銀納米山脈增強基底的原位合成及在表面增強紅外光譜傳感中的應用

曹鳳娟 程曉偉 武烈 姜秀娥

摘 要：衰減全反射表面增強紅外吸收光譜（ATRSEIRAS）因其獨特的優勢受到越來越多的關注。然而， 兼具低成本、高靈敏性和簡易制備特性的增強基底仍非常缺乏， 這極大地限制了SEIRAS技術的進一步發展及應用。本研究采用化學沉積的銀納米粒子， 經一步簡單的配體誘導， 制備了類山脈的銀納米結構。三維時域有限差分模擬顯示，此結構能夠有效地與中紅外光耦合， 產生強的局域電磁場， 展示出作為紅外光譜增強基底的潛力。SEIRAS研究表明， 此基底對模式分子對巰基苯胺的增強性能優于廣泛應用的金納米島膜增強基底， 對牛血清白蛋白的定量分析范圍為5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7 mol/L， 在紅外傳感領域顯示出極大的潛力。

關鍵詞：表面增強紅外光譜; 增強基底; 銀納米山脈; 對巰基苯胺; 牛血清白蛋白

1 引 言

在表面科學和電化學領域， 衰減全反射表面增強紅外吸收光譜（ATRSEIRAS）因其具有獨特的優勢而受到越來越多的關注。衰減全反射與金屬薄膜基底的增強效應相結合， 賦予ATRSEIRAS超高的信號靈敏度（可探測低至10Symbolm@@5的信號變化）、簡單的表面選律（垂直于金膜表面的振動偶極矩得到增強）和光學近場效應（消除本體溶液的干擾）[1，2]。通過表面增強紅外吸收光譜技術可以無損免標記地實時探測分析物在界面處的各種化學鍵的細微振動變化， 在研究蛋白質結構功能關系[3]、分子識別[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理解析[6]等方面具有突出優勢。隨著生物分析檢測研究的不斷發展， 為了實現更簡易快捷、更靈敏的檢測， 以及表面增強紅外光譜技術的大規模廣泛應用， 增強基底的研究備受關注， 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， 制作出許多結構規整的圖案化紅外增強基底材料， 如金納米天線、金傘結構等。雖然這些方法制備的基底均具有很好的增強效果， 但制備過程復雜， 相關儀器稀少而昂貴， 需要消耗大量原料， 僅能在少數實驗室實現。目前普遍采用的增強基底仍是化學沉積法制備的金島膜[1]。因此， 制備簡單、經濟實用、檢測信號更加靈敏的紅外增強基底引起了廣泛關注。 Fasasi等[9]通過化學沉積法在Ge基底上鍍Cu， 考察了對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磁性納米復合材料， 再將復合材料與檢測分子混合， 滴加到石英片表面烘干， 通過調控磁場的大小控制復合材料的電磁“熱點”; Zhang等[12]通過兩步金種生長法制備了不同厚度的SiO2@Au 核殼結構， 發現薄層結構更有利于探針分子的紅外信號增強。本研究組通過一步化學沉積法在Si基底上鍍rGO島膜， 并用于特殊芳香分子的檢測[13]。但上述這些方法同樣存在結構制備耗時長、均勻性差、重現性不佳和檢測靈敏性度低等問題。

本研究采用簡便的配體誘導法， 在硅表面原位形成了均勻的、非常規生長模式的類似連綿山脈的銀納米結構。此銀納米結構能夠與中紅外光發生有效耦合， 產生較強電磁“熱點”效應， 適用于表面增強紅外光譜傳感分析， 并將其用于光譜指紋圖譜檢測痕量牛血清白蛋白（Bovine serum albumin， BSA）。此銀納米增強基底不僅制備簡單、成本低廉， 而且具有高性能光譜傳感應用的潛力。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

