单金纳米棒的光散射分析化学: 径向比与分析灵敏度的关系

1 引言

局域表面等离子体共振(localized surface plasmonresonance, LSPR)是指入射光与比其波长小的金属纳米颗粒作用, 引起纳米颗粒表面自由电子与特定入射光相同频率的振荡. 由于 LSPR 的存在, 金属纳米颗粒显示出独特的光吸收及散射特性, 这些性质受颗粒形状、尺寸和所处环境等因素影响. 因为金属纳米颗粒表面任何细微的变化均能引起LSPR光谱的改变, 因而其常被用于物理、化学和生物学领域的分析检测. 其中, 金纳米颗粒(gold nanoparticles,AuNPs)由于具有制备简单、易于修饰、稳定性和生物相容性好等优点而成为LSPR光谱分析研究的主要对象.

金纳米棒(gold nanorods, AuNRs)是一种尺度从几十纳米到几百纳米的棒状结构. 通常, AuNRs 两端具有强的增强电场, 且等离子体共振分裂为两个带,分别对应自由电子垂直和平行于棒的长轴振荡模式. 前者为横向模式, 在 520 nm 附近显示出共振带, 与球形颗粒的等离子体带一致; 后者为纵向模式, 其共振发生红移, 且强烈依赖于 AuNRs 的长度. 随着AuNRs 的径向比增大, 横向吸收波长非线性地向短波长方向缓慢移动, 而纵向吸收波长则向长波长方向快速移动; 当径向比为 1 时, 横向与纵向吸收波长在 530 nm 附近重叠. AuNRs 独特的光学性质在分析检测、医学成像及癌症治疗等领域均具有巨大的应用潜力.

2 实验部分

2.1 仪器与试剂

所使用仪器包括 U-3010 型紫外-可见分光光度计(岛津公司, 日本)、S-4800 型扫描电子显微镜(日立公司, 日本)、奥林巴斯 BX-51 正立光学显微镜(奥林巴斯, 日本)、DP72 型彩色 CCD 相机(奥林巴斯, 日本)、成像型单色仪(MicroSpec 2300i, Roper Scientific,美国)、光谱型增强 CCD 相机(PI-MAX, PrincetonInstrument, 美国)、数显智能控温磁力搅拌器(郑州长城科工贸有限公司, 中国)和 MVS-1 型旋涡混合器(海门市其林贝尔仪器制造公司, 中国).

氯金酸(HAuCl43H2O, 国药集团化学试剂有限公司, 中国)、硼氢化钠(NaBH4, 阿拉丁)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB, 成都市科龙化工试剂厂, 中国)和抗坏血酸(Vc, 重庆川东化工有限公司, 中国)均为分析纯. 实验所用水为超纯水, 电阻为 18.2 M.

2.2 金纳米棒的制备

AuNRs 参考文献[14]制备. 取洗净的 25 mL 锥形瓶, 依次加入 1.25 mL HAuCl4(2 mmol/L)溶液、4.4mL H2O、3.75 mL CTAB (0.2 mol/L)溶液、0.6 mLNaBH4(0.01 mol/L)溶液, 混合均匀, 在 25~30℃下放置 2 h 制得浅褐色金种. 取洁净的 10 mL 比色管, 依次加入 1 mL HAuCl4(2 mmol/L)溶液、0.8 mL CTAB(0.2 mol/L)溶液、7.55 mL H2O、0.6 mL Vc (0.1 mol/L)溶液、0.05 mL 金种(原液稀释 100 倍), 混匀, 在25~30℃水浴中静置 24 h 即制得 AuNRs.

2.3 金纳米棒的表征

用 U-3010 紫外-可见分光光度计测定 AuNPs 的吸收. 采用硅片作为基底, 在扫描电镜 S-4800 下对AuNPs 成像, 加速电压为 30 kV. 采用玻片作为基底,在BX-51暗场显微镜下使用100倍物镜观察, 同时对经过彩色 CCD 相机的散射光进行拍摄.

