基于光子晶體帶邊效應的表面增強拉曼基底

趙文斌+王夢凡+曾川+齊崴+蘇榮欣+何志敏

摘 要 將光子晶體的帶邊效應與金納米粒子的拉曼散射增強作用相結合，制備了一種新型光子晶體表面增強拉曼散射基底（PCAuNPs），利用羅丹明B（RhB）作為報告分子，對所得基底性能進行檢測。PCAuNPs基底的制備包括3個步驟：在SiO2微球表面修飾氨基，再通過垂直沉降自組裝得到蛋白石結構光子晶體（PC）， 最后， 在光子晶體表面負載金納米粒子（AuNPs）。結果表明，光子晶體的帶隙范圍及AuNPs的負載量直接影響了PCAuNPs基底的檢測效果；以所得的PCAuNPs基底測定RhB分子，其拉曼散射特征峰強度與濃度對數值呈現良好的線性關系，線性方程為I=1711lg[RhB（mol/L）]+15244，線性相關系數R2=0.9994，檢出限為1×108 mol/L，表明此PCAuNPs基底可用于目標物的定性及定量檢測。本方法提高了傳統拉曼散射光譜檢測靈敏度，操作簡單，具有良好的重現性，可為其它新型檢測基底的制備提供。

關鍵詞 表面增強拉曼散射光譜； 光子晶體； 帶邊效應； 金納米粒子

1 引 言

表面增強拉曼散射（Surface enhanced Raman scattering， SERS）是在拉曼散射原理的基礎上，通過引入表面粗糙的納米金屬材料作為基底，大幅度提高待測物拉曼散射強度的一種技術[1，2]。近年來，隨著納米技術的發展，人們借助物理光刻[3]、磁控濺射[4]、有序組裝[5]、固相基底原位合成[6]等方法開發出許多新型SERS基底，并廣泛應用于生物醫學、環境污染及食品安全等檢測領域[7～10]。如Cottat等[11]利用電子束刻蝕法制得了周期性排列的硅模板，通過磁控濺射沉積金納米顆粒層，獲得了結構均一、重現性好的SERS基底，對1 mmol/L卵白素具有良好的檢測效果。Guo等[12]在玻璃表面通過靜電吸附作用結合空心金納米球，利用此SERS基底檢測牛奶中的三聚氰胺，檢出限達到1 mg/L。Zhao等[13]利用水熱法在氧化石墨烯表面原位還原氯金酸， 得到了負載金納米粒子的石墨烯SERS基底，實現了對Pb2+的定量檢測。

光子晶體（Photonic crystal，PC）是不同介電常數的介質呈周期性排列的納米材料，由此產生的光子帶隙（Photonic band gaps，PBGs）能夠抑制特定頻率的光在其中傳播[14]。這一性質使光子晶體被應用于圖像顯示[15～17]、傳感檢測[18～20]、圖形防偽[21，22]等領域。光子晶體帶邊效應是指在光子帶隙帶邊位置，光傳播的群速度趨于零，光子態密度（Density of states，DOS）顯著增大，使得光與物質間的相互作用增強，有效地提高了光信號的輸出強度[23，24]，因此光子晶體常被應用于光學信號的放大[25，26]。Shen等[25]將光子晶體與蛋白熒光免疫檢測體系相結合，在光子晶體短波帶邊與激發波長匹配的條件下，將信號強度提高了兩個數量級。Jovic等[26]通過將反蛋白石光子晶體長波帶邊與TiO2 電子吸收邊相匹配，使氣相乙醇的光氧化效率提高了兩倍。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

NTEGRA Spectra多功能拉曼光譜儀（俄羅斯NTMDT公司）； S4800場發射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）； Nano ZS型納米粒度及Zeta電位儀（英國馬爾文公司）。

氯金酸（HAuCl4·3H2O，Sigma Aldrich）；羅丹明B（RhB，Aladdin）。正硅酸四乙酯（TEOS）、氨水、乙醇、3氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）、異丙醇、檸檬酸鈉等均為市售分析純。載玻片（75 mm×25 mm）浸泡在H2SO4H2O2（7∶3， V/V）混合液中12 h，去離子水超聲洗滌3次并吹干后使用。除特殊說明外，實驗用水均為二次蒸餾水。

2.2 單分散SiO2微球的制備及氨基修飾

利用Stber法[28]制備單分散SiO2微球。于250 mL圓底燒瓶中加入適量水，1100 r/min磁力攪拌下，加入16.25 mL乙醇和9 mL氨水。隨后將4.5 mL TEOS和45.5 mL乙醇混合均勻，迅速加入圓底燒瓶中。1100 r/min磁力攪拌1 min后調低轉速至380 r/min?；旌弦涸?5 ℃恒溫水浴中反應2 h，得到乳白色懸濁液，于8000 r/min轉速下離心分離，并用乙醇和水分別洗滌3次，冷凍干燥， 備用。

