銀納米山脈增強(qiáng)基底的原位合成及在表面增強(qiáng)紅外光譜傳感中的應(yīng)用

曹鳳娟 程曉偉 武烈 姜秀娥

摘 要：衰減全反射表面增強(qiáng)紅外吸收光譜（ATRSEIRAS）因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)受到越來越多的關(guān)注。然而， 兼具低成本、高靈敏性和簡(jiǎn)易制備特性的增強(qiáng)基底仍非常缺乏， 這極大地限制了SEIRAS技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展及應(yīng)用。本研究采用化學(xué)沉積的銀納米粒子， 經(jīng)一步簡(jiǎn)單的配體誘導(dǎo)， 制備了類山脈的銀納米結(jié)構(gòu)。三維時(shí)域有限差分模擬顯示，此結(jié)構(gòu)能夠有效地與中紅外光耦合， 產(chǎn)生強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)， 展示出作為紅外光譜增強(qiáng)基底的潛力。SEIRAS研究表明， 此基底對(duì)模式分子對(duì)巰基苯胺的增強(qiáng)性能優(yōu)于廣泛應(yīng)用的金納米島膜增強(qiáng)基底， 對(duì)牛血清白蛋白的定量分析范圍為5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7 mol/L， 在紅外傳感領(lǐng)域顯示出極大的潛力。

關(guān)鍵詞：表面增強(qiáng)紅外光譜; 增強(qiáng)基底; 銀納米山脈; 對(duì)巰基苯胺; 牛血清白蛋白

1 引 言

在表面科學(xué)和電化學(xué)領(lǐng)域， 衰減全反射表面增強(qiáng)紅外吸收光譜（ATRSEIRAS）因其具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而受到越來越多的關(guān)注。衰減全反射與金屬薄膜基底的增強(qiáng)效應(yīng)相結(jié)合， 賦予ATRSEIRAS超高的信號(hào)靈敏度（可探測(cè)低至10Symbolm@@5的信號(hào)變化）、簡(jiǎn)單的表面選律（垂直于金膜表面的振動(dòng)偶極矩得到增強(qiáng)）和光學(xué)近場(chǎng)效應(yīng)（消除本體溶液的干擾）[1，2]。通過表面增強(qiáng)紅外吸收光譜技術(shù)可以無損免標(biāo)記地實(shí)時(shí)探測(cè)分析物在界面處的各種化學(xué)鍵的細(xì)微振動(dòng)變化， 在研究蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)功能關(guān)系[3]、分子識(shí)別[4]、生物/仿生膜的界面相互作用[5]， 以及小分子的表面催化機(jī)理解析[6]等方面具有突出優(yōu)勢(shì)。隨著生物分析檢測(cè)研究的不斷發(fā)展， 為了實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)易快捷、更靈敏的檢測(cè)， 以及表面增強(qiáng)紅外光譜技術(shù)的大規(guī)模廣泛應(yīng)用， 增強(qiáng)基底的研究備受關(guān)注， 如Adato[7]和Brown[8] 等通過真空氣相沉積、電子束和等離子體刻蝕技術(shù)， 制作出許多結(jié)構(gòu)規(guī)整的圖案化紅外增強(qiáng)基底材料， 如金納米天線、金傘結(jié)構(gòu)等。雖然這些方法制備的基底均具有很好的增強(qiáng)效果， 但制備過程復(fù)雜， 相關(guān)儀器稀少而昂貴， 需要消耗大量原料， 僅能在少數(shù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)。目前普遍采用的增強(qiáng)基底仍是化學(xué)沉積法制備的金島膜[1]。因此， 制備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、檢測(cè)信號(hào)更加靈敏的紅外增強(qiáng)基底引起了廣泛關(guān)注。 Fasasi等[9]通過化學(xué)沉積法在Ge基底上鍍Cu， 考察了對(duì)硝基苯甲酸在銅膜和銀膜上的吸附定向問題; Rao等[10]通過化學(xué)沉積法在Ge基底上還原AgClPVP膠體粒子， 制備了堆積型非均勻AgNPs， 制備時(shí)間20 h; Cai等[11]首先合成Fe3O4納米粒子和Au納米粒子， 然后通過靜電相互作用合成Fe3O4/Au磁性納米復(fù)合材料， 再將復(fù)合材料與檢測(cè)分子混合， 滴加到石英片表面烘干， 通過調(diào)控磁場(chǎng)的大小控制復(fù)合材料的電磁“熱點(diǎn)”; Zhang等[12]通過兩步金種生長(zhǎng)法制備了不同厚度的SiO2@Au 核殼結(jié)構(gòu)， 發(fā)現(xiàn)薄層結(jié)構(gòu)更有利于探針分子的紅外信號(hào)增強(qiáng)。本研究組通過一步化學(xué)沉積法在Si基底上鍍r(jià)GO島膜， 并用于特殊芳香分子的檢測(cè)[13]。但上述這些方法同樣存在結(jié)構(gòu)制備耗時(shí)長(zhǎng)、均勻性差、重現(xiàn)性不佳和檢測(cè)靈敏性度低等問題。

