曹凤娟 程晓伟 武烈 姜秀娥

摘 要：衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATRSEIRAS）因其独特的优势受到越来越多的关注。然而， 兼具低成本、高灵敏性和简易制备特性的增强基底仍非常缺乏， 这极大地限制了SEIRAS技术的进一步发展及应用。本研究采用化学沉积的银纳米粒子， 经一步简单的配体诱导， 制备了类山脉的银纳米结构。三维时域有限差分模拟显示，此结构能够有效地与中红外光耦合， 产生强的局域电磁场， 展示出作为红外光谱增强基底的潜力。SEIRAS研究表明， 此基底对模式分子对巯基苯胺的增强性能优于广泛应用的金纳米岛膜增强基底， 对牛血清白蛋白的定量分析范围为5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7 mol/L， 在红外传感领域显示出极大的潜力。

关键词：表面增强红外光谱; 增强基底; 银纳米山脉; 对巯基苯胺; 牛血清白蛋白

1 引 言

在表面科學和电化学领域， 衰减全反射表面增强红外吸收光谱（ATRSEIRAS）因其具有独特的优势而受到越来越多的关注。衰减全反射与金属薄膜基底的增强效应相结合， 赋予ATRSEIRAS超高的信号灵敏度（可探测低至10Symbolm@@5的信号变化）、简单的表面选律（垂直于金膜表面的振动偶极矩得到增强）和光学近场效应（消除本体溶液的干扰）[1，2]。通过表面增强红外吸收光谱技术可以无损免标记地实时探测分析物在界面处的各种化学键的细微振动变化， 在研究蛋白质结构功能关系[3]、分子识别[4]、生物/仿生膜的界面相互作用[5]， 以及小分子的表面催化机理解析[6]等方面具有突出优势。随着生物分析检测研究的不断发展， 为了实现更简易快捷、更灵敏的检测， 以及表面增强红外光谱技术的大规模广泛应用， 增强基底的研究备受关注， 如Adato[7]和Brown[8] 等通过真空气相沉积、电子束和等离子体刻蚀技术， 制作出许多结构规整的图案化红外增强基底材料， 如金纳米天线、金伞结构等。虽然这些方法制备的基底均具有很好的增强效果， 但制备过程复杂， 相关仪器稀少而昂贵， 需要消耗大量原料， 仅能在少数实验室实现。目前普遍采用的增强基底仍是化学沉积法制备的金岛膜[1]。因此， 制备简单、经济实用、检测信号更加灵敏的红外增强基底引起了广泛关注。 Fasasi等[9]通过化学沉积法在Ge基底上镀Cu， 考察了对硝基苯甲酸在铜膜和银膜上的吸附定向问题; Rao等[10]通过化学沉积法在Ge基底上还原AgClPVP胶体粒子， 制备了堆积型非均匀AgNPs， 制备时间20 h; Cai等[11]首先合成Fe3O4纳米粒子和Au纳米粒子， 然后通过静电相互作用合成Fe3O4/Au磁性纳米复合材料， 再将复合材料与检测分子混合， 滴加到石英片表面烘干， 通过调控磁场的大小控制复合材料的电磁“热点”; Zhang等[12]通过两步金种生长法制备了不同厚度的SiO2@Au 核壳结构， 发现薄层结构更有利于探针分子的红外信号增强。本研究组通过一步化学沉积法在Si基底上镀rGO岛膜， 并用于特殊芳香分子的检测[13]。但上述这些方法同样存在结构制备耗时长、均匀性差、重现性不佳和检测灵敏性度低等问题。

本研究采用简便的配体诱导法， 在硅表面原位形成了均匀的、非常规生长模式的类似连绵山脉的银纳米结构。此银纳米结构能够与中红外光发生有效耦合， 产生较强电磁“热点”效应， 适用于表面增强红外光谱传感分析， 并将其用于光谱指纹图谱检测痕量牛血清白蛋白（Bovine serum albumin， BSA）。此银纳米增强基底不仅制备简单、成本低廉， 而且具有高性能光谱传感应用的潜力。

