增强红外吸收光谱信号的方法和增强红外吸收光谱信号的金纳米线基底及其制备方法与流程

本发明涉及金纳米线作为增强基底对其表面的分子实现红外增强信号的技术，属于红外光谱技术领域。

背景技术：

红外光谱是一种无损不需标记就可以明确得到分子结构信息的分析手段。但是传统红外光谱技术测试所需样品量大，且无法进行单分子测试。

1980年hartstein等人首次观察到了表面增强红外光谱吸收的现象。此后，人们通过各种不同的物理和化学的方法制备各种形貌、尺寸，不同材料的基底用不同的测量手段对检测分子进行表面增强红外的研究。

区别于最初用真空蒸镀法得到的形貌随机性比较强的金属纳米岛膜（proc.natl.acad.sci.u.s.a.2009,106,19227−19232.acsphotonics2015,2,779−786.），现在人们使用现在人们使用电子束光刻技术(electron-beamlithography,ebl)(proc.natl.acad.sci.u.s.a.2009,106,19227−19232)、聚焦离子束(focusedion-beam,fib)(j.vac.sci.technol.,b1987,5(2),469–495)、纳米球光刻(nanospherelithography)(j.phys.chem.c2013,117,11311−11316)、光化学金属沉积(photochemicalmetaldeposition)(acsnano.2012aug28;6(8):7326-32)和直接激光写入(directlaserwriting,dlw)(acsphotonics2015,2,779−786)、胶体孔掩模光刻(colloidalholemasklithography)(acsnano2012,6,979−985)、干涉光刻(interferencelithography)(adv.opt.mater.2014,2,1050−1056)、纳米模板光刻(nanostencillithography)(nanolett.2010,10,2511−2518)、化学制备方法(adv.opt.mater.2016,4,1838−1845;appl.phys.lett.2006,89,253104)、光刻(photolithography)(opt.express2013,21,9005−9010)等方法或将这些方法结合起来得到纳米尺度上精确控制尺寸和形貌的纳米结构，利用纳米级别的间隙处的“热点”达到近场增强的目的。还有一些设计了交叉纳米结构(nanocrosses)(j.am.chem.soc.2013,135,3688−3695)、开口环（splitrings）（acsnano2012,6,979−985；appl.phys.lett.2009,95,043113）、扇形结构（fanstructures）(nanolett.2015,15,1272−1280)、不对称超材料（asymmetricmetamaterials）(nat.mater.2012,11,69−75)和对数周期天线（log−periodicantennas）(acsnano2013,7,669−675)等等离子法诺共振不对称结构通过法诺共振提高增强信号。以上这些方法能够有效提高表面增强红外的信号，但是需要专业的仪器并且其设备造价不菲，基底制作过程复杂。本发明考虑简化基底制备流程，降低基底制作费用同时在红外区能达到可观的增强信号。

可见，目前增强效果较好的增强基底造价高、制作难度大、制作过程复杂并且经常需要特定仪器设备的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题之一在于：提供一种增强红外吸收光谱信号的方法，将金纳米线用于红外增强的基底增强待检测分子的红外信号，可以显著增强红外吸收光谱的信号，使检测灵敏度得到提高、检测限得到降低。

本发明要解决的技术问题之二在于：提供一种可以增强红外吸收光谱信号的金纳米线基底，这种纵向表面等离子共振峰位置在4000cm^-1-400cm^-1范围的金纳米线，可直接作为红外增强的基底，可大大增强该金纳米线表面的待检测分子的红外信号。

本发明要解决的技术问题之三在于：提供一种通过胶体体系制备可以增强红外吸收光谱信号的金纳米线基底的制备方法，可以简便高效地制备大量高品质的具有增强红外吸收光谱信号作用的金纳米线，并实现性能的调节。

一方面，本发明提供了一种增强红外吸收光谱信号的方法。

在其中一个或多个具体实施方式中，这种方法可以是在待测试剂中加入金纳米线。

在其中一个或多个具体实施方式中，所加入的金纳米线优选为纵向表面等离子共振峰位置为4000cm^-1-400cm^-1；优选为2300cm^-1-500cm^-1；进一步优选为1250cm^-1-500cm^-1。

在其中一个或多个具体实施方式中，所加入的金纳米线的长径比为5–500；优选为10–300；进一步优选为30–200；更进一步优选为40-100。

在其中一个或多个具体实施方式中，所加入的金纳米线进一步优选为纵向表面等离子共振峰位置为4000cm^-1-400cm^-1且长径比为5-500的金纳米线；优选为纵向表面等离子共振峰位置为2300cm^-1-500cm^-1且长径比为10–300；进一步优选为纵向表面等离子共振峰位置为1250cm^-1-500cm^-1且长径比为40–100。