本研究采用簡(jiǎn)便的配體誘導(dǎo)法， 在硅表面原位形成了均勻的、非常規(guī)生長(zhǎng)模式的類似連綿山脈的銀納米結(jié)構(gòu)。此銀納米結(jié)構(gòu)能夠與中紅外光發(fā)生有效耦合， 產(chǎn)生較強(qiáng)電磁“熱點(diǎn)”效應(yīng)， 適用于表面增強(qiáng)紅外光譜傳感分析， 并將其用于光譜指紋圖譜檢測(cè)痕量牛血清白蛋白（Bovine serum albumin， BSA）。此銀納米增強(qiáng)基底不僅制備簡(jiǎn)單、成本低廉， 而且具有高性能光譜傳感應(yīng)用的潛力。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

XL30 ESEMFEG型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡和X射線能量色散光譜和元素分析儀（荷蘭FEL公司）; IFS 80 V型真空傅里葉變換紅外光譜儀（德國(guó)布魯克公司）。

AgNO3（99.5%， 北京化學(xué)公司）; 無水Na2SO3、Na2S2O3·5H2O、HF、NH4Cl和NH4F（阿拉丁試劑公司）; 對(duì)氨基苯硫酚（pATP，百靈威科技有限公司）; BSA（Gentihold公司）。所有試劑均未經(jīng)純化直接使用。實(shí)驗(yàn)用水為MilliQ超純水系統(tǒng)（美國(guó)Millipore公司）制備的超純水。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 銀納米山脈基底的制備 銀鍍液由（1）3%（V/V）HF、（2）0.3 mol/L Na2SO3 + 0.1 mol/L Na2S2O3 + 0.1 mol/L NH4Cl和（3）0.04 mol/L AgNO3按體積比1∶1∶1混合而成：將（1）和（2）的混合溶液逐滴加入到新制備的溶液（3）中， 混合溶液先形成白色沉淀， 后逐漸變?yōu)槌吻迦芤骸?/p>

硅晶體待鍍面用Al2O3漿液（1.0 μm）完全拋光， 用水沖洗干凈后， 在40%（w/w）NH4F中浸漬3 min， 在硅表面形成SiH鍵。將處理后的硅晶體加熱至65℃， 滴加銀鍍液至完全覆蓋待鍍面， 4 min后， 用水沖洗干凈， 氮?dú)獯蹈桑?此時(shí)硅晶體表面形成了銀納米粒子薄膜; 將制備的銀納米粒子薄膜基底浸沒在1 mmol/L pATP乙醇溶液中30 min， 用乙醇沖洗干凈后， 即獲得銀納米山脈結(jié)構(gòu)。

