激光辐照制备银纳米基底及其用于葡萄糖检测

赵 刚, 周启光, 程 静, 洪瑞金, 张大伟, 庄松林

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093)

引 言

随着经济的发展,人们的生活水平逐渐提高,糖尿病的发病率也越来越高。根据相关资料显示,2010年我国糖尿病发病率已经达到11%[1-2]。糖尿病是引发心脏病、肾衰竭等疾病的主要原因,每年在全球导致的死亡人数高达百万。糖尿病和肿瘤、心脑血管疾病并称为人类健康三大杀手。血糖检测对于糖尿病的治疗和预防并发症的发生具有重要意义,因此,葡萄糖传感器受到越来越多学者的关注。

1928年印度科学家Raman发现了拉曼散射现象[3-4],拉曼光谱含有分子的振动和转动信息,并且具有光谱谱峰尖锐、受水的影响小、不需要对样品进行处理等优点,非常适合进行定性分析。由于大部分物质的拉曼信号强度很弱,光谱灵敏度低,限制了光谱在传感领域的应用。1970年,Fleischmann在粗糙的银表面发现吡啶的拉曼信号得到了极大的增强现象,Duyne将这一现象称为表面增强拉曼散射(SERS)[5]。SERS可以将拉曼信号的强度提高1012～1014倍,SERS应用在传感上具有很大的优势:(1) 灵敏度高,可对单分子进行检测;(2) 测量过程简单,无需预处理;(3) 可进行痕量检测。SERS效应与基底的材料以及基底表面结构有很大的关系。目前对于一种制备方法简单、均匀性好、可重复性高的SERS基底已经成为研究热点。

传统的方法制备SERS基底由于制备方法复杂、可重复性差、灵敏度低等缺点,极大的限制了SERS的实际应用。本文利用激光器在真空镀膜技术的基础上,实现了SERS效果可调。该方法可以根据需要改变基底表面形貌、颗粒尺寸且具有良好的均匀性、可重复性和高灵敏度。用该基底检测罗丹明B分子时,基底表面增强拉曼信号非常的明显,改变基底表面相貌和颗粒尺寸时,基底的罗丹明B分子的拉曼信号逐次变化,显示出非常高的灵敏度。

SERS技术已经在生物、化学传感技术中得到广泛的应用[6-10],比如进行痕量分析物检测里的血糖检测,目前对葡萄糖分子的检测具有重要的现实意义和广阔的市场前景。葡萄糖分子具有拉曼散射截面小,拉曼信号弱的特点[5-6]。本文通过激光辐照银薄膜技术制备银纳米条纹基底,通过在该基底上修饰4-MPY探针分子和葡萄糖氧化酶,探针分子表面增强拉曼光谱强度实现对葡萄糖的间接检测。实验结果表明,通过调节SERS基底的表面结构,实现了对所制备的SERS基底拉曼增强效果的灵活调控,具有很高的灵敏度。该基底极大地增强了4-MPY的信号,且探针分子信号强度与葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,非常适合进行定量分析。

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

本实验所用仪器如下:ZSS-630 电子束真空蒸发镀膜机(成都南仪电子电器有限责任公司);Renishaw公司的InVia共聚焦显微拉曼光谱仪;Perkin Elmer Lambda1050 紫外可见光近红外分光光度计;上海光学仪器厂的10XB-PC金相显微镜;上海费米激光科技有限公司激光微加工系统。

本实验所用化学试剂:4-巯基吡啶(XW45562342,4556-23-4,97%);葡萄糖氧化酶(K4918001,9001-37-0,Sigma-49180);银粉(上海国药化学试剂厂);Glucose Oxidase(G2133-10,9001-37-0,G2133-10KU);罗丹明B(200-661-7,81-88-9,GHS02);去离子水。

1.2 银薄膜的制备

利用630蒸发镀膜机在石英基片上沉积Ag薄膜,靶材为Ag靶。镀膜机腔体工作真空为9.0×10-4Pa,烘烤温度为100 ℃,公转速度为30 r/min,开枪灯丝预热5 min,升高压后将束流梯度升高进行融料,然后进行镀膜。依照此方法制备一批同一规格的Ag薄膜以备后续实验使用。

1.3 银纳米条纹基底的制备

上海费米激光科技有限公司激光微加工系统(如图1)对银薄膜进行激光打标。通过预辐照实验选择10 nm Ag薄膜进行实验。通过调节激光器的扫描速度和功率实现对银薄膜表面结构的调控。将扫描速度设置为200 mm/min,依次将激光器功率设置为0 W、4 W、8 W、12 W、16 W和20 W,然后对同一规格的银薄膜进行辐照制备一组基底,分别标记为S0、S1、S2、S3、S4和S5,制备多组同样规格的基底以备后续实验使用。对该组样品用罗丹明B作为探针分子检验基底的表面增强拉曼效果,检验基底的灵敏度。

1.4 葡萄糖的检测

首先制备一批同一表面结构参数的银基底,然后将银基底浸泡到浓度为10-4mol/L的4-MPY溶液中,时间为3 h。在这个过程中银基底中的Ag将和4-MPY通过Ag--S键组合在一起,4-MPY将作为探针分子牢牢吸附在银基底表面。最后将浸泡过的基底用去离子水进行冲洗,去掉基底表面物理吸附的4-MPY。