在其中一个或多个具体实施方式中，金纳米线可以是分散于胶体溶液中的形式。

在其中一个或多个具体实施方式中，将原待测试剂加入到金纳米线的胶体溶液中形成红外吸收光谱信号增强的待测试剂。

在其中一个或多个具体实施方式中，金纳米线可以是通过离心或冷冻分离或者其他分离方式分离后所得的固体。

在其中一个或多个具体实施方式中，将原待测试剂中加入到金纳米线的固体中并分散均匀形成红外吸收光谱信号增强的待测试剂。

在其中一个或多个具体实施方式中，也可以用待测分子对金纳米线进行表面配体交换，并形成红外吸收光谱信号增强的待测试剂。

在其中一个或多个具体实施方式中，待测试剂与金纳米线尤其是纵向表面等离子共振峰位置为4000cm^-1-400cm^-1且长径比为5-500的金纳米线之间的摩尔份数处于相近的数量级。具体地并优选地，它们之间最好不超过2个数量级，即待测试剂与金纳米线的摩尔比为100:1–1:100；优选地，待测试剂与金纳米线的摩尔比为10:1–1:10。

优选地，待测试剂与金纳米线尤其是纵向表面等离子共振峰位置为1250cm^-1-500cm^-1且长径比为40–100的金纳米线之间的摩尔份数处于相近的数量级。具体地并优选地，它们之间最好不超过2个数量级，即待测试剂与金纳米线的摩尔比为100:1–1:100；优选地，待测试剂与金纳米线的摩尔比为10:1–1:10。

一方面，本发明提供了一种增强红外吸收光谱信号的金纳米线基底。

在其中一个或多个具体实施方式中，金纳米线基底的纵向表面等离子共振峰位置为4000cm^-1-400cm^-1；优选为2300cm^-1-500cm^-1；进一步优选为1250cm^-1-500cm^-1。

在其中一个或多个具体实施方式中，金纳米线基底的长径比为5–500；优选为10–300；进一步优选为30–200；更进一步优选为40-100。

在其中一个或多个具体实施方式中，优选地，金纳米线基底的纵向表面等离子共振峰位置为4000cm^-1-400cm^-1且长径比为5–500；优选为纵向表面等离子共振峰位置为2300cm^-1-500cm^-1且长径比为10–300；进一步优选为纵向表面等离子共振峰位置为1250cm^-1-500cm^-1且长径比为40–100。

另一方面，本发明还提供了一种上述增强红外吸收光谱信号的金纳米线基底的制备方法。在其中一个或多个具体实施方式中，包含以下步骤：

（1）将氯金酸和油胺溶于溶剂中形成溶液；

（2）将三异丙基硅烷添加到溶液中；

（3）搅拌一段时间后停止搅拌并静置；

（4）停止反应。

在其中一个或多个具体实施方式中，溶剂可以选用环己烷、正己烷、氯仿等有机溶剂或者它们的混合物。

在其中一个或多个具体实施方式中，停止反应可以选用低温的方式或移除反应物的方式。优选地，移除反应物的方式可以选用通过离心分离得到金纳米线基底或者通过加入沉淀剂后离心分离得到金纳米线基底或者通过冷冻离心分离得到固体金纳米线基底，或者类似的方式。

在其中一个或多个具体实施方式中，上述氯金酸的质量份数为1，上述油胺的质量份数为1-100；优选为5-20。

在其中一个或多个具体实施方式中，优选地，上述溶剂选用环己烷。

在其中一个或多个具体实施方式中，更优选地：氯金酸的质量份数为1，油胺的质量份数为1-100，且单位体积溶剂油胺质量为5-120mg/ml；优选为油胺的质量份数为5-20，且单位体积溶剂油胺质量为7-30mg/ml。

在其中一个或多个具体实施方式中，可以通过上述油胺的质量份数调节金纳米线基底的纵向表面等离子共振峰位置范围，使之具有增强红外吸收光谱信号的作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：（1）通过胶体合成的方法直接获得表面增强红外基底，与真空蒸镀，ebl等方法相比，该基底制备方法不需要专业的昂贵设备，不需要在额外的基底材料如硅片、玻璃等。（2）采用胶体合成金纳米线可使用红外设备直接测出增强信号无需专业仪器，这大大简化了表面增强基底的制备过程，降低了基底制备成本和准入范围，并且方法简单易操作便于大范围推广，利用该方法可以实现无标记，高灵敏度检测。（3）可以根据待检测分子的红外信号的位置不同通过简单改变其中一个反应物油胺分子的加入量在整个紫外到远红外区调谐纵向表面等离子共振峰的位置来增强分子的红外信号；调节方式简单易操作，无需完全重新制备样品。（4）本发明所制备的胶体金纳米线溶液可在溶液相中实现表面增强红外，但不仅限于溶液相。（5）该手段具有成本低廉，操作简便，可调谐性强，增强效果较好的优点，准入门槛低，无需特定仪器设备，室温下便可制备。

