基于硅基微纳结构衬底的光操控-表面增强拉曼光谱方法研究

张 旭， 辛 坤， 史晓凤， 马 君

中国海洋大学青岛市光学光电子重点实验室， 山东 青岛 266100

引 言

表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering， SERS)是一种与粗糙金属材料(如金、 银等)相关的表面增强效应， 可使拉曼信号最高增强约1014～1015倍。 表面增强拉曼光谱灵敏度高、 信息含量丰富， 作为一种独立的检测手段已被用于生物[1]、 化学[2]和食品[3]等各方面的检测中。 由于SERS增强基底的制备是实现高灵敏度探测的关键因素， 因此研制具有高灵敏度、 高稳定性以及易制备的SERS活性基底一直是SERS领域研究的热点之一。 目前常见的SERS基底有： 溶液中的金属纳米粒子[4]、 化学刻蚀和化学沉积的活性基底[5]等。

利用光操控技术制备金属纳米粒子聚集体是SERS领域研究的热点， 2009年， Tong等[6]实现了光捕获的吸附在微流体通道内金纳米粒子聚集体上的5×10-2mol·L-1的苯硫酚(TP)和2-萘硫醇(2-NT)的探测。 2012年Lin等[7]报道了一种特殊的捕获银纳米粒子的实验装置， 研究了光子晶体腔对银纳米粒子的捕获作用， 检测到1.0×10-8mol·L-1的PMA。 2016年， Wu等[8]将驻波光阱和拉曼技术结合， 利用驻波拉曼光镊在光阱中捕获80 nm金纳米粒子簇， 并探测到了2.5×10-6mol·L-1罗丹明B的信号。 2017年， Spadaro等[9]研究了等离子体硅-金复合结构的光学捕获效应及其在拉曼光镊中作为SERS探针的应用， 研究发现多孔硅壳内壁嵌入金纳米球的复合结构能够增强光捕获效率。

目前， 基于光操控的SERS技术主要是利用光梯度力作用捕获金属纳米颗粒， 该方法可以监测捕获的粒子数， 提高SERS检测灵敏度。 但仅基于光梯度力捕获金属纳米粒子捕获率低， 且需要捕获光和激发光两束激光， 实验装置复杂。 本文将首次应用一束激光同时实现金属纳米粒子捕获和SERS信号激发， 在金纳米溶胶中加入具有微纳线状结构的硅衬底(silicon-based micro-nanostructure substrate， SiMS)， 并将激光对焦在衬底狭槽内， 利用光辐射压力和光梯度力的共同作用在狭槽内捕获金属纳米粒子， 形成金纳米颗粒聚集体， 从而产生更多的“热点”， 提高了金纳米粒子的捕获效率， 也极大地提高SERS探测的灵敏度。 同时， 本文以芘分子为探针分子， 定量研究了该方法的检测灵敏度和硅衬底的重复性。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

实验仪器： Ocean Optics 公司的便携式QE65000系列拉曼光谱仪， 分辨率为6 cm-1， 光谱范围0～1 800 cm-1； 上海熙隆光电科技有限公司生产的FC-785-500-MM型窄线宽半导体激光器， 激发波长为785 nm， 激光器耦合入光纤的功率可调， 最大为500 mW； InPhotonics公司生产的785 nm RPB型号的Y形反射式光纤探头； 日立集团的S4800扫描电子显微镜。

实验试剂： 柠檬酸三钠、 氯金酸(HAuCl4·4H2O)、 甲醇均购于国药集团化学试剂有限公司、 芘购于美国Sigma-Aldrich公司。

1.2 样品的制备

在配置芘标准溶液时， 先将芘固体溶解于甲醇溶剂， 再用超纯水稀释至(2.0～500)×10-9mol·L-1的不同浓度。 所有稀释后溶液中甲醇的含量低于1%。

1.3 SERS基底的制备及SERS光谱探测

1.3.1 金纳米溶胶的制备

金纳米颗粒的制备参考Frens法， 以柠檬酸钠作为还原剂加热还原氯金酸， 制备好的金纳米颗粒呈紫红色， 冷却待用， 金纳米颗粒的平均粒径约为55 nm， 根据消光光谱， 金纳米颗粒溶胶在534 nm处有明显的吸收峰， 吸收峰的半高宽约为56 nm， 表明金纳米颗粒粒径分布较为均匀[10]。

