表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering，SERS)是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，吸附分子的拉曼信号比普通拉曼信号大幅增强的现象^[1]。它具有灵敏度高、水分子干扰小及适合于研究界面效应等特点，被广泛用于表面研究和界面吸附状态研究，以获取分子表面取向、构型、吸附结构等信息^{[2, 3]}。20世纪90年代后期，SERS技术成为新兴的单分子科学研究的重要手段之一。Nie S等人^[4]采用氩离子激光器的514.5 nm为激发光源，得到罗丹明6G分子吸附在单个银纳米颗粒上的高质量表面增强共振拉曼光谱谱图，扣除该体系存在的共振拉曼效应的贡献，其表面增强拉曼因子达到10⁹或更高，远远高于通常所公认的10⁶。由于表面增强拉曼是实现单分子的拉曼光谱检测的必要手段，因此如何制备出高效的SERS活性基底就显得尤为重要。银溶胶以其制备方法简单多样^[5]、增强效果显著而得到了广泛的应用，其性能与纳米银粒子的聚集状态、大小和形状密切相关^{[6, 7, 8, 9]}。因此，在制备纳米银溶胶粒子时，各种参数的控制直接影响到以银溶胶为基底的样品拉曼信号的增强效果。

本工作采用硼氢化钠还原硝酸银的方法，通过控制振荡器的转速分别得到银纳米微球及银纳米棒，用并将这两种纳米粒子组装在表面修饰了APTMS的玻璃片上，制得具有表面增强拉曼活性的基底，用原子力显微镜对两种基底进行了表征，并以罗丹明6G和罗丹明B为探针分子检测这两种基底的SERS活性，结果表明这两种基底均为较理想的SERS衬底。

硝酸银、3-氨丙基-三甲氧基硅烷(3-amino-propyltrimethoxysilane，APTMS)、罗丹明6G(Rhodamine 6G，R6G)、罗丹明B(Rhodamine B，RB)、柠檬酸三钠和硼氢化钠均为分析纯试剂，所用试剂未经纯化直接使用，实验用水为二次蒸馏水。

所选用的基材为载玻片，使用前将其切割为1 cm×1 cm的基片，先将基片用丙酮超声清洗5 min以除去表面的油污，然后再将其放入配制好的Piranha溶液[体积比为7︰3的浓硫酸(98%)和双氧水(30%)混合配制]中，于90 ℃氧化清洗1 h，氧化完成后，将基片取出用二次水清洗，氮气吹干。所有的玻璃器皿都要用新配制的王水(体积比为3∶1的浓盐酸和浓硝酸混合)浸泡15 min。

不同形状的银纳米粒子由WHY-2S数显旋转水浴恒温振荡器(中国，金坛诚辉仪器厂)制备。银纳米粒子的结构和表面形貌采用SPI-3800N型原子力显微镜(AFM，Seiko，Japan)在TAP模式下测定。银纳米粒子的光学特性采用UV-2550型紫外-可见分光光度计(UV-Vis，日本岛津公司)进行测定。R6G和RB的表面增强拉曼散射(SERS)是由德国Bruker公司的RFS 100/s近红外傅立叶变换拉曼光谱仪测定，激发波长为1064 nm，扫描次数为50次。

将0.2 mL质量分数为1%的柠檬酸三钠溶液注射到20 mL质量分数为 0.01%的AgNO₃溶液中，平行两份，不断振荡，分别调节振荡器转速为190 r/min(1号)和130 r/min(2号)；1 min后，再分别加入1 mL质量分数为0.075%的硼氢化钠的柠檬酸三钠溶液，两份溶液立即变为黄色，继续振荡5 min，1号溶液最后稳定为亮黄色(银纳米微球)，2号为亮黄褐色(银纳米棒)。

分别将5 mL银纳米微球及5 mL银纳米棒离心并用蒸馏水清洗3遍，再次分散到3 mL蒸馏水中，再将表面修饰了APTMS的玻璃基片分别投入盛有两种银纳米粒子的容器中，室温避光的条件下自组装3 h，通过静电力的吸引从而在基片表面分别得到相应的银纳米粒子有序阵列。

清洁的基片表面修饰APTMS:将基片浸入10 mmol APTMS的丙酮溶液，自组装30 min后再用丙酮清洗，室温下晾干。最后将活性基底浸入1×10^-6 mol·L^-1的R6G和1×10^-6 mol·L^-1的RB溶液中，吸附了R6G和RB的Ag基底用于SERS检测。

硅烷偶联剂APTMS经水解反应、脱水缩合后，其中与每个Si原子相连的一端均为羟基，清洁的玻璃基片表面也布满了羟基，两者先形成氢键，再脱水缩合，最终APTMS以共价键的形式稳定地键合于玻璃基片表面。玻璃基片表面修饰APTMS机理示意图如图 1所示。

