多孔硅-Au/Ag枝晶复合材料研究进展

葛道晗，倪 超，丁 杰，张立强，祝世宁

(1.江苏大学微纳米科学技术中心，镇江 212013； 2.南京大学固体微结构物理国家重点实验室，南京 210093)

0 引 言

20世纪60年代，Updike等[1]将葡萄糖氧化酶固定化膜与氧电极组装，标志着第一种生物传感器的诞生，此后人们相继制成了各类生物传感器，例如：电化学[2-3]、机械[4-5]、核磁共振[6-7]、光学生物传感器[8-9]等。其中光学生物传感器由于其具有高灵敏度、低检测限和多重监测的特点，被广泛应用于生物、化学、医疗等领域的检测。光学生物传感器将表面等离子共振(surface plasma resonance, SPR)或表面增强拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)与传统生物传感器相结合来获得较强的检测能力。人们普遍认为，SPR或SERS的性能突破的关键点在于构建具有高灵敏度和稳定性的检测平台。

近年来，多孔硅在生物传感[10-11]、微电子[12]、光学器件[13-14]等领域备受关注。20世纪60年代，Uhlir等[15]在利用氢氟酸(HF)对硅晶片进行抛光时偶然发现了多孔硅结构，并研究了其特殊的物理性质，这些性质是由其微观形貌下的孔隙和孔内部结构决定的。至此长达几十年的时间里，多孔硅一直被当作微电子的绝缘材料来使用。过去人们对于能够将多孔硅作为光学器件的原因间接归因于它在微观尺度下的量子效应，1991年Nature刊文[16]报道了多孔硅强光致发光特性，直接证明了多孔硅微观尺度下的结构表现出高效的光致发光的特性。此后多孔硅的一些其他性质接连被发现，例如生物可降解性[17]、生物可相容性[18]等，在医疗和生物等诸多领域[19]被广泛应用。

自20世纪SERS[20]现象被发现，相较于拉曼散射有限的检测水平和易受干扰的缺陷，表面增强拉曼散射具有很好的检测能力。基于等离激元增强的拉曼效应是辐射金属纳米结构以激发SPR，从而在纳米结构表面产生强烈磁场。增强磁场内部的样品产生的拉曼信号强度比自由状态下强106倍，甚至可以实现单分子的灵敏检测。目前，SERS可以用表面贵金属纳米结构的物理电磁增强和化学增强来解释。主流物理解释认为，在共振条件下，局部表面等离子体激元[21]被激发后，基底表面靠近金属颗粒部分的局域电磁场的增强产生了SERS现象。化学方面通常认为，化学分子与金属表面相互作用[22]使得分子更加有效地反射光线从而增强了散射信号。因此常被用于生物和化学等领域的检测。SERS的性能主要取决于两点：一是复合衬底的孔隙率，二是衬底上贵金属的分布情况(即所谓的“热点”分布)。多孔硅具有可蚀刻[23]的优良特性。硅基底呈现出柱状的空间形态，具有巨大的比表面积，有利于贵金属颗粒附着在多孔硅基底的表面以及其内部。近年来多数研究人员将多孔硅作为SERS的搭建平台用以突破SERS的检测性能。本文综述了近些年研究人员对多孔硅-Au/Ag复合结构的研究，介绍了不同制备条件下其枝晶结构的生长形貌以及检测性能。

1 多孔硅-Ag/Au复合结构制备方法

1.1 热分解法

2003年，Chan课题组[24]研究了一种复合贵金属纳米颗粒的多孔硅基底分步制备法，该方法预先将硅片处理为多孔硅，并将处理好的多孔硅浸入0.1 mol/L的AgNO3溶液中，随后在100 ℃烘干镀银的多孔基板，使溶剂蒸发，硝酸银盐便会吸附到孔壁上，最后，在环境压力炉中加热到500 ℃，硝酸银盐被热分解为金属银和其他气体(NO2、O2)，最终产物是镀银的纳米多孔硅衬底，该方法使用罗丹明6G进行检测，使检测级别增强了7个数量级。图1为利用热分解法检测罗丹明6G的SERS光谱图。2007年，Giorgis课题组[25]将多孔硅预先氧化，之后将其浸渍在AgNO3中，该AgNO3溶解了0.1 mol/L的无水乙醇，浸渍时间为3～60 min。样品在500 ℃退火20 min，分解银盐得到了银纳米颗粒包裹的多孔硅骨架结构。该方法对花青素达到了10-7mol/L的检测水平。