将修饰有探针分子的基底浸泡到葡萄糖氧化酶溶液(质量浓度为2 mg/mL、体积为1 mL)中,然后将葡萄糖溶液加入混合溶液中,对混合溶液进行水浴加热,温度设定为40 ℃,设定反应时间为5 min,反应完成后将基底用去离子水清洗,分别用不同银基底对应不同浓度的葡萄糖溶液(5～40 mmol/L)进行上述实验。

1.5 基底的重复性检测

表面增强拉曼基底的重复性对于其实际应用具有很大的影响,为了验证该基底的重复性,我们随机选取同一表面结构参数的15片基底,对每一基底取三个点进行光谱测试后取平均值,再进行重复性检测,选取拉曼位移为1 091 cm-1和1 076 cm-1两处光谱强度的变化来检验该SERS基底的重复性。

2 结果与讨论

2.1 银纳米基底的表征

图2为激光器同一扫描速度,不同激光辐照功率下的金相显微镜图,其中图2(a)～(c)分别对应的扫描功率为4 W、8 W和12 W。通过分析图片可以得出,随着扫描功率的增大,银纳米条纹变细,纳米条纹间隔变大,纳米条纹由顺滑逐渐变的粗糙。因为银纳米条纹的表面形貌是通过调节激光器的扫描功率以及激光器设定的扫描图形决定的,因此通过调节这两个参数可以实现对基底SERS性能的调控。

图3为不同扫描功率基底吸收图,激光功率为0时,表面等离子体吸收峰波长在600 nm左右,对应银薄膜的本征吸收峰。激光辐照后的基底吸收峰波长为500 nm左右,随着激光器功率的增大,纳米条纹尺寸变小,吸收峰发生红移,并且吸收峰强度增大。造成这种现象的主要原因是在发生表面等离子体共振的时候,金属表面主要发生的是高阶多极子振动,随着纳米粒子尺寸的降低,表面等离子体共振吸收峰会发生红移。导致发生红移动的另一个原因是量子尺寸效应[11-14]。实验结果表明,通过调节基底表面结构参数可以非常灵活地实现对表面等离子共振波长的调控。由于SERS与表面等离子体共振有着非常紧密的关系,这也从侧面反应出该基底SERS的高灵敏度。

图4为不同扫描功率基底罗丹明B探针分子拉曼光谱图,从图中可以看出,在扫描功率大于12 W时,罗丹明B拉曼信号很弱,当扫描功率小于12 W时,探针分子拉曼信号得到极大的增强,并且随着扫描功率的降低,拉曼光谱强度增大。产生这一现象的原因是,激光辐照功率的改变会改变银纳米粒子的表面结构参数(大小、形状),改变了基底的散射截面,进而影响基底SERS效果。实验结果表明,该基底具有良好的SERS效果并且通过调节基底表面结构参数实现了对SERS性能的调控。

图3 不同扫描功率基底吸收图Fig.3 Absorption patterns with different scanning power substrates

图4 不同扫描功率基底罗丹明B拉曼光谱图Fig.4 Raman spectra of Rhodamine B with different scanning power substrates

图5为不同浓度葡萄糖溶液对应的基底上4-MPY探针分子拉曼光谱图,从图中可以看出,随着葡萄糖溶液浓度的减低,探针分子拉曼光谱强度增大,这说明葡萄糖和葡萄糖氧化酶反应产生的过氧化氢改变了基底表面结构,从而影响了基底的SERS效果。图中4-MPY拉曼光谱强度和葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系,且具有很高的灵敏度。

图5 基底在不同浓度葡萄糖溶液浸泡后4-MPY探针拉曼光谱图Fig.5 Raman spectra of 4-MPY probe after basal immersion for the different concentrations of glucose solution

图6为随机选取的15片基底的拉曼光谱图,其中每个光谱图为基底上3个点光谱图的平均值。选取拉曼位移为1 091 cm-1和1 076 cm-1两处光谱强度进行对比。不同基底两处峰强的相对标准偏差分别为6.7%和7.1%,相对偏差是低于20%的。这表明该基底的重复性以及均匀性都较好。该基底仍存在重复性的原因主要有以下两个方面:(1) 镀膜工艺导致的薄膜厚度不均匀导致基底均匀性差进而影响重复性;(2) 激光器功率不稳定导致基底均匀性差进而影响重复性。针对以上问题我们提出了两种改进方法:(1) 提高镀膜工艺,尝试采用新的镀膜方法,如气象沉积法进行镀膜;(2) 改善激光器散热条件,增强激光器稳定性。

图6 随机选取的15片基底的拉曼光谱Fig.6 Raman spectra of 15 randomly selected substrates

3 结 论

本研究通过激光辐照的方法制备了一种新型表面增强拉曼基底,该方法可以通过激光器软件选择不同图形,改变扫描功率和扫描速度实现对基底表面结构参数的调控,实现了高灵敏度、高重复性、制备方法简单的SERS基底的制备。通过改变基底的扫描功率,实现了对基底表面等离子体共振波长和表面增强拉曼效果的灵活调控,证明该表面结构具有潜在的传感能力。通过在基底上修饰4-MPY探针分子,葡萄糖和葡萄糖氧化酶产生的过氧化氢会改变基底表面结构参数进而会影响探针分子的表面增强拉曼散射信号强度,从而实现了对葡萄糖的间接检测。结果表明,探针分子信号强度和葡萄糖溶液浓度之间具有良好的线性关系。