三維有序金納米殼結(jié)構(gòu)的可控制備及其SERS性能

饒艷英 李章良 黃建輝 姜宇杭 趙曉旭

（莆田學(xué)院環(huán)境與生物工程學(xué)院，福建省新型污染物生態(tài)毒理效應(yīng)與控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，生態(tài)環(huán)境及其信息圖譜福建省高等學(xué)校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，莆田351100）

表面增強(qiáng)拉曼光譜 （surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）是在普通拉曼光譜的基礎(chǔ)上，依靠具有拉曼活性的金屬材料來(lái)增強(qiáng)普通拉曼信號(hào)的一門新興分析技術(shù)手段，已逐漸發(fā)展成為目前常用的一種簡(jiǎn)單快速的分析方法。表面增強(qiáng)拉曼光譜不僅能提供分子的結(jié)構(gòu)信息，而且具有高靈敏度、高選擇性、受水和熒光信號(hào)干擾小的優(yōu)點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于食品安全的監(jiān)控[1-3]、環(huán)境污染物檢測(cè)[4-5]、臨床診斷[6-7]、生化分析[8]等諸多領(lǐng)域中，而高效的SERS基底是SERS得以廣泛應(yīng)用的前提。

由于表面粗糙的金、銀納米材料具有優(yōu)異的SERS增強(qiáng)效果，而中空多孔納米材料具有更大的比表面積可吸附更多的待測(cè)分子，聯(lián)合有序納米材料的小尺寸效應(yīng)、周期性結(jié)構(gòu)及相鄰結(jié)構(gòu)單元間的相互作用，使得有序中空多孔金納米材料作為SERS基底在痕量分析上具有更廣泛的應(yīng)用，甚至能提高拉曼檢測(cè)靈敏度達(dá)到單分子水平[9-10]。特別是金納米材料靈活的光調(diào)節(jié)功能[11]、優(yōu)良的生物相容性和光化學(xué)穩(wěn)定性受到國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者的廣泛關(guān)注，并發(fā)展了一系列方法實(shí)現(xiàn)有序多孔金納米材料的制備，包括電子束平板印刷法（electron-beam lithography）[12]、 電 化 學(xué) 刻 蝕 法 （electrochemical etching）[13-14]、自組裝法（self-assembly）[15]、微接觸印刷（micro-contact printing）法[16]、及膠體晶模板法（particle-array template methods）[17]等。 實(shí)驗(yàn)利用 SiO2光子晶體為模板，H2O2為還原劑，原位制備了大面積具有可控表面形貌及周期性中空多孔結(jié)構(gòu)的有序金納米殼材料，此材料粗糙的表面結(jié)構(gòu)顯示出優(yōu)越的SERS增強(qiáng)效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與試劑

二氧化硅（SiO2）水溶膠（粒徑～330 nm）購(gòu)于日本Nissan 公 司 ；γ-氨 基 丙 基 三 乙 氧 基 硅 烷 （APTES，97%）購(gòu)于美國(guó) Sigma 公司；氯金酸（HAuCl4·4H2O）、硼氫 化鈉 （NaBH4）、碳 酸 鉀 （K2CO3）、過(guò) 氧 化 氫（H2O2，30%）和無(wú)水乙醇（C2H6O，99%）均為國(guó)產(chǎn)分析純?cè)噭?；拉曼探針?lè)肿幽崃_藍(lán)A（NBA）購(gòu)于Sigma-Aldrich公司。

1.2 SiO2膠體晶體模板的制備

SiO2膠體水洗5次，無(wú)水乙醇洗5次后分散于乙醇中配成 200 mL溶膠 （濃度為 0.076 g·mL-1），加入1.771 mL APTES，40℃攪拌過(guò)夜[18]。后將上述溶液用無(wú)水乙醇超聲清洗5～6次以去除多余的APTES。最后以轉(zhuǎn)速5 000 r·min-1離心20 min。棄底部沉淀及上層清液，取中間層乳液配制成0.5%（V/V）SiO2膠體溶液。將洗凈的載玻片垂直浸入盛有SiO2膠體溶液的染色缸中，開蓋，將整個(gè)裝置放置在無(wú)震動(dòng)的實(shí)驗(yàn)桌上，經(jīng)過(guò)72 h乙醇自然揮發(fā)，取出載玻片，自然風(fēng)干，載玻片的兩表面生長(zhǎng)出SiO2膠體晶體（2 cm×3.1 cm）。

