刘自纯，李文嘉，余洁，李为娇，胡兰兰，金姗霞，李跃英，叶勇

（湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062）

表面增强拉曼光谱研究尼古丁与金属纳米粒子的相互作用

刘自纯，李文嘉，余洁，李为娇，胡兰兰，金姗霞，李跃英，叶勇

（湖北大学化学化工学院，湖北 武汉430062）

以金、银纳米及Au＠Ag、Au－Ag合金复合纳米粒子为基底，研究尼古丁分子的表面增强拉曼光谱，讨论分子在4种纳米粒子表面的作用方式及可能的吸附取向.结果表明，分子在金纳米和Au－Ag合金纳米粒子表面的吸附取向相同——垂直吸附，不同的是与金纳米粒子形成了稳定的N—Au键；由于银纳米粒子和Au＠Ag核壳纳米粒子表面均富含大量银，因此分子在这两种纳米表面为相同的末端吸附取向，不同的是与银纳米粒子形成了Ag—N键和Ag—C键.

表面增强拉曼光谱；尼古丁；金属纳米粒子

尼古丁（nicotine），又称烟碱（N－甲基－2［α（β，γ）］－吡啶基四氢吡咯），是一种含有吡啶和四氢吡咯环的生物碱，占烟草总生物碱含量的90% 以上，是致癌成分亚硝铵的重要前体物.尼古丁既与nAChRs（烟碱乙酰胆碱受体）相互作用从而影响神经递质的释放，又通过多巴胺作用机制而控制运动性兴奋效果［1－2］，由于其作用机制的复杂性，对尼古丁的研究一直是热点之一.表面增强拉曼光谱（SERS）是一种具有表面效应的分子振动光谱，可用于单分子检测、痕量分析和界面分析等方面.1994年，Barber等人研究了吸附在银电极表面的尼古丁分子的SERS光谱［3］，随后，BarberBell和Jung Jaehyun等人又分别研究了吸附在囊状银纳米聚合体表面和以PDMS微观流体为溶剂的银纳米表面的SERS光谱［4－5］，使该分子的检测限低于1.0×10－7.

本文中选择了金纳米粒子、银纳米粒子、Au－Ag合金纳米粒子和Au＠Ag核壳纳米粒子作为基底材料来研究尼古丁分子的SERS光谱，一方面丰富了尼古丁分子SERS检测方法，探讨了该分子在不同纳米材料表面的作用方式和可能的吸附取向，另一方面为进一步研究尼古丁分子在体内与生物大分子（DNA、血清蛋白等）的相互作用机制提供方法基础.

1 实验部分

1.1 试剂与仪器尼古丁购于武汉烟草研究所，纯度为99%；氯金酸、硝酸银和二水合柠檬酸钠均为国产分析纯；所有溶液均用二次去离子水配制.

Lambda 2300型紫外－可见光谱仪，狭缝宽度为1.5nm，扫描范围为400～800nm；日本电子公司生产的JEM—100SX型投射电子显微镜，电压为2 000V；Renishaw inVia型共聚焦拉曼光谱仪（英国雷尼绍公司生产），激发光源为632.8nm氦氖激光器，激光功率为20mW，累计积分时间为10s，Dmlm型显微镜（德国Leica公司生产），分辨率为2cm－1，50倍物镜.

1.2 实验步骤用柠檬酸钠法合成金纳米粒子［6］和银纳米粒子［7］.金纳米粒子的制备：将100mL 0.01%HAuCl4溶液加热至沸腾，在高速搅拌的条件下将适量1%Na3C6H5O7溶液迅速地加入沸腾溶液中，冷凝回流30min撤去热源，继续搅拌15min.银纳米粒子的制备：将100mL 5×10－4mol·L－1的AgNO3溶液加热搅拌至沸腾，然后向其中逐滴加入适量的1%Na3C6H5O7溶液，继续加热，沸腾1h后冷却至室温.

Au＠Ag核壳纳米粒子的制备［8］：将19mL 0.01%的HAuCl4溶液加热至沸腾，向其中加入适量1%Na3C6H5O7溶液，持续沸腾30min后冷却至室温，然后稀释至95mL，再一次性加入1mL 1%Na3C6H5O7溶液，加热至沸，向其中逐滴加入5mL AgNO3溶液，继续加热回流1h后停止反应.

Au－Ag合金纳米粒子的制备［9］：将50mL一定浓度的HAuCl4溶液加热至沸腾，然后加入50mL等物质的量的AgNO3溶液，加热沸腾，迅速地加入适量的Na3C6H5O7溶液，并快速搅拌，沸腾后持续加热30min然后停止加热.

2 结果与讨论

2.1 金属纳米粒子的表征图1为金、银纳米粒子和Au＠Ag、Au－Ag合金复合纳米粒子的TEM图.从图1中可观察到，金纳米粒子呈规则球形，平均粒径约为25nm；银纳米粒子呈现多种规则形状，如球形、棒状等；Au－Ag合金纳米粒子呈颜色均一的球形，平均粒径约为30nm；Au＠Ag核壳纳米粒子呈现内深外浅的颜色分布，其核壳结构已基本形成，平均粒径约为30nm.在室温下，金纳米粒子可以稳定6个月，而Au－Ag合金纳米粒子和Au＠Ag核壳纳米粒子分别只能稳定3周和4周.

4种金属纳米粒子的UV－Vis谱图如图2所示.金、银纳米粒子的最大吸收峰分别位于520nm和410nm处；Au－Ag合金纳米粒子只有一个最大吸收峰，并位于金纳米粒子和银纳米粒子的最大吸收峰之间，也说明已经形成合金结构，而不是混金结构［10］；Au＠Ag核壳纳米粒子仅在398nm处有一个最大吸收峰，说明已经形成核壳结构［11］.由此可以得出，4种金属纳米粒子已成功地合成.

