785 nm 激光诱导银纳米三角片聚集表面增强拉曼散射效应
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第7卷第1期 中国光学 Chinese Optics Vo1.7 No.1 Feb.20l4 2014年2月 文章编号2095—1531(2014)01—01 18-06 785 nm激光诱导银纳米三角片聚集 表面增强拉曼散射效应 薛彬 ,孔祥贵 ,王丹 ,夏 露 ,李晓坤 , 于 沂 ,孙雅娟。,吴 飞 一,赵慧颖。 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室,吉林长春130033; 2.中国科学院大学,北京100049;3.吉林大学第一医院,吉林长春130021) 摘要:为实现表面增强拉曼散射(SEllS)光谱的强信号快速检测分析,报道了通过785 n/I1激光诱导银纳米-三角片(Ag— NPRs)聚集的方法。采用配体辅助化学还原法制备r AgNPRs,其边长约为80 tim,表向等离子体吸收峰出现在约774 nna 处,对785 nm光产生有效吸收。在785 tim光辐照下,AgNPRs逐渐聚集,对巯基苯甲酸的SERS信号逐渐增强,其源于 AgNPRs吸收的光转化为热而引起的AgNPRs聚集。其增强 子高达l0 。为快速获得强SERS信号,激发光J力率需大于 250 mW。 关键词:表面增强拉曼光谱;银纳米三角片;聚集;785 tiIn激光 文献标识码:A doi:10.3788/C0.20140701.0118 中图分类号:0433.4;0485 SERS effect of aggregation of silver nanoprisms induced by 785 am laser XUE Bin。一,KONG Xiang—gul。 ,WANG Dan 一,XIA Lu 一, LI Xiao.kun ,YU Yi ,SUN Ya—juan ,WU Fei。。 ,ZHAO Hui.ying” (1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and ics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 1 30033,China; 2.University of Chinese Academy f oSciences,Beijing 1 00049,China; 3.Gerontology Departimen of First Bethune Ho ̄ital,University of Jilin,Changchun 1 3002 1,China) Corresponding author.E—mail:xgkongl4@ciomp.ac.cn:zhaohuiyingl63@163.coin Abstract:Surface enhanced Raman spectroscopy(SERS)is an uhrasensitive vibrational spectroscopic tech— nique to detect molecules.At present,adding salts is a main way to induce nanoparticles aggregation to get gi— ant enhancement.However,this method needs more procedures and salts may etch nanoparticles.Here an ef- fective and simple method is reported to enhance SERS effect by the aggregation of silver nanoprisms(Ag— NPRs)induced by 785 nm laser.Silver nanoprisms were prepared by ligand—assisted chemical reductions 收稿日期:2013—11—12;修订日期:2013—12—13 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.61071048,No.11374297,No.51372096) 第1期 薛彬,等:785 nm激光诱导银纳米三角片聚集表面增强拉曼散射效应 119 method.AgNO were reduced by NaBH4 in the presence of trisodium citrate,poly(viny1pyrr0lidone)and H2 O2.The edge of silver nanoprisms is about 80 nm.Surface plasmon band of silver nanoprisms is around 774 nnl which could ef1)ctively absorb 785 Hill laser.When laser irradiating silver nanoprisms during the detection ot’Raman spectra,these nanoprisms gradually aggregated and SERS spectra of analytes(4一mercaptohenzoic acid.4一MBA)were gradually enhanced.And enhancement factor of Raman spectra~10 is obtained by this method.Due to the huge magnitude of SERS in the near infrared region(excitation wavelength 785 nm),this technique has the potential in the field of biochemical tests. Key words:SERS;silver nanoprisms;aggregation;785 nm laser 1 引 言 2 实 验 随着光学仪器及纳米技术的不断发展,拉曼 2.1材料制备 检测已成为分子生物学、新药研究及医学分析检 采用配体辅助还原方法…制备AgNPRs,制 验研究领域的重要手段。近年来,新兴的等离子 备过程如下:在24.75 mL的水溶液中混合加入硝 体光学技术在检测¨ ,光电子学 。