1.3.2 微纳硅基衬底的制备

微纳硅基衬底的制备利用飞秒激光湿法刻蚀技术， 使用脉冲激光， 控制脉冲激光的激光功率、 脉宽以及激光焦点处聚焦光斑大小分别在不同硅片表面的5 mm×5 mm范围内刻蚀横截面积(宽度×深度)为10 μm×7 μm, 30 μm×12 μm, 60 μm×15 μm, 70 μm×19 μm和90 μm×21 μm的狭槽线阵， 制备线宽和深度不同的微纳硅基衬底， 其中使用脉冲激光在基底表面加工线阵列图形示意图如图1所示。

1.3.3 基于微纳硅基衬底的SERS探测

在高度聚焦的激光束的照射下， 金纳米溶胶中的金纳米粒子会受到光辐射压力和光梯度力的作用。 由于金纳米粒子的典型特性是对光有很高的反射率和吸收率， 所以光辐射压力通常大于光梯度力， 故粒子所受合力沿光束的传播方向[12]。 将光束聚焦至硅基微纳结构狭槽处， 金纳米粒子在光梯度力的作用下， 沿垂直光传播方向向光束中心移动， 光束内的纳米颗粒同时又受到光辐射压力的作用， 沿光传播方向运动， 最终聚集于微纳硅基衬底的狭槽内， 形成金纳米粒子聚集体。

图1 微纳硅基衬底表面线阵狭槽加工示意图(左上为70 μm×19 μm衬底显微镜图)

Fig.1 Schematic diagram of processing a line array on the surface of Si substrate using a pulsed laser (the top left is the micrograph of the substrate(70 μm×19 μm))

探测过程如图2所示， 探测物溶液与金溶胶溶液按3∶1比例混合于比色皿中， 静置使探针分子-芘充分吸附到金纳米颗粒上； 将微纳硅基衬底置于比色皿中， 将比色皿放置在探测系统调节台中； 调节使激光通过拉曼光纤探头后聚焦到微纳结构表面的狭槽内， 并开始采集光谱。 探测时到达样品的功率为160 mW， 聚焦光斑大小约为200 μm， 积分时间为10 s， 每隔2～5 min采集一次数据， 直到信号达到稳定， 此时狭槽内的金纳米粒子达到平衡状态。 数据处理采用Origin软件。

图2 基于微纳硅基衬底的SERS探测原理图

2 结果与讨论

2.1 微纳硅基衬底的SERS效应

以5×10-7mol·L-1的芘溶液为探测分子， 狭槽截面积为70 μm×19 μm的微纳硅基衬底为例， 图3对比研究了基于光操控技术的微纳硅基衬底SERS基底的性能。 相较于金溶胶溶液， 加入微纳硅基衬底时， 芘在588 cm-1(C—C—C bending)、 1 060 cm-1(C—C stretching, C—H rocking)、 1 234 cm-1(C—C stretching)、 1 400 cm-1(C—C stretching)、 1 615 cm-1(C—C stretching)等处特征峰[12]的SERS信号强度皆有明显增强， 其中588 cm-1处信号强度提高约100倍。 产生如此显著增强效果的可能原因有两个： 首先在光合力的作用下， 金纳米粒子在衬底表面的狭槽内产生聚集， 聚集体中相邻金属纳米颗粒的纳米尺寸间隙处(nanogap)存在强度非常大的局域电磁场。 相比金溶胶体系， 单位探测体积内的金纳米颗粒密度大大增加， 有效缩小了颗粒间间距， 调节了金纳米颗粒在空间位置上的耦合作用， 从而形成更多的拉曼信号“热点” 。 提高SERS灵敏度； 其次微纳硅基衬底有一定的纵深， 对吸附了探测物的金纳米颗粒有着较好的保留效果， 起到了稳定的富集作用， 这两个因素的综合效果造就了其SERS增强效果的进一步提高。 光操控金纳米粒子聚集是一个逐渐累积的过程， 聚集时间在35～110 mins范围内达到稳定探测状态， 狭槽截面积越大、 探测物浓度越低， 所需时间越长[8]。 此外还可能受表面张力的影响， 不同狭槽形貌、 不同基底材料的表面张力不同， 进而影响纳米粒子的聚集效率。

