤2次，分别取底部浓缩液分散光亮的硅片上，干燥后至于0.1M吡啶溶液中进行拉曼测试。

图3是实施例2的实验结果。在图3中，横坐标为拉曼位移。图3中曲线a代表有针孔二氧化硅包金纳米粒子的SERS谱图，出现了明显的1009cm^-1和1034cm^-1的吡啶在金上的特征拉曼谱峰。曲线b代表无针孔二氧化硅包金纳米粒子的SERS谱图，却没有出现任何吡啶吸附在金上的拉曼峰。这一实验结果表明合成的薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子是没有金“针孔”的，二氧化硅层包覆的是致密的。

实施例3

利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术研究单晶铂(111)表面铂-氢键的SERS行为：

把组装了壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)与没有组装粒子的铂单晶(111)面，分别在0.1M NaClO₄溶液中不同电位下进行SERS实验。

图4是实施例3的实验结果。在图4中，曲线a代表没有组装薄壳二氧化硅包金纳米粒子的铂单晶(111)面上的SERS谱图，并没有观察到这一频率区间的任何谱峰。曲线b代表组装了薄壳二氧化硅包金纳米粒子的铂单晶(111)面上的SERS谱图，出现了明显的2023cm^-1左右的铂-氢的特征伸缩振动峰，并且该峰经过了重水的验证实验。这一结果表明只有使用了壳层隔绝纳米粒子，才能增强铂单晶面上铂-氢键拉曼振动信号。

实施例4

比较使用壳层隔绝纳米粒子与使用纯金属纳米粒子在表面增强拉曼光谱上的区别：

使用纯金属纳米粒子与壳层隔绝纳米粒子相比较存在以下缺陷：

1、在气相或溶液相环境中，裸露的金属纳米粒子会吸附上一些探针分子，其产生的拉曼信号会远远强于来自待探测基底上的信号，这就势必会干扰实验，给出错误的信息。(图5A)

2、裸露的金属纳米粒子与探针分子直接接触，可能会导致探针分子吸附模式的变化以及其电子密度分布，在拉曼光谱上就会给出一些误导的信息。同时裸露的金属纳米粒子与探针分子的直接接触也很可能会发生一些光催化反应。(图5B)

3、裸露的金属纳米粒子与探测基底直接接触，由于两者的费米能级不一样，所以金属纳米粒子与探测基底之间就会产生电子转移，进而影响吸附分子的电子结构性质。(图5C)

而如果使用壳层隔绝纳米粒子，包覆上的极薄且无针孔的惰性致密壳层能很好的起到隔绝的作用，是为了保证所测得分子的拉曼信号是真正来自待测基底的，而不是来自于金属纳米粒子上的。同时也避免了金属纳米粒子与探针分子、探测基底的直接接触，不会发生光催化反应以及电子转移。(图5D)

下面以一氧化碳在铂单晶(111)上吸附为例说明以上问题。

在铂单晶(111)面上分别组装壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)与纯金纳米粒子，在饱和了一氧化碳的0.1MHClO₄溶液中进行电化学SERS实验。

图6是实施例4的实验结果。在图6中，曲线a代表使用纯金纳米粒子的SERS谱图，图中不但出现了2060cm^-1左右典型的一氧化碳在铂上的伸缩振动峰，还出现了2125cm^-1左右典型的一氧化碳吸附在金上的谱峰。而曲线b代表使用薄壳二氧化硅包金纳米粒子的SERS谱图，图中只有出现2072cm^-1左右典型的一氧化碳吸附在铂上的谱峰。同时仔细比较两个实验一氧化碳吸附在铂上的谱峰频率，发现使用纯金纳米粒子的拉曼谱峰位置明显红移了12cm^-1，这是由于金纳米粒子直接与铂单晶基底接触，两者之间产生一定的电子转移导致的。这些结果表明使用纯金纳米粒子来探测基底拉曼信号，得到的是收到了金干扰的拉曼信息，而只有只用了壳层隔绝纳米粒子才能得到待测基底真实的信息。

实施例5

利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法，现场探测硅表面处理工艺流程中，硅表面化学成键的变化：