1.3 三維有序SiO2/GNPs陣列的制備

取200 mL 4℃純水在攪拌狀態(tài)下快速加入3 mL 1%HAuCl4溶液，待其在溶液中分散均勻后（約10 min）加入 1 mL 0.2 mol·L-1的 K2CO3溶液，攪拌數(shù)分鐘后快速加入新鮮配制的0.5 mg·mL-1NaBH4溶液9 mL[18]。反應(yīng)溶液由淺黃色變?yōu)樽虾谏僮優(yōu)榫萍t色，說(shuō)明有金納米粒子（GNPs）的生成。取5片制備好的SiO2膠體晶體放入100 mL不斷攪拌中的上述制備的GNPs膠體溶液中吸附反應(yīng)6 h。通過(guò)靜電吸附作用，GNPs吸附到SiO2-APTES表面，形成SiO2/GNPs陣列。

1.4 三維有序金納米殼（GNSs）陣列的制備

1.4.1 K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液的配制

稱取150 mg的K2CO3溶于600 mL超純水中，攪拌10 min后加入9 mL濃度為1%的HAuCl4溶液，攪拌至溶液顏色由黃色逐漸變?yōu)闊o(wú)色，制備成K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液[19]。而后取40 mL上述生長(zhǎng)液于燒杯中，快速加入 100 μL H2O2，反應(yīng) 30 min。 為了研究GNSs陣列在不同生長(zhǎng)階段的特性，在K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液充足的前提下取H2O2濃度分別 為 25、50、75、100、125、150、175、200、250 和 300 μmol·L-1，以上的濃度均是 H2O2的終濃度（40.1 mL的反應(yīng)溶液）。在保持 K2CO3-HAuCl4120 mL，H2O2濃度 200 μmol·L-1的溶液中，分別加入 3、4、5 片上述SiO2/GNPs陣列反應(yīng)，研究有序GNSs陣列的生長(zhǎng)。

1.5 表 征

形貌表征采用Zeiss Ultra-Plus掃描電子顯微鏡（SEM，工作電壓15 kV），拉曼光譜儀為Renishaw Invia Reflex顯微共聚焦拉曼光譜儀，配備的顯微鏡為萊卡（Leica）顯微鏡；CCD（Charge-coupled Device）的冷卻選用了皮爾特（Pelier）冷卻方式，CCD的校正采用單晶硅的一級(jí)峰520 cm-1為基準(zhǔn)；激光波長(zhǎng)選擇785 nm，工作模式為線聚焦模式，激光功率為～0.06 mW；聚焦選用50倍長(zhǎng)焦物鏡，激光光斑大小約為2 μm；曝光時(shí)間選擇10 s累積2次，對(duì)應(yīng)的光柵選擇1 200 mm-1；每個(gè)SERS光譜測(cè)量5次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 有序GNSs陣列的制備

GNSs陣列及其中空多孔結(jié)構(gòu)制備過(guò)程如圖1所示。在H2O2介導(dǎo)三維有序GNSs陣列形成體系中，H2O2作為還原劑，將AuCl4-還原生成Au，其反應(yīng)過(guò)程如下：

圖1 GNSs陣列及其中空多孔結(jié)構(gòu)制備示意圖Fig.1 Schematic illustration of the fabrication for GNSs array and porous nanostructure