j,特别是 酸银(0.05 mol/L,50 txL)、柠檬酸钠(75 mmol/I , SERS_4 等领域具有广泛的应用。就SERS效应 0.5 mL)、聚乙烯基吡咯烷酮(PVP,M 的增强机制而言,日前主要有两种机制L6]对 30 000 g/tool,1.75 rnmol/L,1 mL)和双氧水 SERS有贡献:(1)电磁增强机制;(2)化学增强机 (30%(质量分数),60 txL),并在室温下剧烈搅 制。前者主要涉及等离子共振和等离子体耦合。 拌。随后迅速加人硼氢化钠(100 mmol/L,250 等离子体耦合即是所谓的“热点”效应,通常来源 L),溶液在约30 rain后变成蓝色,表明AgNPRs 于纳米粒子聚集的问隙处,可导致局域电场增强, 已合成。反应完毕,连续两次离心(10 000 r/rain, 这些“热点”的电场增强可达10他~1O 。这种电 15 rain)去除多余的表面活性剂聚乙烯吡咯烷烃 场增强方式,可使SERS信号更强,甚至可以实现 (PVP),离心沉淀的样品稀释到2 mL。拉曼测试 单分子的检测L4-5。因此,实现水溶液中纳米粒子 时,取180 IxL的AgNPRs溶液和20 L对巯基苯 聚集是一种有效获得SERS信号的方式。日前引 甲酸(4一MBA)混合30 rain,之后进行SERS分析 起纳米粒子聚集的主要方式是加入各种无机 检测。 盐 J,然而,该方式的步骤较复杂,并可能刻蚀纳 2.2实验仪器 米粒子 。 采用海洋光学QE 65 Pro光谱仪(配备 由于785 nnl激发光波长位于生物光谱窗口 785 nm的光纤激光器,输出功率在0~400 mW内 的近红外区,背景荧光小,因此,785 nlil共振激发 可调)进行SERS光谱检测;采用Shimadzu公司 的SERS光谱在癌症等重大疾病标记物的分析检 UV.3 101 PC紫外一可见一近红外扫描分光光度计上 测¨ 等生化领域具有重要的科学研究意义和应 测试样品的消光光谱;采用Hitachi¥4800场发射 用前景。本文首次通过785 nm激光辐照的方式 扫描电镜获取滴在硅片上样品的扫描电镜 实现了AgNPRs的聚集。首先合成了在激发波长 (SEM)图像。 处共振的AgNPRs,在共振激发下的AgNPRs可以 更有效地吸收激发光能量,从而获得更高的表面 3 结果与讨论 等离子场强度。在此基础上,研究了在辐照过程 采用配体辅助还原方法合成的AgNPRs,其 中拉曼信号的变化,并对这种聚集导致的SERS 表面等离子体共振峰在774 nm处,如图l(a)所 增强能力进行了评估。 示。AgNPRs在近红外处的强烈吸收归因于其面 第1期 薛彬,等:785 nlll激光诱导银纳米三角片聚集表面增强拉曼散射效应 12l 图4 785 IIIll激光激发卜AgNPRs的SERS光谱(激 发功率250 mW)(a)AgNPRs增强0.5 b ̄rnol/L 4-MBA的SEllS光谱(积分时间0.1 s);(}1) 500 Inrll[)I/L 4-MBA的托曼光i}};(积分时间1 S) Fig.4 SEllS spectra induced by AgNPRs of(a)4一 MBA at 0,5 ̄,mol/1 ,acquisition times is 0.1 S,(I))4-MBA at 500 mmol/1 ,acquisition times is 1 s.Both were perlbrnle(1 at 250 InW 尤其足非共振光致热效应不明显,凶此,也就很难 观察到AgNPRs的聚集。 对由激光诱导的AgNPRs聚集产生的SERS 信号进行评估。根据式(1) 141: EF :一 , /Nl{_l『 ’ 式中, F代表增强因子,, 和 分别对应于 SERS条件下的强度和不加入贵金属纳米粒子时 正常情况下拉曼信号强度。 和Ⅳ 对应 SERS条件下和正常条件下被测试分析物的浓度。 由此可以估算出SERS信号强度增强了约10 倍。 为了进一步验证信号增强因子,假设纳米粒子为 球形,球形纳米粒子半径为a, 方向为人射光方 向,波长为入。 a/;t<0.1时,采用静电场近似, 即球形纳米粒子周 的入射光足相同的。此时求 解麦克斯韦方程组求出出射电场为 : ..( ,Y, )=E() 一aE0[。=_,一 r ! ( +y +z2)]. (2) , 定义金属极化率为: Ol=gn , (3) g=g ——■ 一, j in 1_ lluI , ((J4 ) 式中,s 和 。分别对应金属内部和外部环境电 解质函数。 而散射光场强度对应用电场强度的平方,可 得: l .1 =ei[1l—g l+ 3cos 0(2Re( )+I g J )], (5) 由于 》1,考虑在0。或180。方向近似,并对 时间求平均可得: 1 I =2E l l , (6) 作为人射光电场被放大一次,散射时又被放 大一次,重新定义增强冈子: EF: 三 :4 f f z l ,f 2, /5o (7) 考虑g和g 之间差距很小,可得增强因子 为: EF OC Ig I , (8) 通常在等离子体共振的情况下,电场增强在 10~100倍之间,因此信号增强因子 F在10 一 10 之间。而根据式(1)得出的增强因子为10 , 比局域共振电场最大增强的情况还要高。实际 上,在等离子体共振的情况下,由于粒子取向不 同,平均之后增强因子一一般是10 。因此,拉曼信 号的增强不仅仅来自等离子体共振。考虑到电磁 场增强的另一种方式,电场增强必定包含等离子 体场之间的耦合,即纳米粒子聚集导致的“热点” 增强。“热点”增强可以极大增强拉曼信号,甚至 可以达到检测单分子的水平 。。。由理论推算可 知,拉曼信号的大幅增强必定来自粒子聚集导致 的热点,否则无法达到如此大的场增强。这也和 我们实验上观察到的结果一致。另外,在实验检 测中发现,通过提高激发功率可导致粒子聚集 由于制备的AgNPRs几乎可以完全吸收入射光, 在激光焦点处,吸收的入射光将把能量转化为热, 瞬间产生的热量将引起粒子剧烈运动,从而导致 粒子聚集。 尽管激光诱导的AgNPRs聚集方式可以彳『效 增强SER信号,值得注意的足,激发功率不能太 低。当激发功率足300 mW时,约2 arin后粒子开 始聚集,而当激发功率足250 mW,诱导聚集的孵 化时间达到10 min。考虑到检测的时间耗费冈 素,建议激发功率应不小于250 mW,以便快速获 l22 得高强度SERS信号。 _二 ]J]J中国光学 ]J] 第7卷 发波长有效交叠,产生的热量促使AgNPRs剧烈 运动从而诱导AgNPRs聚集。这种聚集方式相对 于加无机盐聚集的方式,更加简便快捷。