图3 两种基底上芘溶液的SERS光谱图

2.2 狭槽截面积对SERS效应的影响

微纳硅基衬底能使金纳米粒子产生富集的效果， 而硅基衬底的狭槽截面积会影响金纳米粒子的收集效率。 为了研究狭槽截面积对SERS增强效果的影响， 分别对不同截面积的微纳硅基衬底进行了研究， 图4(a)为不同参数衬底下金纳米粒子聚集后获得的芘溶液SERS谱。

图4 (a)芘溶液在不同截面积微纳硅基衬底上的SERS谱；(b)芘溶液的SERS信号强度与截面积的关系曲线

Fig.4 (a) SERS spectrum of pyrene obtained with SiMS in different scale； (b) Dependence of SERS intensity of pyreneon scale of SiMS

a： 10 μm×7 μm；b： 30 μm×12 μm；c： 60 μm×15 μm；

d： 70 μm×19 μm；e： 90 μm×21 μm

芘在588和1 234 cm-1处特征峰强度与狭槽截面积的关系曲线如图4(b)所示。 随着狭槽截面积的增加， SERS信号逐渐增强， 狭槽截面积为70 μm×19 μm时达到最强， 超过该截面积后， 拉曼信号强度开始降低。 分析原因可能是： 金纳米颗粒的3D“热点”效应随聚集状态的提高而升高[13]， 截面积较小时， 深度也相对较浅， 不利于吸附了探测物的金纳米颗粒的聚集， 形成的金纳米颗粒聚集体较小， 增强效应较低； 随着截面积的增加， 粒子聚集更多， 形成更多的纳米颗粒聚集体， SERS效应也逐渐增强。 当狭槽截面积增大到一定值时(本实验条件下为70 μm×19 μm)， 狭槽内逐渐累积形成稳定的金纳米颗粒聚集体， 既能增强三维结构效应， 又能使吸收峰发生红移[10]， 聚集体的共振频率更加接近激发光频率， 使得狭槽内形成稳定的增强效应。 当狭槽截面积继续增加时， 粒子聚集空间更大， 可能造成金纳米颗粒聚集体过大， 过大的聚集体也不利于SERS增强效应[13]。

2.3 微纳硅基衬底的重复性分析

基底的重复性也是SERS基底的一个重要指标。 为了研究微纳结构衬底的重复性， 对狭槽截面积为70 μm×19 μm的微纳衬底进行了多次实验， 每次完成实验后， 关掉激光器， 待激光的作用力消失， 狭槽内聚集的金纳米粒子重新分散在溶液中后， 进行下一次实验。 实验过程中随机选取微纳衬底8个不同位置， 每个位置重复三次实验。 以芘在588和1 234 cm-1处特征峰峰强为依据进行重复性分析， 如图5所示， error bar为每个位置三次实验峰强的方差， 结果表明， 衬底具有较好的重复性。 虚线为8组探测结果的平均值， 不同位置芘的588和1 234 cm-1两个特征峰峰强的相对标准偏差(relative standard deviation, RSD)分别为9.9%和2.0%。 由此可见， 在此微纳硅基衬底SERS基底上的RSD比较低， 说明其对SERS探测具有较好的重复性。