該方法首先對(duì)SiO2內(nèi)核的表面進(jìn)行氨基化使之帶正電后分散于乙醇相中，通過(guò)垂直自組裝方法[20]將其有序組裝在玻璃基面底上形成SiO2膠體晶，然后通過(guò)靜電吸附作用將帶負(fù)電的膠體GNPs吸附在SiO2表面形成SiO2/GNPs陣列，再以H2O2為還原劑還原AuCl4-，還原出來(lái)的Au以SiO2/GNPs陣列表面的GNPs為成核位點(diǎn)選擇性的沉積在SiO2/GNPs表面的GNPs上，使GNPs逐漸長(zhǎng)大且彼此間間距逐漸減小、連接直至最終形成完整的GNSs。制備的有序GNSs結(jié)構(gòu)可根據(jù)需要于4%HF溶液中去除SiO2內(nèi)核，得到中空的三維有序多孔金納米材料。

可通過(guò)調(diào)節(jié)各反應(yīng)參數(shù)如反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、H2O2的濃度、SiO2/GNPs陣列及 K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液的量等從而達(dá)到對(duì)此有序GNSs陣列的可控制備。在生長(zhǎng)液過(guò)量，特定H2O2的濃度的情況下，隨著反應(yīng)時(shí)間的進(jìn)行，GNPs慢慢生長(zhǎng)直至30 min后長(zhǎng)成完整的金殼層。同樣，反應(yīng)溫度對(duì)殼的生長(zhǎng)也有影響，此反應(yīng)是在溫和的條件下進(jìn)行的，由于K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液是置于4℃冰箱保存?zhèn)溆茫芍苯尤〕鍪褂?。在低溫條件下，AuCl4-被緩慢還原成Au，以SiO2/GNPs陣列表面的GNPs為成核位點(diǎn)選擇性地沉積在GNPs上[21]，有利于殼的形成。當(dāng)溫度過(guò)高，AuCl4-的還原速度過(guò)快，被還原出來(lái)的Au難以快速沉積在SiO2/GNPs表面的GNPs上，而會(huì)在生長(zhǎng)液中成核生長(zhǎng)，反應(yīng)溶液由無(wú)色變至紫紅色，說(shuō)明溶液中有金納米粒子的形成，不利于GNSs陣列的生長(zhǎng)。因此，以下有序GNSs陣列的制備反應(yīng)都選擇在4℃生長(zhǎng)液中反應(yīng)30 min。

2.2 H2O2濃度對(duì)有序GNSs陣列制備的調(diào)控

為了研究GNSs陣列在不同生長(zhǎng)階段的表面形貌，用掃描電鏡（SEM）對(duì)SiO2/GNPs陣列和不同生長(zhǎng)階段的GNSs陣列的形貌進(jìn)行了表征。圖2為在生長(zhǎng)液過(guò)量條件下，通過(guò)控制所用的H2O2濃度得到GNSs陣列在不同生長(zhǎng)階段的SEM圖。

圖2 樣品的掃描電鏡圖:（A）SiO2內(nèi)核直徑為330 nm的有序SiO2/GNPS陣列;在SiO2內(nèi)核直徑為330 nm,100 μmol·L-1 （B）和 250 μmol·L-1 （C）H2O2 及在 SiO2內(nèi)核直徑為 180 nm,200 μmol·L-1H2O2（D）下制備的有序 GNSs陣列Fig.2 SEM images of the samples:（A）SiO2/GNPs array with core of 330 nm;（B）GNSs array produced by using SiO2/GNPs array with core of 330 nm upon reaction with 100 μmol·L-1 （B）,250 μmol·L-1（C）H2O2,and SiO2/GNPs array with core of 180 nm upon reaction with 200 μmol·L-1H2O2 （D）