图 1

Fig. 1

图1 玻璃基片表面修饰APTMS机理示意图 The surface modified mechanism of a glass plate with APTMS

银纳米粒子的光学性质在很大程度上依赖于它自身尺寸的大小，本文分别测定了银纳米微球及银纳米棒的紫外光谱，观察了它们的光学性质的变化，如图 2所示。在390 nm处出现银纳米粒子的等离子共振吸收峰，并且吸收峰的峰形对称(见图 2a)，说明银纳米微球大小均匀，具有良好的分散性；银纳米棒不仅在390 nm处出现Ag的等离子共振吸收峰，而且在415 nm附近出现了肩峰，吸收峰也有明显的宽化现象(见图 2b)，这可能是由于银纳米棒的不完全对称结构，使得它出现不同于银纳米微球的光学特性。

图 2

Fig. 2

图2 银纳米微球(a)和银纳米棒(b)的紫外光谱图 UV-Vis spectrum of silver nanoparticles (a) and silver nanorods (b)

用振荡法制备银溶胶，通过调节振荡器的转速得到银纳米微球及银纳米棒。为观察所得到的纳米粒子的形状及粒径分布情况，对这两种银纳米粒子进行了原子力显微镜表征，如图 3所示。从图 3(a)可以看到，银纳米微球具有良好的单分散性，平均粒径为15 nm；图 3(b)是银纳米棒的原子力显微镜图，从图中发现粒子团聚非常严重，原因可能是在向硝酸银中加入还原剂硼氢化钠时，由于振荡器转速比较慢(130 r/min)，使得生成的Ag纳米粒子局部浓度过高，而起稳定银颗粒作用的柠檬酸根又没有及时吸附在银颗粒表面，结果导致了银纳米棒的团聚。

图 3

Fig. 3

图3 银纳米微球(a)和银纳米棒(b)的原子力显微镜图 AFM images of silver nanoparticles (a) and silver nanorods (b)

为了检测这两种银纳米粒子的表面增强拉曼(SERS)活性，本文通过静电引力，分别在修饰了APTMS的玻璃基片表面自组装这两种银纳米粒子，形成紧密堆积的有序阵列。我们知道APTMS属于烷基胺，当pH值小于10时，烷基胺(R—NH₂)的存在形式一般为R—NH⁺₃，末端氨基是质子化的^[10]。通过硼氢化钠还原硝酸银得到粒度较小的Ag纳米粒子，即为银溶胶，硼氢化钠将Ag⁺还原为Ag单质，多余的吸附在Ag纳米粒子表面使其表面带负电荷，形成负溶胶^[11]，然后通过静电相互作用，Ag纳米粒子便牢固地组装于玻璃基片表面。图 4是这两种银基底的原子力显微镜图。从图 4(a)可以看出，银纳米微球在玻璃基片表面形成了较为致密的银膜；而由银纳米棒组装的基底表面不平整(见图 4b)，这主要与银纳米棒自身的团聚有关。通过对这两种基底表面形貌的观察，我们发现它们都满足具有SERS活性的基本要求，即基底表面要有一定的粗糙度，并且粒子是以聚集态存在的。

图 4

Fig. 4

图4 银纳米微球及银纳米棒基底的原子力显微镜图 AFM images of silver nanoparticles (a) and silver nanorods (b) substrates

SERS是一种非常有用的检测拉曼信号的工具，SERS效应发生在特殊的实验条件下，对金属的表面形貌有特殊的要求。要得到较强的拉曼增强信号，金属的类型是一个重要的因素，另一个重要的因素是入射光的频率要和SERS基底的表面基元共振的频率匹配。基元共振的频率由金属的种类、颗粒的形状和大小决定，贵金属金、银、铜对可见光激发的增强能力较高，其中又以银的增强能力最强，金和铜次之。SERS活性基底的制备一直是SERS领域的研究热点之一，制备出均匀、稳定的基底一直是多年来研究工作者的追求目标。

本文中，我们通过静电引力在玻璃基片表面自组装了银纳米微球及银纳米棒，并对它们进行了SERS检测。让这两种基底吸附浓度分别为1×10^-6 mol·L^-1的R6G分子，然后再检测拉曼信号，结果发现这两种基底都能使R6G的拉曼信号增强，但相对而言，银纳米微球基底的增强效果更好一些，如图 5所示。同样，让这两种基底分别吸附浓度为1×10^-6 mol·L^-1的RB分子，检测它们的拉曼信号，得到了相同的结果，银纳米微球基底的拉曼增强效果还是要优于银纳米棒基底，如图 6所示。

图 5

Fig. 5

图5 浓度为1×10-6 mol·L-1的R6G分子吸附在银纳米微球及银纳米棒基底上的SERS光谱图 SERS spectrum of R6G adsorbed on silver nanoparticles (a) and nanorods (b) substrate with the concentration of 1×10-6 mol·L-1

图 6

Fig. 6

图6 浓度为1×10-6 mol·L-1的RB分子吸附在银纳米微球及银纳米棒基底上的SERS光谱图 SERS spectrum of RB adsorbed on silver nanoparticles (a) and nanorods (b) substrate with the concentration of 1×10-6 mol·L-1

通过调节振荡器的转速制备了银纳米微球和银纳米棒，并将这些纳米粒子分别自组装于玻璃基片表面，从而得到SERS活性基底。分别以浓度为1×10^-6 mol·L^-1的R6G和RB为探针分子对这两种基底进行了SERS检测，发现这两种基底都能使R6G和RB的拉曼信号得到增强，尤其银纳米微球基底的增强效果最为显著。