基于聚苯乙烯微球阵列模板法制备有序纳米结构及表面增强拉曼应用

吕志成，李 琴

(华中农业大学理学院，湖北 武汉430070)

基于聚苯乙烯微球阵列模板法制备有序纳米结构及表面增强拉曼应用

吕志成，李 琴

(华中农业大学理学院，湖北 武汉430070)

以规则排列聚苯乙烯微球阵列为模板，在平面衬底上获得了六角形排列的开口球腔结构，在微观曲面衬底上制备了3种不同纳米球腔结构。偏振紫外可见吸收光谱表明，开口纳米球腔阵列光学性质以π/3为周期。两种基底对4-巯基苯甲酸(4-MBA)表面增强拉曼散射(SERS)增强能力的差异证明球腔型纳米结构的拉曼增强能力来源于开口部分。利用球腔型SERS基底实现了对农药甲基对硫磷的检测，此类基底具有用于农药残留分析的潜力。

聚苯乙烯微球阵列；纳米球腔；表面增强拉曼散射；农药残留

表面增强拉曼散射(surfaceenhancedRamanscattering，SERS)以其灵敏度高、结构鉴定能力强等特点在化学分析[1]、环境污染物检测[2]、生物分子结构鉴定[3]等领域发挥了重要作用。表面增强拉曼光谱高灵敏度主要来源于纳米结构对入射光电磁场能量的集中压缩作用，在相互接近的纳米粒子之间电磁场的强度比入射光电磁场高出几个数量级，这个局域化的电磁场将拉曼信号增强至百万倍[4]。纳米粒子的结构决定入射光电磁场能量在其表面的分布状态，最终体现在对SERS信号强度的影响，因此制备均匀性好、重复性高的SERS基底，对增强基底纳米结构的调控至关重要。

SERS基底包括贵金属纳米粒子溶胶[5]、纳米粒子组装膜[6]及规则有序纳米结构[7]，最后一类基底结构可控，是最有潜力将SERS推向实用化的解决方案，因此受到广泛关注。利用电子束光刻[8]、X-射线干涉印刷[9]等方法可以制备规则有序的SERS基底，但制备成本较高并且操作复杂。近年来发展的模板法在有序SERS基底制备中表现出极其优异的灵活性，例如金纳米球壳在十六烷基三甲基溴化铵软模板辅助下形成均匀排布的单层粒子膜，在增强性能和均匀度等方面较通常的纳米粒子静电吸附膜有本质提高[10]。使用更为普遍的是包括胶体微球有序阵列在内的硬模板，这类模板结构规整，易于制备，在SERS基底制备中得到广泛应用。利用物理方法在胶体微球有序阵列表面沉积纳米金属层是最常见的方法[11]。化学方法也被用来修饰胶体微球阵列以获得SERS基底，例如在胶体微球阵列空隙内通过电化学方法沉积贵金属，除去胶体微球后得到空心球腔结构,可以作为SERS基底[12]。以纳米粒子为催化中心的化学沉积方法制备SERS基底具有操作简便、基底增强性能优异等优点，在SERS基底的制备中发挥了重要作用[13]。

基于界面组装制备大面积聚苯乙烯胶体微球二维阵列，作者研究了以金纳米粒子为无电沉积中心催化金的化学沉积，在平面及微观曲面衬底上制备规则SERS基底，研究了制备条件对拉曼信号增强性能的影响，并将其用于农药甲基对硫磷的检测。

1 实验

1.1 试剂与仪器

聚二烯丙基二甲基氯化铵[poly(diallyldimethylammonium chloride)，PDDA，Mw小于10万，35%水溶液]、聚苯乙烯磺酸钠[poly(sodium 4-styrenesulfonate)，PSS，Mw=70 000] ，Sigma公司；苯乙烯、过硫酸钾(KPS)、氢氧化钠、无水乙醇、十二烷基硫酸钠、浓硫酸、四水合氯金酸、二水合柠檬酸钠、硼氢化钠、盐酸羟胺，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；实验用水取自纯水系统(电阻率18 MΩ·cm-1)；4-巯基苯甲酸(4-MBA)，分析纯，东京化学工业公司；甲基对硫磷(100 mg·L-1丙酮溶液)，农业部环境质量监督检验测试中心；所用基底先用piranha溶液 (30% H2O2∶concentrated H2SO4=3∶7，体积比)在80 ℃煮30 min，然后用大量纯水清洗，保存在水中备用。

JSM-6700F型场发射高倍扫描电镜，日本电子公司；Invia型共聚焦显微拉曼光谱仪，英国Renishaw公司；TU-1901型双光束紫外可见分光光度计，北京普析通用仪器公司；AL204型电子天平，梅特勒-托利多仪器(上海)有限公司；KQ5200DE型超声波清洗器，昆山超声仪器；5800R型台式冷冻离心机，艾本德中国有限公司；DF-101S型集热式恒温加热磁力搅拌器，巩义予华仪器公司。