XL30 ESEMFEG型場發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（德國布魯克公司）。

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

2.2 實驗方法

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， 后逐漸變為澄清溶液。

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， 氮氣吹干， 此時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構。

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＼[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 電磁場模擬分析 采用三維時域有限差分（FDTD）方法， 對所制備的銀納米山脈結構進行電磁場模擬分析。分析的三維結構從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算基底的局域電磁場分布|E/E0|[14]。采用沿z方向傳播的平面波照射， 波長范圍為2.5～10.0 μm。銀的光學介電常數參數引自文獻＼[15＼]。

除了電磁場增強， 連綿起伏的三維結構同時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生相互作用， 進而提升化學增強的效果。因此， 銀納米山脈結構有望成為一種性能優異的增強基底，用于表面增強紅外光譜傳感。

3.3 基于銀納米山脈增強基底的表面增強紅外傳感

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

首先， 基于pATP在254 nm處的特征紫外吸收峰（圖5A）建立pATP分子定量標準曲線（圖5B）， 依據誘導銀納米山脈結構形成前后溶液的紫外吸收值的變化， 計算得到銀納米山脈表面吸附的pATP分子的質量。pATP分子在銀納米山脈基底表面的吸附應為單層吸附， 其吸附質量約為0.9 μg。

進行SEIRAS采集時， 以未經pATP分子誘導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， 待乙醇完全揮發后采集樣品譜圖（圖6A）。在裸硅晶體上， 記錄同等質量pATP分子的紅外吸收譜圖（圖6A）， 可知pATP分子的紅外振動吸收峰在銀納米山脈增強基底上都得到了很好的增強。通過比較相同質量探針分子在銀納米山脈增強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））的振動吸收峰的強度， 可計算銀納米山脈增強基底的增強因子（Enhancement factor， EF）， 如公式（6）所示：

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

兩種增強基底上pATP分子振動吸收峰相對強度的差異可能由pATP分子在兩種基底上的吸附取向不同導致。

3.3.2 銀納米山脈增強基底用于BSA的定量檢測

為了進一步評價所制備增強基底的增強效果和在傳感分析中的應用潛力， 考察了基于銀納米山脈增強基底對不同濃度的BSA的紅外吸收響應。如圖7所示， BSA在基底上吸附后， 在酰胺I帶和II帶處出現明顯的特征吸收峰。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， 表明BSA分子在基底上達到了吸附飽和。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， 1538 cmSymbolm@@1處吸收峰強度與BSA濃度呈較好的線性關系（R2=0.99）， 如7B插圖所示。通過相應的標準曲線擬合， 銀納米山脈基底對BSA分子的檢測靈敏度為12178 OD（mol/L）。銀納米山脈紅外增強基底對PBS溶液中BSA分子的檢出限（LOD， S/N=3）為7.2×10Symbolm@@12 mol/L。 上述結果表明， 所制備的增強基底在中紅外區域具有良好的增強效果， 在紅外傳感領域顯示了極大的應用潛力。值得注意的是， 本研究制備的銀納米山脈增強基底由銀納米薄膜基底經pATP分子吸附誘導結構轉化而得， 基底表面已經飽和吸附了單層pATP分子。在基底制備過程中引入的pATP分子可能通過進一步的電化學凈化或等離子體清洗等方法去除， 進而獲得表面潔凈的增強基底， 可進一步拓展銀納米山脈增強基底的應用范圍， 提升其性能。

4 結 論

本研究基于巰基分子對化學沉積在硅晶體上的銀納米薄膜的結構轉化效應， 并基于此現象原位制備了具有良好電磁增強效應的用于表面增強紅外傳感的新型納米山脈銀膜基底。此基底對模式探針分子pATP的增強因子可達50， 優于傳統的金納米島狀薄膜， 并能夠對溶液中的BSA分子進行原位檢測， 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用潛力。本研究將為在硅材料或其它襯底表面構建和擴展單、雙金屬納米結構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域具有良好的應用前景。

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