由圖2A可見(jiàn)，在粒徑～330 nm的SiO2表面吸附了大量3～5 nm的GNPs，這些GNPs將為H2O2還原出來(lái)的Au提供附著位點(diǎn)；圖2B、C分別為100和 250 μmol·L-1H2O2濃度下反應(yīng) 30 min 后的GNSs陣列的SEM圖。由此可見(jiàn)，隨著反應(yīng)體系中H2O2濃度的增加，SiO2/GNPs陣列表面的GNPs將會(huì)逐漸長(zhǎng)大，直至彼此粘連、成片，并在SiO2表面形成一層完整的金殼層，而隨著H2O2濃度的繼續(xù)增加，被還原出的Au還會(huì)繼續(xù)在金殼層表面堆積，填滿殼與殼之間的間隙。這主要是由于隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H2O2還原產(chǎn)生的Au選擇性的以SiO2/GNPs表面的GNPs為成核位點(diǎn)不斷進(jìn)行沉積。因此，反應(yīng)體系中H2O2的濃度越高，被還原出來(lái)的Au就越多，SiO2/GNPs陣列表面的GNPs越長(zhǎng)越大，GNPs之間的間距則隨之越來(lái)越小，直至SiO2陣列表面形成完整的金殼層。之后，隨著反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，被還原出的Au繼續(xù)沉積在GNSs陣列的表面而長(zhǎng)成更厚的金殼層，直至將空隙填滿，形成表面粗糙的金納米結(jié)構(gòu)。但如果繼續(xù)增大H2O2濃度至超過(guò)300 μmol·L-1，此時(shí)反應(yīng)液易由原來(lái)的無(wú)色變成紫紅色，這可能是由于H2O2濃度過(guò)大導(dǎo)致反應(yīng)速度過(guò)快，被還原的Au難以快速沉積在SiO2表面而在溶液中成核生長(zhǎng)所致。因此，為調(diào)節(jié)有序GNSs陣列的可控生長(zhǎng)，此反應(yīng) H2O2濃度宜控制在 0～300 μmol·L-1之間。此反應(yīng)對(duì)不同的SiO2內(nèi)核直徑都可適用，圖2D 為在 200 μmol·L-1H2O2作用下，SiO2內(nèi)核直徑為180 nm的有序GNSs陣列的掃描電鏡圖。

2.3 SiO2/GNPs陣列加入量對(duì)有序GNSs陣列制備的調(diào)控

為了實(shí)現(xiàn)有序GNSs陣列的批量生產(chǎn)，我們研究了在 200 μmol·L-1H2O2濃度，120 mL 生長(zhǎng)液作用下加入3～5片 SiO2/GNPs陣列的生長(zhǎng)過(guò)程，圖3A～C分別為加入 5、4、3片 SiO2內(nèi)核直徑為 180 nm的SiO2/GNPs陣列的SEM圖。由圖中結(jié)構(gòu)我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)多片進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，只要生長(zhǎng)液量足夠，也能形成完整的金殼層（圖3C），但有趣的是，當(dāng)生長(zhǎng)液量不足時(shí)，被還原出的Au會(huì)先在空隙內(nèi)生長(zhǎng)，而后逐漸形成完整的金殼層，這從圖3A～C可以看出。這主要是由于SiO2表面的GNPs不僅充當(dāng)了成核位點(diǎn)，也是該反應(yīng)的催化劑，而由于多片載玻片并列排列，片與片之間間隔較小，隨著生長(zhǎng)液的快速攪動(dòng)，導(dǎo)致形成流體流過(guò)，縮短了生長(zhǎng)液中HAuCl4與表面GNPs的接觸時(shí)間，還原的Au不能及時(shí)沉積到GNPs上；相反，生長(zhǎng)液進(jìn)入到SiO2/GNPs陣列空隙內(nèi)，在里面的停留時(shí)間較長(zhǎng)，與生長(zhǎng)液反應(yīng)生成的Au先在空隙內(nèi)及下層SiO2/GNPs陣列的GNPs上成核生長(zhǎng)、沉積，這點(diǎn)從圖3D中也可以看出。圖3D為相同條件下加入4片SiO2內(nèi)核直徑為330 nm的SiO2/GNPS陣列下制備的有序GNSs陣列的掃描電鏡圖，由于SiO2內(nèi)核增大，核與核之間的空隙增大，可以從圖中清晰的看出下層的SiO2/GNPS陣列表面形成了完整的金殼層。而當(dāng)載玻片較少，即生長(zhǎng)液過(guò)量時(shí)，此反應(yīng)會(huì)由內(nèi)慢慢往外延伸至整個(gè)SiO2表面，直至形成完整的金殼層，結(jié)果如圖3C所示。因此，通過(guò)控制反應(yīng)攪拌速度、反應(yīng)時(shí)間、H2O2及生長(zhǎng)液的量等參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)GNSs陣列的批量可控生長(zhǎng)。