取 1 mL AuNPs 溶液于 1.5 mL 离心管中, 10000r/min 离心 10 min. 弃去上层清液, 用 1 mL 去离子水重悬, 并将重悬后的溶液置于50℃水浴中保温5 min.重复上述操作 1 次. 将盖玻片与载玻片用铬酸洗液处理 30 min, 去离子水洗净, 氮气吹干. 在载玻片(正面中部标有十字划痕)两端用胶水固定两片小的盖玻片,以形成凹槽. 取 10 L 重悬后的 AuNPs 溶液, 滴加到凹槽中, 沉积约 30 s, 用大量的自来水冲洗载玻片,除去未沉积的 AuNPs, 去离子水润洗后用氮气吹干.在凹槽中滴加 60 L 去离子水, 盖上盖玻片, 使用100物镜, 在暗场显微镜下, 选取含红色粒子的区域拍照. 根据其与划痕的相对位置, 在电镜下找到该区域并拍照.

2.4 不同径向比金纳米棒的折光率灵敏度考察

在暗场显微镜下, 以空气作为介质, 选取含红色粒子较多的区域拍照, 对其中的红色粒子进行编号,并对编号的粒子进行单颗粒散射光谱扫描. 更换介质后, 根据红色粒子与划痕的相对位置, 再次找到这些粒子, 扫描其单颗粒散射光谱. 所用介质依次为水、乙醇、正丁醇、乙二醇和香柏油, 对应的折光率分别为 1.333、1.361、1.399、1.432 和 1.518.

3 结果与讨论

3.1 金纳米棒的表征

所合成的 AuNPs 在 532 nm 处有明显的吸收峰, 与文献中报道的立方体金纳米粒子的吸收峰位置(538 nm)接近. 径向比约为 3 的AuNRs 在 520 nm 附近及更长波长处各有一个吸收峰,分别对应于横向模式和纵向模式. 随着径向比的减小, 横向吸收波长非线性地向长波长方向缓慢移动, 同时纵向吸收波长向短波长方向快速移动.

3.2 iDFM 与 SEM 结合表征金纳米棒

为了进一步确定红色散射光来源于 AuNRs, 结合 iDFM 与 SEM 对同一纳米粒子进行表征. 由图 2确定具有红色散射光的5个粒子均为AuNRs. 实际上,结合文献报道和本课题组的前期研究,有理由认为, 所有散红色光的粒子均为 AuNRs. 同时,具有不同径向比的 AuNRs 在暗场光散射成像图中的颜色不同. 按照散射光中间部位黄色程度由小到大的顺序对被编号的 5 个红色粒子排序为: 3 5 1. 通过测量计算得知, 1~5 号这 5 个粒子的径向比依次为 1.62、1.81、3.00、2.09 和 2.01, 即 AuNRs 的径向比越大, 其散射光的红色程度越大. 产生这种现象的原因是 AuNRs 的光学性质具有方向性, 纵向模式的散射光为红色, 而横向模式的散射光为绿色,并且随着径向比的增大, 纵向模式共振峰位置发生红移且散射值增加, 横向模式共振峰位置发生蓝移且散射值降低, 从而导致散射光红色程度越来越大.因此, 根据散射光的颜色可以初步判断 AuNRs 径向比的高低.

3.3 散射光谱与金纳米棒径向比的关系

进一步考察了单个金纳米棒散射光谱与其径向比的关系.可以看出, AuNRs 的形状比较规则, 属于典型的短棒结构. 通过测量计算得知, 从左到右(1~5 号) 5 个 AuNRs 的径向比依次为 1.56、1.74、1.79、2.01 和 2.53, 与其对应的散射光谱峰位置依次为 608、621、644、671 和 727 nm, 即随着 AuNRs的径向比增大, 其散射峰位置逐渐红移, 即 AuNRs的径向比越大, 则其散射光的红色程度越大, 这与前面得出的结论一致.

4 结论

本文结合暗场显微成像分析与扫描电子显微镜对金纳米粒子进行表征. 通过对比不同径向比金纳米棒的等离子体共振光散射性质研究表明, 以载玻片作为基底的金纳米棒具有红色的散射光, 且径向比越大, 金纳米棒散射光越红. 金纳米棒在水介质中的单粒子散射峰位置与径向比存在线性关系.

对于介质响应灵敏度与金纳米棒径向比关系的研究结果显示, 随着周围介质折光率的增大, 同一个金纳米棒的散射峰位置逐渐红移; 不同径向比的单个金纳米棒对周围介质折光率变化的敏感程度不同.在一定范围内, 径向比越大, 对折光率变化越敏感.这为进一步构建高灵敏的生物传感器, 提高分析检测的灵敏度提供了很好的理论依据.