附图说明

图1是一种金纳米线的低分辨透射电子显微镜（tem）图片和插入的对应的高分辨（hrtem）图片。

图2是一种金纳米线的xrd图谱，x射线同步加速器光源的波长为0.1173å，竖线是标准面心立方堆积金原子的图谱（pdfno.04-0784）。

图3是一种金纳米线生长过程的紫外可见谱图。

图4是一种金纳米线生长过程的ftir-atr谱图。

图5是以一种金纳米线为基底表面配体为待测物质油胺分子的固体ir-atr谱图。

具体实施方式

本文中任何有关温度范围、ph范围、重量(质量)范围、分子量范围、百分比范围等，不论是否使用“范围”或“各个范围”的措词进行表达，都包括所指定的端点以及两端点间的各点。

本领域普通技术人员将理解“约”，并且在使用该术语的上下文中将在某种程度上变化。如果术语的使用对于本领域普通技术人员来说是不清楚的，考虑到使用它的上下文，“约”将意味着高达特定术语的加或减20％。

本发明通过增加金纳米线的长径比，并调控它们的纵向表面等离子共振峰值逐渐向待测试剂固有振动频率偏移，使这些金纳米线阵列周围的归一化近场增强可以达到约4个数量级，从而实现显著增强红外吸收光谱信号。

本发明中长径比指纳米线的长度与其投影面宽度（即线横截面的直径）的比值。

本发明中长径比的测量方法为：使用在200kv下运行的jem-2100plus（jeol）获得所制备的金纳米线的透射电子显微镜（tem）和高分辨tem（hrtem）图像。反应溶液用环己烷稀释，超声处理，并直接滴到涂有碳膜的铜栅上。tem图像中样本大小的直方图由imagej测量。将视野中测量得到的每一条纳米线长度与其投影面宽度的比值统计计算平均值。

本发明中对金纳米线胶体溶液的纵向表面等离子共振峰值及红外吸收光谱信号增强的测量方法为：将制备好的金纳米线胶体溶液直接用红外衰减全反射（attenuatedtotalreflection,atr）附件测量，测量油胺分子在721波数的红外振动峰的峰面积增大比值记为增强倍数。

本发明中对金纳米线固体的纵向表面等离子共振峰值及红外吸收光谱信号增强的测量方法为：向胶体金纳米线溶液中加入30ml正己烷放入冰箱中冷冻过夜，趁冷快速离心，得到金纳米线固体，用ir-atr测量固体金纳米线，可得油胺分子在721波数的红外振动峰的峰面积增大比值记为增强倍数。

实施例1-4：金纳米线（基底）合成

将12.43mg氯金酸和表1中对应添加质量的油胺溶于10ml环己烷中，然后在室温（26°c）下搅拌2小时。溶液的颜色逐渐从橙色变为浅黄色。然后，将900μl三异丙基硅烷添加到溶液中，并将混合物再搅拌1分钟。然后，将溶液在室温下静置而不搅拌。加入三异丙基硅烷后，溶液的颜色逐渐变成深棕色。反应结束时，加入1:1体积的乙醇，以11000rpm/min进行离心，弃去上清液，在真空烘箱中通宵抽气获得固体形式金纳米线产物。

实施例5：

根据实施例1-4的实验步骤，将24.86mg氯金酸加入5ml正己烷和25mg油胺（搅拌2h，加入1000微升三异丙基硅烷，室温静置。反应结束将反应液直接冷冻保存。

实施例6：

将实施例5中所得产物进行配体交换，将0.75mmol3-巯基丙酸异辛酯添加到金纳米线胶体溶液中，然后搅拌，形成均匀溶液。

实施例7：

根据实施例1-4的实验步骤，将12.43mg氯金酸加入20ml氯仿和400mg油胺（搅拌2h，加入800微升三异丙基硅烷，室温静置。反应结束将反应液冷冻干燥制成固体保存。

实施例8：

根据实施例1-4的实验步骤，将10.00mg氯金酸加入50ml环己烷和1000mg油胺（搅拌2h，加入900微升三异丙基硅烷，室温静置。反应结束将反应液冷冻离心制成固体保存。