圖3 在200 μmol·L-1H2O2,120 mL生長(zhǎng)液中分別加入內(nèi)核直徑為 180 nm 的 5 片 （A）,4 片 （B）,3 片（C）SiO2,內(nèi)核直徑為 330 nm 的 4 片 SiO2（D）的SiO2/GNPS陣列下制備的有序GNSs陣列的掃描電鏡圖Fig.3 SEM images of GNSs array produced by using 200 μmol·L-1H2O2,120 mL K2CO3-HAuCl4upon reaction with 5 （A）,4 （B）,3 （C）tablets of SiO2/GNPs arrays with core of 180 nm and 4 tablets of SiO2/GNPs arrays with core of 330 nm （D）

2.4 中空多孔金納米材料的制備

若將制備的有序GNSs結(jié)構(gòu)放入4%HF溶液中，HF與載玻片及SiO2內(nèi)核反應(yīng)，使得有序GNSs結(jié)構(gòu)從載玻片中脫離，并腐蝕掉SiO2內(nèi)核，形成中空的三維有序多孔金納米薄膜漂浮在溶液表面，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖4A、B可知，去除SiO2內(nèi)核后，材料的正表面沒(méi)有明顯的變化，仍保持金納米殼的結(jié)構(gòu)。圖4C為結(jié)構(gòu)的反面，即原附著在載玻片的那面，可以看出明顯的多孔結(jié)構(gòu)，且此結(jié)構(gòu)為多層結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，此三維有序多孔金納米薄膜結(jié)構(gòu)層數(shù)與SiO2內(nèi)核有明顯的關(guān)系，當(dāng)SiO2內(nèi)核尺寸越大，核間間距越大，金納米粒子越容易沉積到下層SiO2表面，從而更易形成多層多孔金納米結(jié)構(gòu)。

圖4 有序GNSs陣列 （A）去除直徑為330 nm的SiO2內(nèi)核后得到中空多孔金納米材料的正面（B）,反面 （C）,截面 （D）的掃描電鏡圖Fig.4 SEM images of GNSs array with core of 330 nm（A）,porous gold nanostructure of obverse side（B）,reverse side （C）and two sides （D）