1.2 SERS基底制备、表征及性能研究

聚苯乙烯乳液的合成方法参照文献[14]，在平面衬底上制备SERS基底方法参照文献[15]，在微观曲面衬底上制备SERS基底过程如下：在载玻片上通过界面自组装法铺展一层聚苯乙烯微球单层，然后在100 ℃热台上加热60 s以提高聚苯乙烯微球在衬底上的稳定性，聚电解质自组装除每步骤之间清洗时间延长至20 min外，其它步骤与平面衬底相同。

基底形貌的表征使用场发射高倍扫描电镜。紫外光谱测试是将负载有纳米结构的载玻片粘到自制的测试架上,样品载玻片相对于入射光的角度可变。拉曼探针分子组装过程是将基底浸泡在10-5mol·L-1的4-MBA乙醇溶液中3 h，取出后用乙醇清洗。

SERS光谱采集条件为50倍物镜，激光波长632.8 nm，激光功率1 mW，衰减至1%，光谱采集时间为10 s，检测范围为100～2 000 cm-1。

1.3 SERS检测甲基对硫磷

将100 mg·L-1的甲基对硫磷溶液稀释成浓度(mg·L-1)为10、20、40、60、80系列溶液，分别滴加到新制的SERS基底上，采用1.2相同的条件采集拉曼光谱。

2 结果与讨论

2.1 平面衬底上SERS基底

图1 是利用单层聚苯乙烯微球模板在平面衬底上制备的金纳米结构扫描电镜照片。

a～f，沉积时间(min)：0,2,4,6,8,10图1 平面衬底上金纳米球腔的扫描电镜照片Fig.1 SEM images of Au spherical nanocavity on plane substrate

图1a是在金纳米粒子组装到模板空隙内并除去聚苯乙烯微球后得到的结构，显示金纳米粒子形成了模板的反转结构，形成规则排列的圆形孔洞。图1b～f显示在沉积过程中，金纳米粒子会优先沿着模板微球生长，随着沉积时间的延长，球腔深度增大，球腔开口之间的距离逐渐变小，最后消失。

2.2 微观曲面衬底上SERS基底

图2是以单层聚苯乙烯微球为微观曲面衬底制备的金纳米结构扫描电镜照片。

图2 微观曲面衬底上金纳米球腔的扫描电镜照片Fig.2 SEM images of Au spherical nanocavity on micro-convex substrate

由图2可知，微观曲面衬底获得的金纳米结构完全不同于平面衬底上获得的金纳米结构。图2a显示所得到的金纳米结构呈准周期结构，六角形规则排列孔洞被呈线性排列的孔洞分割成六边形区域。图2b显示同时存在六角形孔洞和线性排列孔洞，而图2c显示还存在3个一组呈三角形排列的孔洞。产生这3种不同结构是作为衬底的聚苯乙烯微球与上层作为模板的微球之间相对位置不同引起的。当上层微球正好位于一个衬底微球上时，得到单个开口的球腔结构；当上层微球位于2个或3个衬底微球上时，得到图2b或2c中的结构。文献报道电化学沉积制备纳米结构只显示图2c所示结构，而我们的方法可以获得更丰富的纳米结构，为研究不同结构的SERS增强性能提供了更多的结构模型。

2.3 SERS基底光学性质研究

常规紫外可见吸收光谱测试采用非偏振光，而作者报道的金纳米结构，尤其是平面衬底上制备的SERS基底具有规整有序的孔洞结构，具有类似于光栅的性质，因此在测量紫外可见吸收光谱时入射光用偏振光，研究光偏振方向与SERS基底微结构之间的相对关系对吸收光谱的影响，可以为后续的拉曼测试提供更详细的实验细节指导。

图3是平面衬底上制备的金纳米结构的紫外可见吸收光谱。

图3中曲线a是用非偏振光测得的基底吸收光谱，在776 nm处有一个强吸收峰。由于可以获得厘米尺寸聚苯乙烯微球阵列，实验中可以用通用型光谱仪测试晶格排列确定的SERS基底光谱。入射光偏振方向沿六角形晶格的边定义为零度，当入射光偏振方向转π/12时，光谱发生轻微改变；当偏振方向转π/6时，变化最显著；偏振方向转过π/4和π/3后，光谱基本恢复到零度时的状态，说明所制备的六角形排列球腔阵列光学性质以π/3为周期。

图 3 平面衬底上金纳米球腔的紫外可见吸收光谱Fig.3 UV-Vis absorption spectra of Au spherical nanocavity on plane substrate

2.4 基底增强性能研究

图4为平面衬底上制备的SERS基底上4-MBA的SERS光谱，沉积时间依次为0 min、1 min、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min和12 min。

图 4 4-MBA在平面基底上的SERS光谱Fig.4 SERS spectra of 4-MBA on substrate prepared with plane surface

