一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料及其制备方法与流程

本发明涉及一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料及其制备方法，属于新型纳米材料的制备及应用领域。

背景技术：

表面粗糙的Ag、Au贵金属纳米材料由于在近红外光区域具有独特的局域表面等离子共振模式，经过光激发能够在贵金属表面附近形成强大的电磁场，因此对负载物质具有显著的表面增强拉曼散射(SERS)效应，用以实现生物分子的微量分析以及活性细胞的精细探测，在肿瘤细胞诊断及光热治疗等特殊领域产生深远影响。构建新型纳米结构进而有效提高表面粗糙程度，是显著提高探针分子SERS性能的决定性因素，不仅对基础科研具有极其重要的意义，更是推进探针分子在生物医药领域取得突破性进展的至关重要环节。

相比于纳米壳层或空心以及多孔等结构，多枝状构型如花状、海胆状、蒲公英状、海星状等具有更为突出的尖针形貌，以及拥有极大的表面粗糙程度。尤其是与其它构型相比，丰富密集的细长枝状结构在外界光激发下，能产生更加无可比拟的强大电磁场，为后续深入探索细胞分子的SERS效应提供了理想的纳米载体。

研究人员利用经典化学合成技术，包括种子生长法、水热法、多元醇还原法等，主要实现了多枝状Ag或Au的单一金属纳米材料的调控制备。目前，大量研究结果表明单一Au或Ag纳米枝状材料对负载的探针分子的SERS增强因子为10⁶-10⁹(Nanoscale,2014,6,8891–8899；RSC Adv.，2016,6,29669-29673；J.Phys.D:Appl.Phys.，2009,42,175403)。如果能够可控合成出多枝状Ag@Au双金属纳米材料，不仅可以利用显著的枝状表面粗糙构型，而且双金属之间具有独特的协同效应还能够产生额外的电磁场增强效应，必将进一步提高负载在纳米材料表面的探针分子SERS性能。极少数的研究工作涉及到Ag@Au复合型纳米枝状材料(RSC.Adv.2014,4,3929-3933)的合成，现有技术中制备的Ag@Au复合型纳米枝状材料尺寸较大，在500纳米以上，对探针分子的增强效果并未得到显著增强。双金属之间的协同效应只有在材料尺寸减小至100nm以内，才能体现出优异的SERS特性。然而，主要用于SERS的Ag和Au由于极其相似的晶格结构，经过复杂的化学合成过程，往往会形成合金纳米颗粒，多枝状结构较少。此外，研究人员也注意到，即使在单一金属的多枝状纳米材料制备过程中，化学合成技术也存在一定的不足，包括不可避免地大量使用有毒、有害化学反应试剂以及带有苯环或卤素的活性剂、稳定剂、固化剂等。即使经过后期严格复杂的提纯过程，纳米材料依然携带有毒害的残留物质，难以在生物医药等领域中对微量活性分子的SERS探测得到实质性深入推广。

中国专利文献CN 101786170 A公开了具表面增强拉曼散射活性的菜花状纳米金－银合金的制备方法：将0.001mol/L的硝酸银与0.001mol/L植酸钠，以体积比30:1混合；加热至沸腾，温度保持在90-100℃。按上述硝酸银体积的1/50量，加入1％的柠檬酸三钠溶液，在90-100℃，反应3小时，制得由植酸稳定的纳米银簇分散液；分别取12-17m上述分散液于25ml的烧杯中，在搅拌下，将溶液加热至45-65℃后，缓慢滴加0.01mol/L高氯金酸1.5-2.4mL，搅拌25-35分钟后制得样品；得到的纳米颗粒的稳定性可达6个月以上、信号重现性好、具有表面增强拉曼效应。但该发明耗费时间长，成本较高。

中国专利文献CN 105436516 A公开了一种可控粒径高吸光强度多枝状胶体金纳米粒子的制备方法。首先采用常规柠檬酸三钠还原法，将氯金酸分子中的Au³⁺还原成Au0，得到圆球状胶体金种子。然后将胶体金种子加入至主要成分包括超纯水、氯金酸和柠檬酸三钠等溶液的生长液中，溶液混匀后加热至50℃，加快转速，同时一次性加入足量的对苯二酚溶液，混合溶液温度维持50℃，继续反应10min后停止加热，冷却至室温即得。该发明方法具有易操作，流程简单、反应迅速、可控性好、重复性高等特点。但该发明制备得到的是单纯金纳米粒子的多枝状胶体，需要使用对苯二酚有机试剂，不利于环保。