Stber法是經典的制備單分散SiO2微球的方法，通過改變反應溫度、氨水濃度、加入純水量等條件，可以制備不同粒徑的單分散微球。本研究中首先利用Stber法，合成了一定粒徑且單分散性良好的SiO2微球。由于檸檬酸鈉還原法制備的AuNPs表面帶負電[31]，為了增強AuNPs與SiO2微球的結合，在步驟（1）中利用APTES對SiO2微球進行氨基修飾，使其表面帶正電，通過靜電相互作用結合AuNPs。在步驟（2）中，經Prianha溶液處理后的載玻片被垂直插入SiO2微球乙醇懸浮液，隨著乙醇蒸發，微球在彎液面作用力和毛細管力的驅動下，于載玻片表面自組裝形成有序的蛋白石結構光子晶體。第（3）步，將AuNPs水溶液均勻滴加至蛋白石結構表面，隨著溶劑的自然蒸發，在靜電作用和蛋白石結構毛細力共同作用下，AuNPs結合在SiO2微球的表面及間隙中，最終制得PCAuNPs基底。檢測時，將待測物溶液滴于PCAuNPs基底表面，待自然干燥后，進行表面增強拉曼光譜的測定。

圖2A為本研究中制備的SiO2微球的SEM圖，其粒徑均一（262 nm），單分散系數為0.005，球形度好。圖2B為垂直沉降自組裝后的蛋白石結構光子晶體，由內嵌圖片可見，SiO2微球密堆積呈規則的面心立方排列結構。圖2C為結合AuNPs后的蛋白石光子晶體SEM圖，AuNPs較均勻地分布于蛋白石結構表面和間隙中，相鄰的金納米顆粒間距小于15 nm，增強了AuNPs間隙處的電荷密度及局域電磁場密度。

3.2 光子帶隙對PCAuNPs基底檢測效果的影響

光子晶體對表面增強拉曼光譜的作用來自兩個方面：（1）光子晶體的結構效應：SiO2微球密堆積形成的蛋白石結構在納米尺度上存在球與球之間的間隙凹陷和單個微球頂部凸起的分層組合，大大增加了該結構的比表面積[32]，當微球表面和球與球的間隙中結合大量的AuNPs時，會產生高密度的“熱點”，從而增強SERS信號。（2）光子晶體的帶邊效應[23，24]： 光子晶體具有周期性的介電結構，其內部態密度（DOS）的分布不同于均勻介質，在光子帶隙中DOS趨于零，而在帶邊位置DOS顯著增加。當拉曼激光波長與光子帶隙帶邊波段匹配時，光電場與金屬納米顆粒的相互作用被增強，局域光電場強度增大，令待測分子的拉曼信號得到增強。因此，光子帶隙帶邊范圍與所選拉曼激光波長的匹配度，將直接影響PCAuNPs基底的拉曼信號增強效果。

圖4A～D分別為在PCⅡ表面循環滴加1～4次AuNPs溶液并蒸干溶劑后所得PCAuNPs基底的SEM圖，AuNPs溶液濃度為0.5 mmol/L，每次滴加量為30 μL。從圖4可見，隨著循環滴加次數的增加，PC表面負載AuNPs的量逐漸增多，密集程度逐漸增大。圖5為相應PCAuNPs基底檢測RhB的拉曼光譜結果。在第1次滴加后，蛋白石結構表面僅結合了少量AuNPs，拉曼信號強度很弱，這是由于AuNPs過于分散，使得局域電場強度較低（圖5， 1st）。當循環次數為2次時，在SiO2微球表面和間隙中結合的AuNPs量均增多，且分布均勻，使得AuNPs間隙處的電荷密度增高，形成較強的局域電場，RhB的拉曼光譜信號得到明顯增強（圖5， 2nd）。當循環次數為3次時，AuNPs的負載量進一步增大，在小范圍內部分AuNPs聚集，減弱了粒子之間的共振效應，拉曼信號強度有所減弱（圖5， 3rd）。當循環次數為4次時，AuNPs在大范圍內發生聚集，過多占據了蛋白石結構的表面和間隙，導致RhB的拉曼信號大幅減弱（圖5，4th）。綜上，AuNPs的負載量直接影響了PCAuNPs基底的SERS增強效果。本研究中以循環滴加2次AuNPs溶液制備的PCAuNPs基底為最佳。

References

1 Schlucker S. Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 53（19）： 4756-4795

2 LUO ZhiXun， FANG Yan. Spectroscopy and Spectral Analysis， 2006， 26（2）： 358-364

駱智訓， 方 炎. 光譜學與光譜分析， 2006， 26（2）： 358-364

3 Radha B， Lim S H， Saifullah M S， Kulkarni G U. Sci. Rep.， 2013， 3： 1078

4 ubr M， Petr M， Kylin O， Kratochvíl J， Prochzka M. J. Mater. Chem. C， 2015， 3（43）： 11478-11485