2.5 材料的SERS性能

2.5.1 不同生長(zhǎng)程度下基底的SERS增強(qiáng)效果

NBA又稱為耐爾藍(lán)或硫酸尼羅藍(lán)，是一種常見(jiàn)的生物染料分子，由于NBA分子的拉曼信號(hào)具有很強(qiáng)的特異性，同時(shí)可以與有序GNSs陣列表面緊密結(jié)合吸附，因此選擇NBA為拉曼探針?lè)肿樱匝芯縂NSs陣列的SERS活性。在NBA的特征峰中，592 cm-1處的強(qiáng)度比較強(qiáng)，它與1 638 cm-1的拉曼位移為NBA中帶正電的氮產(chǎn)生的[22]。為比較不同材料的增強(qiáng)效果，均選取592 cm-1處特征峰強(qiáng)度進(jìn)行比較。圖5為不同生長(zhǎng)程度的GNSs陣列的SERS譜圖，通過(guò)控制H2O2濃度以制備不同生長(zhǎng)程度的有序GNSs陣列，并以此為SERS基底測(cè)其拉曼光譜圖，這些拉曼光譜圖都顯示了NBA分子的特征峰，特別是由帶正電的氮離子產(chǎn)生的位于592 cm-1處峰的增強(qiáng)效果非常明顯。從該圖中可以看出，GNSs陣列生長(zhǎng)的程度越大，即制備時(shí)所用的H2O2越多，以其為SERS基底的NBA的拉曼信號(hào)就越強(qiáng)，意味著該有序GNSs陣列的SERS活性越大。為研究SiO2內(nèi)核尺寸對(duì)SERS活性的影響，分別選用內(nèi)核為180和330 nm的SiO2制備GNSs陣列，其SERS圖如圖5A所示，由圖可知，2種內(nèi)核尺寸的有序GNSs陣列的SERS活性都隨加入H2O2濃度的增大而增加， 直至 H2O2濃度為200 μmol·L-1時(shí)達(dá)到最大，而后繼續(xù)增大H2O2濃度，其SERS活性反而有少量下降。圖6A為對(duì)應(yīng)系列H2O2濃度下GNSs陣列的生長(zhǎng)過(guò)程的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖，可見(jiàn)隨著 H2O2加入量由 0 到 250 μmol·L-1，最大吸收峰發(fā)生紅移（由515 nm遷移到682 nm），并伴隨著吸光度的不斷增強(qiáng)。

結(jié)合掃描電鏡圖可知，H2O2濃度為 200 μmol·L-1時(shí)，SiO2表面已完全被還原的Au覆蓋，并形成了表面粗糙、殼與殼之間間隙較小的有序GNSs陣列，由于粗糙表面的縫隙及殼間間隙所形成的“納米溝”產(chǎn)生的大量 “熱點(diǎn)”使其SERS活性達(dá)到最大[23-24]。在此生長(zhǎng)過(guò)程中SERS活性的增強(qiáng)主要?dú)w結(jié)于兩方面的貢獻(xiàn)：（1）表面Au覆蓋率越高，使吸附在金表面的拉曼探針?lè)肿訑?shù)增多；（2）表面Au覆蓋率越高，等離子吸收越強(qiáng)，且表面越粗糙，提供的SERS“熱點(diǎn)”越多，對(duì)應(yīng)的SERS活性也越強(qiáng)。而后繼續(xù)增大 H2O2濃度至250 μmol·L-1后， 被還原的Au繼續(xù)沉積，將殼間間隙填滿，故殼間間隙所產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”消失，SERS活性降低。此后再繼續(xù)增大H2O2濃度到 300 μmol·L-1以上，金納米粒子開始在溶液中生長(zhǎng)，SiO2表面Au的覆蓋率下降，導(dǎo)致其SERS活性也降低，故選擇最佳H2O2濃度為200 μmol·L-1。 此外，研究發(fā)現(xiàn)，SiO2內(nèi)核尺寸的大小對(duì)其SERS活性的影響不大，主要影響取決于材料表面Au的覆蓋量及表面的粗糙程度。

圖5 以1 μmol·L-1NBA為探針?lè)肿?在不同濃度H2O2作用下得到的有序GNPs陣列的SERS譜圖Fig.5 SERS spectra of 1 μmol·L-1NBA on different ordered GNPs arrays prepared using H2O2with different concentrations

圖7 為通過(guò)調(diào)節(jié)SiO2/GNPs陣列的加入量控制GNSs陣列的生長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的SERS譜圖，由圖可知，在 200 μmol·L-1H2O2濃度，120 mL 生長(zhǎng)液作用下加入5片SiO2/GNPs陣列，其SERS活性較弱，加入4片其次，加入3片后達(dá)到最強(qiáng)，主要是由于此時(shí)生長(zhǎng)液足量，材料表面完全被還原的Au覆蓋，同樣可形成表面粗糙、殼間間隙較小的有序GNSs陣列（圖3C），使其SERS活性達(dá)到最大。此研究結(jié)果表明，在相同條件下，加入的SiO2/GNPs陣列越少，表面沉積的Au越多，使得SiO2/GNPs生長(zhǎng)成完整而表面粗糙的金殼層，其顯示的SERS活性也越強(qiáng)，通過(guò)控制SiO2/GNPs陣列的加入量同樣可以控制GNSs的厚度和表面形貌使其SERS活性達(dá)到最大[24]，說(shuō)明只要K2CO3-HAuCl4生長(zhǎng)液足量，通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)此種SERS基底的批量生產(chǎn)。2.5.2 不同材料的SERS增強(qiáng)效果