2.2.2 金納米島狀薄膜基底的制備 金納米島狀薄膜基底的制備采用文獻(xiàn)＼[5＼]的方法， 其制備過程與銀納米粒子薄膜的制備過程基本相同， 但將其中的溶液（3）替換為0.03 mol/L NaAuCl4。

2.2.3 電磁場(chǎng)模擬分析 采用三維時(shí)域有限差分（FDTD）方法， 對(duì)所制備的銀納米山脈結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場(chǎng)模擬分析。分析的三維結(jié)構(gòu)從3 μm × 3 μm的SEM圖像中提取， 使用完美匹配層條件和周期性邊界條件計(jì)算基底的局域電磁場(chǎng)分布|E/E0|[14]。采用沿z方向傳播的平面波照射， 波長(zhǎng)范圍為2.5～10.0 μm。銀的光學(xué)介電常數(shù)參數(shù)引自文獻(xiàn)＼[15＼]。

除了電磁場(chǎng)增強(qiáng)， 連綿起伏的三維結(jié)構(gòu)同時(shí)也顯著增加了暴露的比表面積， 可將更多的分子富集到表面發(fā)生相互作用， 進(jìn)而提升化學(xué)增強(qiáng)的效果。因此， 銀納米山脈結(jié)構(gòu)有望成為一種性能優(yōu)異的增強(qiáng)基底，用于表面增強(qiáng)紅外光譜傳感。

3.3 基于銀納米山脈增強(qiáng)基底的表面增強(qiáng)紅外傳感

3.3.1 基底的增強(qiáng)因子 將銀納米山脈增強(qiáng)基底覆蓋的硅晶體裝入自制可拆卸紅外光譜測(cè)試池（圖4）中， 選用增強(qiáng)基底制備過程中引入的pATP分子為探針， 以KretschmannATR模式對(duì)其增強(qiáng)因子進(jìn)行計(jì)算。

首先， 基于pATP在254 nm處的特征紫外吸收峰（圖5A）建立pATP分子定量標(biāo)準(zhǔn)曲線（圖5B）， 依據(jù)誘導(dǎo)銀納米山脈結(jié)構(gòu)形成前后溶液的紫外吸收值的變化， 計(jì)算得到銀納米山脈表面吸附的pATP分子的質(zhì)量。pATP分子在銀納米山脈基底表面的吸附應(yīng)為單層吸附， 其吸附質(zhì)量約為0.9 μg。

進(jìn)行SEIRAS采集時(shí)， 以未經(jīng)pATP分子誘導(dǎo)的銀納米薄膜為背景譜圖， 與1 mmol/L pATP分子乙醇溶液中作用30 min， 去除未吸附的游離pATP分子， 待乙醇完全揮發(fā)后采集樣品譜圖（圖6A）。在裸硅晶體上， 記錄同等質(zhì)量pATP分子的紅外吸收譜圖（圖6A）， 可知pATP分子的紅外振動(dòng)吸收峰在銀納米山脈增強(qiáng)基底上都得到了很好的增強(qiáng)。通過比較相同質(zhì)量探針分子在銀納米山脈增強(qiáng)基底和裸硅晶體上獲取的吸收光譜的1593 cmSymbolm@@1（歸屬為ν（CC））和1489 cmSymbolm@@1處（歸屬于ν（CC）和SymboldA@（CH））的振動(dòng)吸收峰的強(qiáng)度， 可計(jì)算銀納米山脈增強(qiáng)基底的增強(qiáng)因子（Enhancement factor， EF）， 如公式（6）所示：

計(jì)算得到銀納米山脈增強(qiáng)基底對(duì)1593和1489 cmSymbolm@@1處吸收峰的增強(qiáng)因子分別為13和58（圖6B）。值得注意的是， 在相同條件下， 銀納米山脈增強(qiáng)基底對(duì)pATP分子振動(dòng)吸收的最大增強(qiáng)效果（1489 cmSymbolm@@1處） 優(yōu)于金納米島狀薄膜（單層pATP分子吸附在金膜上的質(zhì)量約0.32 μg， 相對(duì)于裸硅晶體上同等質(zhì)量下pATP分子的紅外吸收譜圖， 金膜對(duì)1593和1489 cmSymbolm@@1處吸收峰的增強(qiáng)因子均為20）。