探索通过一种绿色环保简便的制备方法来获得尺寸较小的多枝状Ag@Au纳米材料是目前迫切需要解决的重要问题。因为这种独特的Ag@Au纳米枝状材料能够显著提高负载的探针分子SERS强度，有利于探测极低浓度(<10^-10M)的分子拉曼散射信号，有望在生物医药等特殊领域中对微量活性分子的SERS探测取得实质性进展。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料。该复合纳米材料尺寸较小(～50nm)，作为同时包含两种较强表面增强拉曼散射活性贵金属(Au、Ag)的复合纳米材料，对有机物4-氨基苯硫酚(4-ATP)的低浓度探测表现出优异的表面增强拉曼散射特性。

本发明还提供一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料的制备方法。该制备方法简便、绿色、高效、成本低。

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料，所述复合纳米材料中金的质量含量为60-75％，银的质量含量为25-40％。

根据本发明优选的，所述复合纳米材料为纳米颗粒堆积而成，所述纳米颗粒表面为枝状结构，且每一纳米颗粒均由中心实体结构和中心实体结构表面的细长枝结构组成，所述纳米颗粒尺寸大小为50-60nm。

优选的，所述中心实体结构表面的细长枝结构的数目≥20；进一步优选的，所述中心实体结构表面的细长枝结构的数目为20-30。

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)将硝酸银溶于去离子水中，加入表面活性剂聚山梨醇酯80(T80)，超声分散，得混合液；然后向混合液中加入金靶，利用激光烧蚀混合液中的金靶，得胶体溶液；胶体溶液经离心、干燥，得Ag@Au双金属纳米颗粒；

(2)将步骤(1)得到的Ag@Au双金属纳米颗粒超声分散于去离子水中，加入氯金酸水溶液和抗坏血酸水溶液，得反应液；于室温反应2-3min，得初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液；

(3)将步骤(2)得到的分散液与硝酸银的乙醇溶液混合，经激光辐照，得多枝状金银复合纳米材料分散液，经离心、洗涤、干燥，即得多枝状金银复合纳米材料。

根据本发明优选的，所述步骤(1)混合液中硝酸银的摩尔浓度为0.1-0.3mol/L；聚山梨醇酯80的体积浓度为0.2-0.6％。

根据本发明优选的，所述步骤(1)混合液中的金靶与硝酸银的质量比为80:1-80:3。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中激光烧蚀的波长为500-800nm，脉宽为10ns，频率为10Hz，功率密度为10-15GW/cm²；混合液液面激光束光斑尺寸为300-400μm。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中烧蚀时间为10-30min。

根据本发明优选的，所述步骤(1)中离心转速为16000-20000rpm，离心时间为8-15min。

根据本发明优选的，所述步骤(2)中氯金酸水溶液的浓度为0.02-0.06mol/L；抗坏血酸水溶液的浓度为0.06-0.1mol/L。

根据本发明优选的，所述步骤(2)反应液中Ag@Au双金属纳米颗粒的质量浓度为0.1-0.3％。

根据本发明优选的，所述步骤(2)反应液中Ag@Au双金属纳米颗粒、氯金酸和抗坏血酸的质量比为8：0.6-2：28。

根据本发明优选的，所述步骤(3)硝酸银的乙醇溶液中硝酸银的摩尔浓度为0.5-1.5mmol/L。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中的分散液与硝酸银的乙醇溶液的体积比为4:1-4:3。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中辐照波长为500-800nm，脉宽为10ns，频率为10Hz，功率密度为100-200mW/cm²；液面激光束光斑尺寸为300-400μm。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中辐照时间为1.5-5h。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中离心转速为6000-8000rpm，离心时间为8-15min。

有益效果如下：

1.本发明采用激光诱导光化学方法制备得到多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料，制备方法简单、可控、绿色环保、成本低。

2.本发明制备的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料与报道过的一般枝状纳米材料相比，尺寸较小，为50nm左右，较小的尺寸更利于发挥更好的表面增强拉曼散射效应。