图1 4种纳米粒子的TEM图

图2 4种拉曼增强基底的UV－Vis光谱图

图3 尼古丁分子的RS和SERS光谱图

2.2 表面增强拉曼光谱分析尼古丁分子在6 3 2.8nm激光光源下的RS和SERS光谱如图3所示，谱峰归属详见表1.为了深入地研究尼古丁分子在不同金属纳米粒子表面的作用方式，本文中首先研究了400～200cm－1之间分子的SERS光谱.在以单金属纳米为基底材料的SERS光谱中，位于259和257cm－1两处出现了较弱的N—Au键和N—Ag键伸缩振动峰［12－13］，可初步说明分子是分别通过形成化学键作用于两种单金属纳米表面.根据表面选择规则，只有在垂直于增强基底表面的分子，其振动谱峰才能得到较大增强；平行于增强基底表面的分子，其振动谱峰增强较小［14］.在图3（d）的227cm－1处出现了甲基的C—H面内弯曲振动［15］，由此可以说明分子中甲基接近垂直于Au－Ag合金纳米粒子.

吡啶环上C—H伸缩振动峰在图3（a）中位于3 066cm－1处，而在图3（b、c）中分别蓝移至3 067和3 070cm－1处，吸附前后频率之差小于5cm－1；分子内吡啶环的环呼吸振动峰在图3（a）中位于1 030 cm－1处，而在图3（b、c）中此峰强度均增强并红移1cm－1；同时环内的“三角环”呼吸振动峰在图3（a）中位于1 047cm－1处，而在图3（b、c）中此峰强度均增强，由此可知分子中吡啶环垂直于金纳米和银纳米表面［16］.

分子内吡啶环的两个特征谱峰——环呼吸振动峰和环内的“三角环”呼吸振动峰，在吸附前后均出现不同程度的增强.通过比较两谱峰的相对强度，可获得分子在4种金属纳米表面的作用方式.在金纳米粒子和Au－Ag合金纳米粒子表面时“三角环”呼吸振动峰的强度与环呼吸振动峰的基本相当，说明两种振动模式的增强程度相当，因此吡啶环仅以N原子为作用主体垂直于两种纳米表面［17］（见图4）；而在银纳米和Au＠Ag核壳纳米表面时，“三角环”呼吸振动峰的强度却低于环呼吸振动峰的二分之一，说明“三角环”呼吸振动模式对于SERS贡献小于环呼吸振动模式，因此分子中吡啶环已失去α－H原子而形成α－吡啶基，以N原子和相邻C原子为作用主体垂直于纳米表面［18］.从表1的对比研究可以看出，N—CH3的C—H键的伸缩振动峰和四氢吡咯环上C—H键的面内弯曲振动峰仅在以Au＠Ag核壳纳米粒子为基底的SERS光谱图中出现，说明四氢吡咯环和甲基非平行吸附于金属的表面［14］，因此最佳的作用方式如图4.

表1 尼古丁分子的拉曼光谱和表面增强拉曼光谱的数据及波谱解析

图4 尼古丁分子在4种纳米表面的作用方式

从图3可以观察到，在Au＠Ag核壳纳米表面时，分子的特征峰强度增强最大，说明电磁增强机理在此体系中的所占比例最多，因此在位于2 679cm－1处出现了稳定剂柠檬酸钠分子中—COOH基的倍频峰，在2 217cm－1处出现了弱且宽的羧酸二聚体的合频峰.

3 结论

1）从TEM和UV－Vis图可得出，球形Au＠Ag核壳纳米粒子和Au－Ag合金纳米粒子已合成成功.

2）选择多种纳米粒子为基底，研究了尼古丁分子的表面增强拉曼光谱，通过对比分子的两个特征峰的相对强度研究了尼古丁分子在4种金属纳米表面的作用方式及吸附取向.结果表明，分子在金纳米和Au－Ag合金纳米粒子表面的吸附取向相同——垂直吸附，分子在银纳米和Au＠Ag核壳纳米表面为相同的末端吸附取向.

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Surface－enhanced Raman spectral studies on the interaction between nicotine and metal nanoparticles

LIU Zichun，LI Wenjia，YU Jie，LI Weijiao，HU Lanlan，JIN Shanxia，LI Yueying，YE Yong
（Scool of Chemistry and Chemical Engineering，Hubei University，Wuhan 430062，China）

In present work，four adsorbing substrates（gold nanoparticles，silver nanoparticles，gold－silver core－shell nanoparticles and gold－silver alloy nanoparticles）were synthesized.The possible adsorption orientation and interaction behavior of nicotine on these adsorbing substrates were investigated respectively by the surface－enhanced Raman spectroscopy.It was concluded that the molecule was adsorbed on the surfaces of the gold and the gold－silver alloy nanoparticles，with a similar vertical adsorption orientation.Nicotine molecule interacted with the gold surface directly through the N—Au bond.However，as the surfaces of the silver and gold－silver core－shell were rich in Ag，the molecule employed an extremity adsorption orientation.Nicotine molecule interacted with the silver surface directly through the Ag—N bond and Ag—C bond.

surface－enhanced Raman spectra；nicotine；metal nanoparticles

O657.3

A

1000－2375（2011）04－0521－04

2010－09－22

湖北省自然科学基金（2008CDB259）资助

刘自纯（1985－），女，硕士生，E－mail：0406150024＠163.com

（责任编辑 胡小洋）