兩種增強(qiáng)基底上pATP分子振動(dòng)吸收峰相對(duì)強(qiáng)度的差異可能由pATP分子在兩種基底上的吸附取向不同導(dǎo)致。

3.3.2 銀納米山脈增強(qiáng)基底用于BSA的定量檢測(cè)

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)所制備增強(qiáng)基底的增強(qiáng)效果和在傳感分析中的應(yīng)用潛力， 考察了基于銀納米山脈增強(qiáng)基底對(duì)不同濃度的BSA的紅外吸收響應(yīng)。如圖7所示， BSA在基底上吸附后， 在酰胺I帶和II帶處出現(xiàn)明顯的特征吸收峰。隨著BSA分子濃度從5×10Symbolm@@10 mol/L增加到4×10Symbolm@@7 mol/L， 1538 cmSymbolm@@1處酰胺Ⅱ帶的特征峰強(qiáng)度逐漸增加（圖7A）; 隨著BSA濃度從4×10Symbolm@@7 mol/L增加到4×10Symbolm@@5 mol/L， 體系呈基本飽和狀態(tài)， 表明BSA分子在基底上達(dá)到了吸附飽和。非線性曲線擬合顯示， 此過程符合Langmuir吸附過程（R2=0.98）， 如圖7B所示。即在10 mmol/L PBS（pH=6.5）中， 帶負(fù)電的BSA分子通過靜電相互作用形成單層覆蓋， 吸附在下層帶正電的pATP分子表面。在5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7 mol/L 濃度范圍內(nèi)， 1538 cmSymbolm@@1處吸收峰強(qiáng)度與BSA濃度呈較好的線性關(guān)系（R2=0.99）， 如7B插圖所示。通過相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線擬合， 銀納米山脈基底對(duì)BSA分子的檢測(cè)靈敏度為12178 OD（mol/L）。銀納米山脈紅外增強(qiáng)基底對(duì)PBS溶液中BSA分子的檢出限（LOD， S/N=3）為7.2×10Symbolm@@12 mol/L。 上述結(jié)果表明， 所制備的增強(qiáng)基底在中紅外區(qū)域具有良好的增強(qiáng)效果， 在紅外傳感領(lǐng)域顯示了極大的應(yīng)用潛力。值得注意的是， 本研究制備的銀納米山脈增強(qiáng)基底由銀納米薄膜基底經(jīng)pATP分子吸附誘導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化而得， 基底表面已經(jīng)飽和吸附了單層pATP分子。在基底制備過程中引入的pATP分子可能通過進(jìn)一步的電化學(xué)凈化或等離子體清洗等方法去除， 進(jìn)而獲得表面潔凈的增強(qiáng)基底， 可進(jìn)一步拓展銀納米山脈增強(qiáng)基底的應(yīng)用范圍， 提升其性能。

4 結(jié) 論

本研究基于巰基分子對(duì)化學(xué)沉積在硅晶體上的銀納米薄膜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化效應(yīng)， 并基于此現(xiàn)象原位制備了具有良好電磁增強(qiáng)效應(yīng)的用于表面增強(qiáng)紅外傳感的新型納米山脈銀膜基底。此基底對(duì)模式探針分子pATP的增強(qiáng)因子可達(dá)50， 優(yōu)于傳統(tǒng)的金納米島狀薄膜， 并能夠?qū)θ芤褐械腂SA分子進(jìn)行原位檢測(cè)， 定量分析范圍為5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7mol/L， 在高性能光譜傳感中顯示出較好的應(yīng)用潛力。本研究將為在硅材料或其它襯底表面構(gòu)建和擴(kuò)展單、雙金屬納米結(jié)構(gòu)提供一種方便且通用的策略， 在生物傳感器、催化和電子器件等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。

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