3.本发明制备的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料发挥了金和银的独特协同效应，可以产生额外的电磁场增强效应；并且所制备的多枝状材料尺寸较小、表面粗糙，更能发挥出金银的协同效应，从而表现出优异的SERS特性。

4.本发明制备的多枝状金银(Ag@Au)复合纳米材料作为一种高性能基底，在表面增强拉曼散射方面表现出优异的性能，对于探针分子探测极限达到10^-14mol/L，增强因子可以达到10¹¹。尤其对于探针分子4-ATP，表现出优异的表面增强拉曼散射效果，在生物医学表面增强拉曼散射分析方面具有重要的应用价值。

附图说明

图1是实施例1步骤(1)制备得到的Ag@Au双金属纳米颗粒在不同放大倍数下的TEM图谱。

图2是实施例1步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料在不同放大倍数下的TEM图谱。

图3是实施例1步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料的元素分析图谱。

图4是实施例1制备得到的多枝状金银复合纳米材料在不同放大倍数下的TEM图谱。

图5是实施例1制备得到的多枝状金银复合纳米材料的元素分析图谱。

图6是实施例1制备得到的多枝状金银复合纳米材料a和步骤(2)中制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料b的X射线衍射谱对比图。

图7是试验例1中初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液中溶液吸收峰随氯金酸加入量变化的紫外-可见光吸收谱图。

图8是试验例2中得到的紫外-可见光吸收谱图。

图9是试验例3中样品对10^-10mol/L 4-ATP拉曼光谱的增强效果测试图。

图10是试验例3中实施例1制备的多枝状金银复合纳米材料做基底对不同浓度的4-ATP拉曼光谱的增强效果测试图。

图11是试验例3中实施例1制备的多枝状金银复合纳米材料做基底对10^-10mol/L 4-ATP拉曼光谱的增强效果重复性测试图。

图12是试验例3中实施例1制备的多枝状金银复合纳米材料基底的SEM图谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但不限于此。

同时下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中所用金靶为高纯金靶，纯度为99.99％，由北京合纵新材提供。

将高纯金靶(99.99％)在去离子水中超声振荡清洗5min，经45℃干燥备用。

实施例中1mmol/L的硝酸银的乙醇溶液的制备方法如下：称量3.4mg硝酸银，加入20mL乙醇，超声震荡5min至硝酸银完全溶解，即可制得1mmol/L的硝酸银的乙醇溶液。

实施例1

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料，所述复合纳米材料中金的质量含量为66％，银的质量含量为34％；所述复合纳米材料为纳米颗粒堆积而成，所述纳米颗粒表面为枝状结构，且每一纳米颗粒均由中心实体结构和中心实体结构表面的细长枝结构组成，所述纳米颗粒平均尺寸大小为50nm。

上述具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)在室温条件下，将0.34g硝酸银、40μL T80溶于10mL去离子水中，超声分散5min，得混合液；加入27.2g金靶，利用波长532nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度12GW/cm²的Nd-YAG激光器对混合液中金靶烧蚀20min，混合液液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得胶体溶液；辐照结束后，胶体溶液经18000rpm转速离心10min，取沉淀，于45℃干燥12h，得Ag@Au双金属纳米颗粒；所得Ag@Au双金属纳米颗粒中，Ag的质量含量为8％，Au的质量含量为92％。

(2)将0.016g步骤(1)得到的Ag@Au双金属纳米颗粒超声分散于4mL去离子水中,加入210μL 0.05mol/L的氯金酸水溶液和4mL 0.08mol/L的抗坏血酸水溶液，得反应液，于室温反应3min，得初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液；所述复合纳米材料中，Ag的质量含量为1.2％，Au的质量含量为98.8％。

(3)将4mL步骤(2)得到的分散液与3mL 1mmol/L的硝酸银的乙醇溶液混合，利用波长532nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度150mW/cm²的氦氖激光器进行激光辐照3h，液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得多枝状金银复合纳米材料分散液；将辐照结束后的纳米材料分散液放入离心管中，采用7000rpm的转速离心10分钟，将上清液取出，离心管中的沉淀超声振荡开，经洗涤、干燥，即得多枝状金银复合纳米材料。