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

XL30 ESEMFEG型场发射扫描电子显微镜和X射线能量色散光谱和元素分析仪（荷兰FEL公司）; IFS 80 V型真空傅里叶变换红外光谱仪（德国布鲁克公司）。

AgNO3（99.5%， 北京化学公司）; 无水Na2SO3、Na2S2O3·5H2O、HF、NH4Cl和NH4F（阿拉丁试剂公司）; 对氨基苯硫酚（pATP，百灵威科技有限公司）; BSA（Gentihold公司）。所有试剂均未经纯化直接使用。实验用水为MilliQ超纯水系统（美国Millipore公司）制备的超纯水。

2.2 实验方法

2.2.1 银纳米山脉基底的制备 银镀液由（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按体积比1∶1∶1混合而成：将（1）和（2）的混合溶液逐滴加入到新制备的溶液（3）中， 混合溶液先形成白色沉淀， 后逐渐变为澄清溶液。

硅晶体待镀面用Al2O3浆液（1.0 μm）完全抛光， 用水冲洗干净后， 在40%（w/w）NH4F中浸渍3 min， 在硅表面形成SiH键。将处理后的硅晶体加热至65℃， 滴加银镀液至完全覆盖待镀面， 4 min后， 用水冲洗干净， 氮气吹干， 此时硅晶体表面形成了银纳米粒子薄膜; 将制备的银纳米粒子薄膜基底浸没在1 mmol/L pATP乙醇溶液中30 min， 用乙醇冲洗干净后， 即获得银纳米山脉结构。

2.2.2 金纳米岛状薄膜基底的制备 金纳米岛状薄膜基底的制备采用文献＼[5＼]的方法， 其制备过程与银纳米粒子薄膜的制备过程基本相同， 但将其中的溶液（3）替换为0.03 mol/L NaAuCl4。

2.2.3 电磁场模拟分析 采用三维时域有限差分（FDTD）方法， 对所制备的银纳米山脉结构进行电磁场模拟分析。分析的三维结构从3 μm × 3 μm的SEM图像中提取， 使用完美匹配层条件和周期性边界条件计算基底的局域电磁场分布|E/E0|[14]。采用沿z方向传播的平面波照射， 波长范围为2.5～10.0 μm。银的光学介电常数参数引自文献＼[15＼]。

除了电磁场增强， 连绵起伏的三维结构同时也显著增加了暴露的比表面积， 可将更多的分子富集到表面发生相互作用， 进而提升化学增强的效果。因此， 银纳米山脉结构有望成为一种性能优异的增强基底，用于表面增强红外光谱传感。

3.3 基于银纳米山脉增强基底的表面增强红外传感

3.3.1 基底的增强因子 将银纳米山脉增强基底覆盖的硅晶体装入自制可拆卸红外光谱测试池（图4）中， 选用增强基底制备过程中引入的pATP分子为探针， 以KretschmannATR模式对其增强因子进行计算。

首先， 基于pATP在254 nm处的特征紫外吸收峰（图5A）建立pATP分子定量标准曲线（图5B）， 依据诱导银纳米山脉结构形成前后溶液的紫外吸收值的变化， 计算得到银纳米山脉表面吸附的pATP分子的质量。pATP分子在银纳米山脉基底表面的吸附应為单层吸附， 其吸附质量约为0.9 μg。

进行SEIRAS采集时， 以未经pATP分子诱导的银纳米薄膜为背景谱图， 与1 mmol/L pATP分子乙醇溶液中作用30 min， 去除未吸附的游离pATP分子， 待乙醇完全挥发后采集样品谱图（图6A）。在裸硅晶体上， 记录同等质量pATP分子的红外吸收谱图（图6A）， 可知pATP分子的红外振动吸收峰在银纳米山脉增强基底上都得到了很好的增强。通过比较相同质量探针分子在银纳米山脉增强基底和裸硅晶体上获取的吸收光谱的1593 cmSymbolm@@1（归属为ν（CC））和1489 cmSymbolm@@1处（归属于ν（CC）和SymboldA@（CH））的振动吸收峰的强度， 可计算银纳米山脉增强基底的增强因子（Enhancement factor， EF）， 如公式（6）所示：