5 Ma Z， Tian L， Qiang H. J. Nanosci. Nanotechnol.， 2009， 9（11）： 6716-6720

6 Kitahama Y， Itoh T， Aoyama J， Nishikata K， Ozaki Y. Chem. Commun.， 2009， （43）： 6563-6565

7 Han X X， Chen L， Kuhlmann U， Schulz C， Weidinger I M， Hildebrandt P. Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 53（9）： 2481-2484

8 TANG XiaoPing， ZHANG XiaoFang， QI XiaoHua， ZOU MingQiang， SHAO Yong， WANG JiPing， ZHOU Jian， CUI ShaSha. Chinese J. Anal. Chem.， 2015， 43（8）： 1224-1230

唐曉萍， 張孝芳， 齊小花， 鄒明強， 邵 勇， 王紀平， 周 建， 崔莎莎. 分析化學， 2015， 43（8）： 1224-1230

9 Cao Q， Liu X，Yuan K， Yu J， Liu Q， Delaunay J J， Che R. Appl. Catal. B， 2017， 201： 607-616

10 ZHAO RuiChi， WANG PeiLong， SHI Lei， SU XiaoOu. Chinese J. Anal. Chem.， 2017， 45（1）： 75-82

趙蕊池， 王培龍， 石 雷， 蘇曉鷗. 分析化學， 2017， 45（1）： 75-82

11 Cottat M， LidgiGuigui N， Tijunelyte I， Barbillon G， Hamouda F， Gogol P， Aassime A， Lourtioz J M， Bartenlian B， de la Chapelle ML. Nanoscale Res. Lett.， 2014， 9（1）： 623

12 Guo Z， Cheng Z， Li R， Chen L， Lv H， Zhao B， Choo J. Talanta， 2014， 122： 80-84

13 Zhao L， Gu W， Zhang C， Shi X， Xian Y. J. Colloid Interface Sci.， 2016， 465： 279-285

14 Zhao Y， Shang L， Cheng Y， Gu Z. Acc. Chem. Res.， 2014， 47（12）： 3632-3642

15 Kim S H， Jeon S J， Jeong W C， Park H S， Yang S M. Adv. Mater.， 2008， 20（21）： 4129-4134

16 Yu Z， Wang C F， Ling L， Chen L， Chen S. Angew. Chem. Int. Ed.， 2012， 51（10）： 2375-2378

17 Zhu C， Xu W， Chen L， Zhang W， Xu H， Gu Z Z. Adv. Funct. Mater.， 2011， 21（11）： 2043-2048

18 Zhao Y， Zhao X， Tang B， Xu W， Li J， Hu J， Gu Z. Adv. Funct. Mater.， 2010， 20（6）： 976-982

19 LAN XiaoBo， ZHAO WenBin， WANG MengFan， QI Wei， SU RongXin， HE Zhimin. Chinese J. Anal. Chem.， 2015， 43（4）： 471-478

蘭小波， 趙文斌， 王夢凡， 齊 崴， 蘇榮欣， 何志敏. 分析化學， 2015， 43（4）： 471-478

20 Phillips K R， England G T， Sunny S， Shirman E， Shirman T， Vogel N， Aizenberg J. Chem. Soc. Rev.， 2016， 45（2）： 281-322

21 Bai L， Xie Z， Wang W， Yuan C， Zhao Y， Mu Z， Zhong Q， Gu Z. ACS Nano， 2014， 8（11）： 11094-11100

22 Zhang J， Yang S， Tian Y， Wang C F， Chen S. Chem. Commun.， 2015， 51（52）： 10528-10531

23 John S， Quang T. Phys. Rev. A， 1994， 50（2）： 1764

24 Li Z Y， Lin L L， Zhang Z Q. Phys. Rev. Lett.， 2000， 84（19）： 4341

25 Shen W， Li M， Xu L， Wang S， Jiang L， Song Y， Zhu D. Biosens. Bioelectron.， 2011， 26（5）： 2165-2170

26 Jovic V， Idriss H， Waterhouse G I. Chem. Phys.， 2016， 479： 109-121

27 Mu Z， Zhao X， Huang Y， Lu M， Gu Z. Small， 2015， 11（45）： 6036-6043

28 Stber W， Fink A， Bohn E. J. Colloid Interface Sci.， 1968， 26（1）： 62-69

29 Ge J， Zhang Q， Zhang T， Yin Y. Angew. Chem. Int. Ed.， 2008， 120（46）： 9056-9060

30 Lee H， Lee M Y， Bhang S H， Kim B S， Kim Y S， Ju J H， Kim K S， Hahn S K. ACS Nano， 2014， 8（5）： 4790-4798

31 Sonavane G， Tomoda K， Makino K. Colloids Surf. B， 2008， 66（2）： 274-280

32 Zheng S， Zhang H， Ross E， Le T V， Wirth M J. Anal. Chem.， 2007， 79（10）： 3867-3872

33 Zhang J， Li X， Sun X， Li Y. J. Phys. Chem. B， 2005， 109（25）： 12544-12548

34 Yan H， Gu C， Yang C， Liu J， Jin G， Zhang J， Hou L， Yao Y. Appl. Phys. Lett.， 2006， 89（20）： 204101