本实施例步骤(1)制备得到的Ag@Au双金属纳米颗粒在不同放大倍数下的TEM图谱如图1所示。由图1可以得出，所制备的Ag@Au双金属纳米颗粒均为类球形或蝴蝶状的混合金属纳米材料，且平均尺寸为5nm。

本实施例步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料在不同放大倍数下的TEM图谱如图2所示。由图2可知，所制备的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料为多枝状结构，平均尺寸为40nm。

本实施例步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料的元素分析图谱如图3所示。由图3可以得出Au的相对含量要远远高于Ag的相对含量。

本实施例最终制备得到的多枝状金银复合纳米材料在不同放大倍数下的TEM图谱如图4所示。由图4可知，所制备的多枝状金银复合纳米材料为纳米颗粒堆积而成，所述纳米颗粒表面为枝状结构，且每一纳米颗粒均由内部实体结构和数目>20的细长枝结构组成，所述纳米颗粒平均尺寸为50nm。

本实施例最终制备得到的多枝状金银复合纳米材料的元素分析图谱如图5所示。由图5可知，Ag的相对含量要远高于初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料中银的相对含量。

本实施例最终制备得到的多枝状金银复合纳米材料的X射线衍射谱a和本实施例步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料的X射线衍射谱b对比图如图6所示。由图6可知，本发明制备的复合材料为金和银的复合纳米材料，由于Au与Ag的衍射峰位置极其相似，多枝状金银复合纳米材料的X射线衍射图像相比初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料会有所加宽。此外，本发明主要通过图5的元素分析测试结果来直接反应复合纳米材料中Au与Ag的相对含量。

实施例2-10

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤(2)中分别加入80、95、110、125、140、155、170、185、200μL0.05mol/L的氯金酸水溶液。

实施例11

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，如实施例1所述，所不同的是，步骤(3)中激光辐照时间为1.5h。

实施例12

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)在室温条件下，将0.17g硝酸银、20μL T80溶于10mL去离子水中,超声分散5min，得混合液；加入4.5g金靶，利用波长500nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度10GW/cm²的Nd-YAG激光器对混合液中的金靶烧蚀30min，混合液液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得胶体溶液；胶体溶液经18000rpm转速离心10min，取沉淀，于45℃干燥12h，得Ag@Au双金属纳米颗粒；

(2)将0.016g步骤(1)得到的Ag@Au双金属纳米颗粒超声分散于4mL去离子水中，得到Ag@Au双金属纳米颗粒溶液,加入210μL 0.05mol/L的氯金酸水溶液和4mL 0.08mol/L抗坏血酸水溶液，得反应液，于室温反应2min，得初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液；

(3)将4mL步骤(2)得到的分散液与3mL 1mmol/L的硝酸银的乙醇溶液混合，利用波长532nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度100mW/cm²的氦氖激光器进行激光辐照3h，液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得多枝状金银复合纳米材料分散液；将辐照结束后的纳米材料分散液放入离心管中，采用7000rpm的转速离心10分钟，将上清液取出，离心管中的沉淀超声振荡开，经洗涤、干燥，即得多枝状金银复合纳米材料。

实施例13

一种具有优异表面增强拉曼散射特性的多枝状金银复合纳米材料的制备方法，包括步骤如下：

(1)在室温条件下，将0.51g硝酸银、60μL T80溶于10mL去离子水中，超声分散5min，得混合液；加入20.4g金靶,利用波长800nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度15GW/cm²的Nd-YAG激光器对混合液中的Au靶烧蚀10min，混合液液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得胶体溶液；胶体溶液经18000rpm转速离心10min，取沉淀，于45℃干燥12h，得Ag@Au双金属纳米颗粒；

(2)将0.016g步骤(1)得到的Ag@Au双金属纳米颗粒超声分散于4mL去离子水中，得到Ag@Au双金属纳米颗粒溶液,加入210μL 0.05mol/L的氯金酸水溶液和4mL 0.08mol/L抗坏血酸水溶液，得反应液，于室温反应2min，得初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液；