计算得到银纳米山脉增强基底对1593和1489 cmSymbolm@@1处吸收峰的增强因子分别为13和58（图6B）。值得注意的是， 在相同条件下， 银纳米山脉增强基底对pATP分子振动吸收的最大增强效果（1489 cmSymbolm@@1处） 优于金纳米岛状薄膜（单层pATP分子吸附在金膜上的质量约0.32 μg， 相对于裸硅晶体上同等质量下pATP分子的红外吸收谱图， 金膜对1593和1489 cmSymbolm@@1处吸收峰的增强因子均为20）。

两种增强基底上pATP分子振动吸收峰相对强度的差异可能由pATP分子在两种基底上的吸附取向不同导致。

3.3.2 银纳米山脉增强基底用于BSA的定量检测

为了进一步评价所制备增强基底的增强效果和在传感分析中的应用潜力， 考察了基于银纳米山脉增强基底对不同浓度的BSA的红外吸收响应。如图7所示， BSA在基底上吸附后， 在酰胺I带和II带处出现明显的特征吸收峰。随着BSA分子浓度从5×10Symbolm@@10 mol/L增加到4×10Symbolm@@7 mol/L， 1538 cmSymbolm@@1处酰胺Ⅱ带的特征峰强度逐渐增加（图7A）; 随着BSA浓度从4×10Symbolm@@7 mol/L增加到4×10Symbolm@@5 mol/L， 体系呈基本饱和状态， 表明BSA分子在基底上达到了吸附饱和。非线性曲线拟合显示， 此过程符合Langmuir吸附过程（R2=0.98）， 如图7B所示。即在10 mmol/L PBS（pH=6.5）中， 带负电的BSA分子通过静电相互作用形成单层覆盖， 吸附在下层带正电的pATP分子表面。在5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7 mol/L 浓度范围内， 1538 cmSymbolm@@1处吸收峰强度与BSA浓度呈较好的线性关系（R2=0.99）， 如7B插图所示。通过相应的标准曲线拟合， 银纳米山脉基底对BSA分子的检测灵敏度为12178 OD（mol/L）。银纳米山脉红外增强基底对PBS溶液中BSA分子的检出限（LOD， S/N=3）为7.2×10Symbolm@@12 mol/L。 上述结果表明， 所制备的增强基底在中红外区域具有良好的增强效果， 在红外传感领域显示了极大的应用潜力。值得注意的是， 本研究制备的银纳米山脉增强基底由银纳米薄膜基底经pATP分子吸附诱导结构转化而得， 基底表面已经饱和吸附了单层pATP分子。在基底制备过程中引入的pATP分子可能通过进一步的电化学净化或等离子体清洗等方法去除， 进而获得表面洁净的增强基底， 可进一步拓展银纳米山脉增强基底的应用范围， 提升其性能。

4 結 论

本研究基于巯基分子对化学沉积在硅晶体上的银纳米薄膜的结构转化效应， 并基于此现象原位制备了具有良好电磁增强效应的用于表面增强红外传感的新型纳米山脉银膜基底。此基底对模式探针分子pATP的增强因子可达50， 优于传统的金纳米岛状薄膜， 并能够对溶液中的BSA分子进行原位检测， 定量分析范围为5×10Symbolm@@10～4×10Symbolm@@7mol/L， 在高性能光谱传感中显示出较好的应用潜力。本研究将为在硅材料或其它衬底表面构建和扩展单、双金属纳米结构提供一种方便且通用的策略， 在生物传感器、催化和电子器件等领域具有良好的应用前景。

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