模拟了硅表面处理工艺流程的关键步骤，将经过一定处理后的硅片表面进行浓硫酸清洗，然后再进行短暂的氢氟酸处理，最后再对硅片进行氧等离子清洗。将壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)分别撒在各个关键步骤的硅片上，现场探测硅片表面化学成键的变化。

图7是实施例5的实验结果。在图7中，曲线a代表将经过一定处理后的硅片表面进行浓硫酸清洗后的SERS谱图，并没有发现有硅一氢键的存在。曲线b代表进而再经过短暂的氢氟酸处理后的SERS谱图，发现表面出现了明显的2050cm^-1左右的硅-氢键的拉曼伸缩振动峰，曲线c代表再对硅片进行氧等离子体清洗后SERS谱图，发现硅-氢键的拉曼峰消失了。这一流程的实验结果表明只有在氢氟酸处理后，硅表面才会存在硅-氢键。

实施例6

利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法，研究活体细胞(酵母)表面结构：

将壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)与酵母细胞共同培养几个小时后，分散在石英窗片上进行拉曼检测。由于酵母细胞不会将纳米粒子吞入细胞内，所以这些纳米粒子大部分会吸附在酵母细胞壁表面，所以得到的拉曼谱峰也就主要是来自于细胞壁上的信息。

图8是实施例6的使用结果。在图8中，曲线a代表没有与薄壳二氧化硅包金纳米粒子共同培养的酵母细胞的拉曼谱图。曲线b，c，d分别代表在不同酵母细胞上测得的SERS谱图，两种谱图呈现非常大的区别。其中1166cm^-1，1414cm^-1，1488cm^-1，1587cm^-1这些峰与文献中甘露糖蛋白的SERS谱峰是一致的，而甘露糖蛋白被认为是酵母细胞壁的主要组成部分。这一实验结果表明用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法很好的探测了酵母细胞壁的主要成分，是现场检测活体细胞表面结构一种安全方便的方法。

实施例7

利用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法检测水果表皮农药残留

将壳层隔绝纳米粒子(以薄壳二氧化硅包金核壳结构纳米粒子为例)撒在喷洒过农药(甲基对硫磷，2ppm)并且干燥后的橙子表皮，喷洒过农药但是没有撒纳米粒子的橙子皮，以及没有喷洒过农药的橙子皮，分别使用便携式拉曼谱仪进行拉曼检测。只需要几十秒秒时间就可以完成现场检测。

图9是实施例7实验结果。在图9中，曲线a代表没有没有喷洒过农药的橙子皮的拉曼谱图，其中1165cm^-1和1526cm^-1峰是橙子皮中类胡萝卜素的特征谱峰。曲线b代表有喷洒过农药但是没有撒薄壳二氧化硅包金纳米粒子的拉曼谱图，它的特征与曲线a完全一样。曲线c代表喷洒过农药并且撒上了薄壳二氧化硅包金纳米粒子的SERS谱图，出现了明显1109cm^-1和1340cm^-1的峰，这2个峰是农药分子甲基对硫磷的特征谱峰。所以只有使用了壳层隔绝纳米粒子才能增强橙子表面残留农药的拉曼信号。这一结果表明用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱方法可以发展成为人们日常生活实践中一种非常方便快捷的检测手段。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以次限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制备金属纳米粒子为内核，惰性材料为外壳的壳层隔绝的核壳结构纳米粒子，所述金属纳米粒子为金纳米粒子、银纳米粒子或铜纳米粒子，所述外壳为二氧化硅外壳、氧化铝外壳、氮化硅外壳或二氧化钛外壳，所述外壳是没有针孔的致密外壳，所述外壳的厚度为1～20nm；

2)将纳米粒子均匀铺撒在待测样品表面；

3)直接进行表面增强拉曼光谱检测。

2.如权利要求1所述的用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法，其特征在于所述金属纳米粒子为球形金属纳米粒子、立方体金属纳米粒子或棒状金属纳米粒子。

3.如权利要求1或2所述的用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法，其特征在于所述金属纳米粒子的粒径为10～300nm。

4.如权利要求1所述的用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法，其特征在于所述壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法检测的激发光源波长是400～1100nm。