圖6 （A）在不同H2O2濃度下SiO2內(nèi)核直徑為180 nm的GNSs陣列生長(zhǎng)過(guò)程的紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖;（B）對(duì)應(yīng)的吸收峰位移（黑色）及吸收峰強(qiáng)度（紅色）Fig.6 （A）UV-Vis absorption spectra of the GNSs array growth process under a series of H2O2concentration;（B）Corresponding absorption peak displacement（black）and absorption peak intensity （red）

圖7 以1 μmol·L-1NBA為探針?lè)肿?在相同條件下加入3～5片有序SiO2/GNPs陣列作用下的反應(yīng)后產(chǎn)物的SERS譜圖Fig.7 SERS spectra of 1 μmol·L-1NBA on different ordered GNSs arrays prepared by different SiO2/GNPs arrays dosages

為比較不同結(jié)構(gòu)有序GNSs陣列的SERS增強(qiáng)效果，將不同SiO2內(nèi)核的有序GNSs陣列與中空GNSs陣列同時(shí)浸泡在 10 mL濃度為 0.1 μmol·L-1NBA溶液中20 min，取出后自然風(fēng)干，分別測(cè)定拉曼光譜圖，測(cè)量結(jié)果如圖8所示。從殼的上層測(cè)定SERS結(jié)果顯示，去除SiO2內(nèi)核后的中空結(jié)構(gòu)比未去除SiO2內(nèi)核的有序GNSs陣列具有更強(qiáng)的SERS活性；而去除SiO2內(nèi)核后的中空結(jié)構(gòu)從反面測(cè)其拉曼光譜卻顯示出更低的SERS活性。產(chǎn)生此種現(xiàn)象的主要原因如下：（1）有序GNSs陣列表面粗糙，表面金納米粒子間存在一定的間隙，且殼與殼之間間隙較小，產(chǎn)生了足夠的“熱點(diǎn)”而具有強(qiáng)的SERS活性[25]。（2）從圖4中可看出，去除內(nèi)核后，材料上表面結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯變化，SERS活性仍存在，且中空結(jié)構(gòu)提供了大量的空腔，激光穿透入下層，增強(qiáng)了層與層之間的SERS活性，而且此種中空結(jié)構(gòu)明顯地增大了材料的比表面積，能吸附更多的拉曼探針?lè)肿?，致使SERS活性得到更大的增強(qiáng)。（3）從去除內(nèi)核后中空材料的反面看（圖4C），上表面Au的覆蓋明顯減小，減小了金納米粒子之間的SERS活性，且材料孔隙較大，殼與殼之間的SERS活性減弱;同時(shí)上表面Au的覆蓋量減小也減小了NBA在上表面的吸附位點(diǎn)，而激光聚焦穿透深度有限，主要增強(qiáng)效果來(lái)自上層，使得從材料反面測(cè)定其SERS活性整體弱于有序GNSs陣列。

圖8 以0.1 μmol·L-1NBA為探針?lè)肿?不同基底的SERS譜圖Fig.8 SERS spectra of 0.1 μmol·L-1NBA on different SERS substrates

圖9 純4-ATP的拉曼光譜 （A）和有序GNSs陣列 （B）,中空GNSs陣列正面 （C）,中空GNSs陣列反面 （D）為基底,以1 μmol·L-14-ATP為探針?lè)肿拥腟ERS譜圖Fig.9 （A）Raman spectrum of pure 4-ATP and SERS spectra of 1 μmol·L-14-ATP on ordered GNSs array （B）,and ordered porous gold nanostructure of obverse side （C）,reverse side （D）