实施例9：

根据实施例1-4的实验步骤，将10.00mg氯金酸加入2ml环己烷和10mg油胺（搅拌2h，加入900微升三异丙基硅烷，室温静置。反应结束将反应液冷冻干燥制成固体保存。

实施例10：

（1）合成银纳米粒子：将0.22g三氟乙酸银（1mmol），10ml异戊醚和0.66ml油胺（2mmol）混合，然后在80分钟内加热到160ºc。在160ºc下放置1小时后，收集产物并用丙酮洗涤，最后分散在10ml己烷中。所得银纳米粒子大约为10nm粒径。

（2）合成金纳米线：将10mg的aucl与2.15ml的正己烷混合，加入280μl的油胺，得到20mm的aucl的正己烷溶液。搅拌10分钟后，搅拌加热至60℃。向aucl的正己烷溶液中加入2μlag纳米颗粒（10nm）悬浮液，溶液的颜色立即变为黄色，并在几秒钟内变为非常浅的灰色。随着反应的进行，溶液的颜色逐渐变为红色，并在小瓶的底部和侧壁上沉淀出沉淀物。使反应在60℃下进行24-100小时。通过向反应混合物中加入2ml丙酮并超声处理5秒钟，然后在3900rpm下离心5分钟，收集金纳米线，然后将沉淀的金纳米线重新分散在1ml己烷中。

所得金纳米线长径比为2000，但未见纵向表面等离子共振峰。

实施例11-17：

根据实施例1-4的实验步骤，将12.43mg氯金酸和200mg油胺溶于10ml环己烷中，然后在室温（26°c）下搅拌2小时。溶液的颜色逐渐从橙色变为浅黄色。然后，将900μl三异丙基硅烷添加到溶液中，并将混合物再搅拌1分钟。然后，将溶液在室温下静置而不搅拌。加入三异丙基硅烷后，溶液的颜色逐渐变成深棕色。不同反应时间后将反应结束，加入1:1体积的乙醇，以11000rpm/min进行离心，弃去上清液，在真空烘箱中通宵抽气获得固体形式金纳米线产物。

实施例18：

根据实施例1-4的实验步骤所得固体形式金纳米线产物再经过至少3次乙醇洗涤后充分洗脱其表面吸附分子后，将该金纳米线加入到待测试剂10ppm的油胺环己烷溶液吸附待测分子，离心得到金纳米线基底固体并测试ir-atr谱图。

在本发明的一个或多个实施例中，尤其是实施例1-17所得的金纳米线沿着<111>方向生长（图1），呈金原子呈面心立方方式堆积（fcc）（图2）。

在本发明的一个或多个实施例中，尤其是实施例11-17从加入三异丙基硅烷开始计时。30分钟是520nm附近开始出现吸收峰，说明有纳米金生成，该峰所反映的是金纳米线的横向表面等离子共振峰。随着反应时间的延长，峰位置基本没有发生变化，说明金纳米线的直径变化不大（图3）。在红外谱图中（图4），随着反应时间的延长，其纵向表面等离子共振峰不断向低波数移动。

在本发明的一个或多个实施例中，尤其是实施例18中以实施例1-4的金纳米线为基底，在固相时通过固体ir-atr谱图检测待测的油胺分子，箭头指的峰是油胺分子721波数的亚甲基骨架红外振动峰（图5），而其他基底物质或其他通过油胺生长的金纳米线按照实施例18的方法处理后无法观测到油胺分子721波数的亚甲基骨架红外振动峰。

本发明所得的纵向表面等离子共振峰位置在4000cm^-1-400cm^-1范围的金纳米线可以使目标待测物油胺的721波数的典型红外振动峰的峰面积增大或增强约30-700倍。在其中一个具体实施例中的增强倍数为150的金纳米线用体积比为1:1的乙醇洗涤后，其红外增强倍数达到52900。加之由于金纳米线电场增强主要在其两端，若仅考虑金纳米线两端的增强效果，则增强倍数实际可达4.96×10⁶。因此，当待测物分子吸附到纵向表面等离子共振峰位置在4000cm^-1-400cm^-1范围（中红外区域）的金纳米线表面时，金纳米线可以显著增强该被吸附待测物分子在中红外区域的振动，使该待测物分子的特征峰的强度明显增强，大幅提升检测灵敏度。

在一个或多个具体实施例中，这些纵向表面等离子共振峰位置在4000cm^-1-400cm^-1范围的金纳米线可以用在液相、非液相（例如固相）的测试环境中，红外的特征峰强度增强了40~10⁴倍。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。