此外,由 4 结 论 首次采用785 am激光诱导AgNPRs聚集从 而实现SERS的方法。由于AgNPRs吸收峰和激 参考文献: 于其激发波长在近红外区域,不会产生背景荧光, 表明其在生物医学分析检测领域中有潜在的应 用。 王二伟,鱼卫星,王成,等.用表面等离子体共振传感器检测纳米间距[J].中国光学,2013,6(2):259—266. WANG E W,YU W X,WANG CH,et a1..Nanogap measurement by using surface plasnmn resonance sensor[J].Chinese Optics,2013,6(2):259—266.(in Chinese) SU Y H,KE Y F,CAI S L,et a1..Suffaee plasmon resonance of layer—by—layer gold nanopartieles induced photoelectric current in environmentally—friendly plasmon—sensitized solar cell[J].Light:Sci.App1.,2012,1(6):el4. 陈泳屹,佟存柱,秦莉,等.表 等离子体激元纳米激光器技术及应用研究进展[J].中国光学,2012,5(5):453463. CHEN Y YI,TONG C ZH,QIN 1 ,et a1..Progress in surface plasmon polariton nano—laser technologies and applications [J].Chinese Optics,2012,5(5):453463.(in Chinese) HUGHES M D,XU Y J,JENKINS P,et a1..Tunable gold catalysts for selective hydrocarbon oxidation under mild condi— tions[J].Nature,2005,437(7062):1132—1135. KNEIPP K,WANG Y,KNEIPP H,et a1..Single molecule detection using surface—enhanced Raman scattering(SERS) J J.P^ .R .Lett ,1997,78(9):1667—1670. NIE S,EMORY S R.Probing single molecules and single nanoparticles by surt ̄tce—enhanced Raman scattering[J].5c — ence,1997,275(5303):1102—1106. [7]WANG Y,YAN B,CHEN L.SERS tags:novel optical nanoprobes for bioanalysis[J].Chem.Rev.,2012,113(3):1391一 l428. [8] SUN M,ZHANG Z,WANG P,et a1..Remotely excited Raman optical activity using chiral plasmon propagation in Ag nanowires[J].Light:Sci.App1.,2013,2(11):el12. [9] CAMDEN J P,DIERINGER J A,WANG Y,et a1..Probing the structure of single—molecule surface—enhanced Raman scat— tering hot spots[J]. Am.Chem.Soc.,2008,130(38):12616-12617. [10] TANG B,XU S,AN J,et a1..Kinetic effects of halide ions on the morphological evolution of silver nanoplates lJ].Phys. Chem.Chem.Phys.,2009,1 1(44):10286—10292. 周明辉,廖春艳,任兆玉,等.表面增强拉曼光谱生物成像技术及其应用[J].中国光学,2013,6(5):633—642. ZHOU M H,LIAO CH Y,REN ZH Y,et a1..Bioimaging technologies based oft surfaee—enhanced Raman spectroscopy and their applications[J].Chinese Optics,2013,6(5):633—642.(in Chinese) [12] ZHANG Q,LI N,GOEBI J,et a1..A systematic study ofthe synthesis of silver nanoplates:is citrate a“magic”reagent? [J].1/. m.Chem.Soc.,2011,133(46):l893l一18939. [13] KELLY K L,CORONADO E,ZHAO L L,et a1..The optical properties of metal nanoparticles:the intluence of size, shape,and dielectric environment[J]..,.P .Chem.B.,2003,107(3):668—677. [14] EI 一SAYED I H.HUANG X.EL—SAYED M A.Selective laser photo—themlal therapy of epithelial carcinoma using anti— EGFR antibody conjugated gold nanopa ̄icles[J].Cancer Lett.,2006,239(1):129—135. [15] I 1N x M,CUI Y,XU Y H,et a1..Surface—enhanced Ranmn spectroscopy:substrate—related issues[J].Ana1.Bioana1. Chem.,2009,394(7):l729—1745. [16] STILES P L,DIERINGER J A,SH AH N C,et a1..Surface—Enhanced Raman Spectroscopy l J].Annu.Rev.Ana1. Chem.,2008,1:601-626.