(3)将4mL步骤(2)得到的分散液与3mL 1mmol/L的硝酸银的乙醇溶液混合，利用波长532nm、脉宽10ns、频率10Hz、激光功率密度200mW/cm²的氦氖激光器进行激光辐照3h，液面激光束的平均光斑尺寸为350μm，得多枝状金银复合纳米材料分散液；将辐照结束后的纳米材料分散液放入离心管中，采用7000rpm的转速离心10分钟，将上清液取出，离心管中的沉淀超声振荡开，经洗涤、干燥，即得多枝状金银复合纳米材料。

试验例1

氯金酸加入量对初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料的影响

测试样品：实施例1-10步骤(2)制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液。

测试方法：将测试样品置于4mL比色皿中，采用UV-1800,Shimadzu对其进行紫外-可见吸收光谱测试，测试结果如图7所示。其中，A-J曲线分别代表实施例2-10及1制备的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液的紫外-可见吸收光谱。

图7是实施例1-10制备的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液中溶液吸收峰随氯金酸加入量变化的紫外-可见光吸收谱图。由图7可知，随着加入氯金酸含量的进一步提高，制备的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料吸收峰位置红移的程度在逐步增大(A-J)，即形成的复合型纳米材料中枝状结构的尺寸在进一步变长；吸收峰强度逐步提高表明合成纳米材料的产率进一步提高。

试验例2

辐照时间对多枝状金银复合纳米材料的影响

测试样品：实施例1步骤(2)得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液、实施例1和实施例11得到的多枝状金银复合纳米材料分散液。

测试方法：将测试样品置于4mL比色皿中，采用UV-1800,Shimadzu对其进行紫外-可见吸收光谱测试，测试结果如图8所示。其中，曲线a、b、c分别为初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料分散液、实施例11制备得到的多枝状金银复合纳米材料分散液、实施例1制备得到的多枝状金银复合纳米材料分散液的紫外-可见吸收光谱。

由图8可知，随着激光辐照时间加长，吸收谱变化情况为a→b→c，即吸收峰位置逐步蓝移，表征多枝状金银复合纳米材料逐渐形成，产率逐渐增加。

试验例3

对有机物4-ATP的表面增强拉曼散射性能测试

测试样品：实施例1步骤(2)中制备得到的初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料，实施例1制备的多枝状金银复合纳米材料。

测试方法：(1)将0.048g测试样品分散于0.5mL去离子水中，取30uL上述分散液滴加到经RCA工艺清洗过的硅片上，然后在室温环境下保持12h，以保证基底绝对干燥。将上述制备完成的基底分别完全浸没在10^-10mol/L、10^-11mol/L、10^-12mol/L、10^-13mol/L、10^-14mol/L的4-ATP乙醇溶液中1h，随后使用乙醇彻底清洗，最后使用氮气干燥处理用于SERS测试。

(2)作为对比，将干净硅片作基底，完全浸没在1mol/L的4-ATP乙醇溶液中1h，随后使用乙醇彻底清洗，最后使用氮气干燥处理用于SERS测试。

(3)完全干燥后的样品采用LabRAM HR 800光谱仪以633nm作为激发波长对其进行拉曼光谱测试。

拉曼光谱测试过程中，积分时间均保持为10s，同一测试结果需多次重复，以保证测试结果的可重现性，所得结果如图9、10所示。

图9中，曲线a、b、c分别为多枝状金银复合纳米材料基底和4-ATP、初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料基底和4-ATP、单纯4-ATP的拉曼光谱。由图9可知，对于10^-10mol/L较低浓度的4-ATP，通过计算，本发明制备的复合材料的增强因子可以达到10¹¹，多枝状金银复合纳米材料的增强效果明显优于初始的多枝状Ag@Au复合纳米材料复合纳米材料。

图10中，曲线a、b、c、d分别为多枝状金银复合纳米材料基底对不同浓度4-ATP的拉曼光谱增强效果测试图。由图10可知，本发明制备的多枝状金银复合纳米材料对较低浓度的4-ATP也表现出较强的拉曼增强效果。

由于本发明制备的多枝状金银复合纳米材料做基底对10^-10M 4-ATP拉曼光谱的增强效果明显优于其他基底材料，为了保证其非偶然性，本发明进行了大量重复试验，所得结果如图11所示。由图11可知，本发明的方法制备的多枝状金银复合纳米材料可重复性好，稳定性也较好。