图5 微纳硅基衬底SERS基底不同位置对芘溶液的探测结果

2.4 微纳硅基衬底的SERS灵敏度

为了研究基于光操控技术的SERS基底灵敏度， 以狭槽截面积为70 μm×19 μm的微纳硅基衬底为例， 探测了不同浓度芘的SERS光谱， 如图6(a)。 在硅基微纳结构衬底上， 浓度低至5.0×10-9mol·L-1的芘仍能探测到588 cm-1处的拉曼信号。 对芘进行定量分析， 图6(b)所示为芘位于588和1 234 cm-1处特征峰强与浓度的关系曲线(由于衬底重复性较好， 因此图中error bar不明显)， 在低浓度范围内(5.0～100×10-9mol·L-1)， 对其特征峰强度与浓度关系进行线性拟合， 呈现较好的线性相关性， 其拟合方程及线性相关系数见表1。

表1 低浓度范围内(5.0×10-9～1.0×10-7mol·L-1)， 芘的SERS峰强度与浓度间的线性拟合方程及相关系数

Table 1 Regression equations between SERS intensities and concentrations of Pyrene (5.0×10-9～1.0×10-7mol·L-1) and their correlation coefficients

PAHRamanband/cm-1RegressionequationCorrelationcoefficientPyrene(Pyr)5881 234I=39.0C-116.8I=3.9C+89.8R2=0.992R2=0.971

3 结 论

基于光操控技术应用一束激光同时实现金属纳米粒子捕获和SERS信号激发， 在金纳米溶胶中加入具有微纳线状结构的硅衬底， 并将激光对焦在衬底狭槽内， 利用光辐射压力和光梯度力的共同作用在狭槽内捕获金属纳米粒子， 形成金纳米颗粒聚集体， 提高了金纳米粒子的捕获效率， 也极大地提高SERS探测的灵敏度。 SiMS狭槽截面积会对金纳米颗粒的聚集产生影响， 在本文的实验系统中， 狭槽截面积为70 μm×19 μm左右时能达到最好的效果， 相对于仅以金溶胶为SERS增强基底， 5×10-7mol·L-1芘的信号强度提高了两个数量级， 并且在衬底不同探测位置芘的SERS峰强的相对标准偏差在2.0%～9.9%范围内， 表明其对SERS探测具有较好的重复性， 且经过清洗之后可以重复使用。 金纳米颗粒在狭槽内的聚集过程随时间逐渐增多， 最后达到一个稳定的状态， 应用该硅基微纳结构衬底的SESR基底对芘进行了定量分析， 在低浓度范围内， 其特征峰强度与浓度之间具有较好的线性关系， 得到其最低检测浓度为5.0×10-9mol·L-1。 与仅使用金溶胶相比， 该方法保留了金纳米颗粒重复性好的优势， 同时具有更高的增强效应和衬底经清洗可重复使用的优点。 研究表明， 基于硅基微纳结构衬底的SERS基底， 是一种新型的提高SERS灵敏度的方法， 在化学和生物学等领域的物质检测分析方面具有广阔的应用前景。

图6 (a)基于SiMS(70 μm×19 μm)的不同浓度芘溶液的SERS光谱； (b) 峰强与浓度的关系曲线， 内插图为低浓度范围内关系曲线

a: 5.0×10-9mol·L-1；b: 2.0×10-8mol·L-1；c: 5.0×10-8mol·L-1；d: 2.0×10-7mol·L-1

Fig.6 (a)SERS spectra of different concentrations of pyrene solutions based on SiMS (70 μm×19 μm)； (b) Dependence of SERS intensity on concentration of pyrene, the inset is the dependence in low concentration

a: 5.0×10-9mol·L-1；b: 2.0×10-8mol·L-1；c: 5.0×10-8mol·L-1；d: 2.0×10-7mol·L-1