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（localizedsurfaceplasmonresonance，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（goldnanoparticles，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（goldnanorods，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520nm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530nm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U3010型紫外可见分光光度计（岛津公司，日本）、S4800型扫描电子显微镜（日立公司，日本）、奥林巴斯BX51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（MicroSpec2300i，RoperScientific，美国）、光谱型增强CCD相机（PIMAX，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MVS1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。2M。
　　2。2金纳米棒的制备
　　AuNRs参考文献〔14〕制备。取洗净的25mL锥形瓶，依次加入1。25mLHAuCl4（2mmolL）溶液、4。4mLH2O、3。75mLCTAB（0。2molL）溶液、0。6mLNaBH4（0。01molL）溶液，混合均匀，在2530下放置2h制得浅褐色金种。取洁净的10mL比色管，依次加入1mLHAuCl4（2mmolL）溶液、0。8mLCTAB（0。2molL）溶液、7。55mLH2O、0。6mLVc（0。1molL）溶液、0。05mL金种（原液稀释100倍），混匀，在2530水浴中静置24h即制得AuNRs。
　　2。3金纳米棒的表征
　　用U3010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S4800下对AuNPs成像，加速电压为30kV。采用玻片作为基底，在BX51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1mLAuNPs溶液于1。5mL离心管中，10000rmin离心10min。弃去上层清液，用1mL去离子水重悬，并将重悬后的溶液置于50水浴中保温5min。重复上述操作1次。将盖玻片与载玻片用铬酸洗液处理30min，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10L重悬后的AuNPs溶液，滴加到凹槽中，沉积约30s，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60L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532nm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（538nm）接近。径向比约为3的AuNRs在520nm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。2iDFM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：351。通过测量计算得知，15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（15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727nm，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。