由图4可知，133 cm-1处为Au-S振动峰，说明4-MBA通过巯基吸附在基底上，522 cm-1处为苯环面外弯曲振动峰，999 cm-1处为苯环呼吸振动峰，1 075 cm-1处为苯环取代基的伸缩振动峰，1 391 cm-1处为羧基伸缩振动峰，1 583 cm-1处为C-C伸缩振动峰[16]。沉积时间较短时，未进行化学沉积的基底上4-MBA的SERS强度较弱，随沉积时间延长，SERS强度迅速增大，8 min时达到最大值，随后下降。4-MBA的SERS信号强度变化趋势与基底上球腔开口之间的距离变化趋势相吻合，当两个开口之间距离最小时，拉曼增强效果最好。

图5是在微观曲面基底上4-MBA的SERS光谱。

a.单个开口 b.2个开口 c.3个开口图 5 4-MBA在微观曲面基底上的SERS光谱Fig.5 SERS spectra of 4-MBA on substrate prepared with micro-convex surface

图5显示3个开口型基底增强效果最好(图5谱线c)。2个开口型基底增强效果其次(图5谱线b)，都要好于单个开口型基底(图5谱线a)。

单孔六角形基底(图5谱线a)的增强效果最小，而且小于平面衬底上六角形SERS基底的增强效果。

这种差异可以从扫描电镜表征和图4中显示的结果得到解释，扫描电镜显示平面六角形孔洞基底最优化条件下开口之间的距离远小于曲面上孔洞之间的距离。这是由于球体与球体接触时，其接触面积必然小于球体与平面的接触面积，导致球腔开口变小，间距变大，而图4中SERS光谱显示基底的增强性能与孔洞开口之间距离有关，因此曲面上SERS基底的增强能力要小于平面上基底的增强能力。图5中谱线b和c表明随着孔洞数目的增加，基底的增强能力得到提高，3个孔洞型的SERS基底增强能力与平面衬底上六角形单孔洞基底的增强能力相当。但在曲面衬底上制备的SERS基底其结构随机性较强，而在平面衬底上的基底结构完全可控，因此，后续的检测使用平面衬底上制备的金纳米结构作为SERS基底。

2.5 甲基对硫磷的SERS检测

图6a是浓度(mg· L-1)分别为0、10、20、40、60、80、100的甲基对硫磷在平面基底上的SERS光谱，图6b是1 350 cm-1拉曼峰强度与浓度之间的标准曲线。

图 6 甲基对硫磷在平面基底上的SERS光谱(a)及拉曼光谱强度与浓度的标准曲线(b)Fig.6 SERS spectra of methyl parathion on substrate prepared with plane surface(a) and Raman intensity-concentration calibration curve(b)

由图6a可知，甲基对硫磷在平面基底上的特征拉曼峰位在 2 958 cm-1、2 849 cm-1、1 590 cm-1、1 350 cm-1、658 cm-1[17]处。甲基对硫磷浓度在10 mg·L-1时，低波数处的拉曼峰消失，检出限为20 mg·L-1。可以通过再沉积一层金属银来提高这种开口结构的SERS基底检测灵敏度，这样既可以利用金纳米结构制备过程中结构稳定可控性，还可以利用纳米银高的拉曼增强能力。

3 结论

在平面和微观曲面衬底上利用聚苯乙烯微球阵列作为模板制备的SERS基底具有完全不同的纳米结构，平面衬底纳米结构具有六角形规则排列的孔洞，其规则结构使其紫外可见吸收光谱也具有周期性变化规律，其拉曼光谱增强能力与孔洞之间距离密切相关。微观曲面衬底上获得的3种不同纳米结构，其生成原理由上下微球相对位置决定，其增强能力弱于平面SERS基底，表明此类基底的增强能力来源于球腔的开口位置。农药甲基对硫磷在规则孔洞SERS基底上具有较好的浓度与信号之间的线性响应。

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Fabrication of Ordered Nanostructures Based on Polystyrene Microsphere Array Template and SERS Application

LÜ Zhi-cheng，LI Qin

(CollegeofScience，HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070，China)

Inthispaper,hexagonallyorderedarrangedsphericalnanocavitystructurewithopenedmouthonplanesubstrateandthreedifferentsphericalnanocavitystructuresonmicro-convexsubstratewerepreparedusingorderedarrayofpolystyrenemicrosphereasatemplate.Polarizedultraviolet-visibleabsorptionspectraofsphericalnanocavityarrayshowedaopticalpropertyregularchangewithπ/3asaperiod.ThedifferenceinsurfaceenhancedRamanscattering(SERS)intensityof4-mercaptobenzoicacid(4-MBA)onthesetwotypeofsubstratesclearlyindicatedthatenhanceofRamansignalcamefromopenedmouthregion.ThesphericalnanocavitySERSsubstrateswereusedtodetectpesticidemethylparathionandrevealedapotentialforanalyzingpesticideresidues.

polystyrenemicrospherearray;sphericalnanocavity;surfaceenhancedRamanscattering(SERS);pesticideresidues

2016-11-11

O 657.37

A

1672-5425(2017)01-0044-04

吕志成，李琴.基于聚苯乙烯微球阵列模板法制备有序纳米结构及表面增强拉曼应用[J].化学与生物工程，2017，34(1)：44-47，61.