研究結(jié)果表明，SiO2內(nèi)核為180和330 nm的有序GNSs陣列材料都顯示出同樣的結(jié)果，即SERS活性順序?yàn)椋河行蛑锌誈NSs陣列正面＞GNSs陣列＞反面多孔結(jié)構(gòu)。比較圖8A、B還發(fā)現(xiàn)，SiO2內(nèi)核大小的改變對(duì)SERS活性的影響并不明顯。因此，金納米殼材料SERS活性的大小主要取決于以下兩方面：一是材料表面的結(jié)構(gòu)，表面Au覆蓋率越高，表面越粗糙，SERS活性越強(qiáng)；二是材料比表面積，比表面積越大，吸附拉曼探針?lè)肿釉蕉?，SERS活性也越強(qiáng)。為此，本研究制備的有序中空GNSs陣列綜合了上述兩方面的優(yōu)點(diǎn)，極大的增強(qiáng)了材料的SERS活性。

為更好地證實(shí)此有序中空GNSs陣列的SERS活性，再將不同SiO2內(nèi)核的有序GNSs陣列與中空GNSs陣列同時(shí)浸泡在 10 mL 濃度為 1 μmol·L-1的對(duì)氨基苯硫酚（4-aminothiophenol，4-ATP）溶液中 20 min，取出自然風(fēng)干后分別測(cè)其拉曼光譜圖，結(jié)果如圖9所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明中空有序GNSs陣列具有最強(qiáng)的SERS活性，其次是有序GNSs陣列，中空GNSs陣列反面的多孔結(jié)構(gòu)SERS活性最弱。

2.5.3 SERS增強(qiáng)因子計(jì)算

為進(jìn)一步研究材料的SERS增強(qiáng)活性，采用分析增強(qiáng)因子 （analytical enhanced factor，AEF）對(duì)其SERS增強(qiáng)因子進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下[26]：

其中，ISERS代表了有SERS增強(qiáng)基底時(shí)所得光譜中某一特征峰的強(qiáng)度；IRS代表在沒(méi)有SERS基底時(shí)所得光譜中同一特征峰的強(qiáng)度；CSERS和CRS分別代表了各自測(cè)定的濃度。所有測(cè)定條件如激光波長(zhǎng)、激光功率、激光光斑、聚焦模式等均一致。計(jì)算選用NBA為拉曼探針?lè)肿?，選擇CRS=0.01 mol·L-1和CSERS=0.1 μmol·L-1下對(duì)應(yīng)的 592 cm-1處的特征峰強(qiáng)度為比較對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，其特征峰強(qiáng)度IRS為1 203 counts，ISERS如圖8所示,計(jì)算后對(duì)應(yīng)AEF值列在表1中。

表1 不同SERS基底的AEFTable 1 AEF calculated for different SERS substrates

3 結(jié) 論

采用金種子生長(zhǎng)法，以H2O2為還原劑，還原HAuCl4成Au沉積在SiO2膠體晶體模板表面制備出三維有序GNSs陣列，并以此為SERS基底研究了其生長(zhǎng)過(guò)程中SERS活性的改變。結(jié)果表明，通過(guò)控制反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、還原劑H2O2及生長(zhǎng)液K2CO3-HAuCl4的量等參數(shù)可實(shí)現(xiàn)三維有序GNSs陣列的可控批量制備，并可根據(jù)需要去除SiO2內(nèi)核得到中空有序GNSs結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，材料的SERS性能與其殼層厚度及表面形貌密切相關(guān)，且去除SiO2內(nèi)核后的中空有序GNSs結(jié)構(gòu)顯示出更優(yōu)異的SERS活性。此制備方法簡(jiǎn)單、高效，整個(gè)制備過(guò)程無(wú)需復(fù)雜昂貴的儀器，得到的有序GNSs陣列及其中空結(jié)構(gòu)可作為良好的SERS基底應(yīng)用于食品安全監(jiān)控、痕量分析、生化分析等諸多領(lǐng)域。

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