图1 利用热分解法检测罗丹明6G的SERS光谱图[24]

1.2 湿化学沉积法

2009年，Galopin课题组[26]采用化学沉积技术在多孔硅表面及其内部沉积银纳米颗粒，该方法将硅片浸入硝酸银(0.000 1 mol)和氢氟酸(0.26 mol)的水溶液中60 s，之后进行干燥处理得到多孔硅。在高温下，多孔硅层上的金薄膜热分解得到金纳米颗粒催化剂，随后将样品放入化学气相沉积(chemical vapor deposition,CVD)炉中，通入硅烷(SiH4)气体，在高温下金纳米颗粒催化剂将SiH4催化分解，最终实现了基底上硅纳米线的生长以及金纳米颗粒的附着。图2显示了扫描电子显微镜下硅纳米线和金纳米颗粒的生长。采用该方法得到的复合金纳米颗粒多孔硅基底，利用罗丹明6G进行检验，表现出强大的检测能力，检测限为10-14mol/L，增强因子为2.3×108。

图2 扫描电子显微镜下硅纳米线的生长单根枝晶结构顶部(A)和底部(B)的高倍电镜图[26]

2019年，Jabbar课题组[27]利用湿化学沉积法合成了用于TNT分子检测的多孔硅/钯纳米粒子(PdNPs)复合基底。他们通过湿化学蚀刻工艺制备了多孔硅层，由于多孔硅内部存在二价键，能够还原钯离子，因此将蚀刻好的多孔硅浸入氯化钯(PdCl2)溶液中沉积15 min得到PdNPs/PSi复合基底。他们还研究了不同蚀刻时间对多孔硅内部孔径的影响，按照蚀刻时间的不同(2 min、4 min、6 min、8 min)制备了4组不同的样品以及一组空白样品，图3为不同蚀刻时间下多孔硅基底的内部孔径。随后对这些样品进行拉曼检测，如图4所示。两组图片对比间接证明了SERS的性能与多孔硅衬底内部孔径存在关系。结果表明该复合基底针对TNT分子检测极限能够达到10-7mol/L。

图3 不同蚀刻时间下多孔硅基底的内部孔径电镜图样品[27]

图4 不同蚀刻时间下多孔硅拉曼光谱图[27]

1.3 物理气相沉积法

2009年，Panarin课题组[28]对制备多孔硅复合贵金属枝晶结构进行优化。实验制备了两种不同孔隙率的多孔硅，在乙醇(C2H6O)和氢氟酸(HF)混合溶液中对硅片进行阳极蚀刻，得到多孔硅片。将电阻率为0.015 Ω·cm的硅片，在电解液C2H5OH∶HF(体积比1∶1)中蚀刻5 min，并进行阳极化处理，电流密度Ja为15 mA/cm2制得一号样品；将电阻率为0.005 Ω·cm的硅片，在电解液C2H5OH∶HF(体积比2∶1)的混合物中蚀刻10 min，电流密度Ja为10 mA/cm2，制得二号样品。采用物理气相沉积(physical vapor deposition, PVD)的方法，通过对硝酸银浓度和浸入时间的控制，对不同浓度的罗丹明6G进行检测，发现随着时间的增加，罗丹明6G的SERS光谱图总体呈现倒三角的趋势，如图5所示。确定了对于P型多孔硅/贵金属纳米颗粒复合衬底，其最佳反应浸入时间应控制在10～15 min，这也是目前大多数研究者制备表面增强拉曼散射活性衬底所认可和采用的时间。最终该方法利用罗丹明6G进行检测，增强因子达到了2×108。2019年，Ibrahim Khalil课题组[29]报道了一种一步电子束物理气相沉积(PVD)的方法，他们通过化学蚀刻制备了多孔硅基底，随后利用PVD技术将金颗粒溅射到多孔硅基底上。传统的化学沉积方法由于纳米金属颗粒在多孔硅基底上的不规则分布从而产生不规则的“热点”，检测到的拉曼信号通常存在不稳定性。采用该方法避免了这种缺陷，保证了拉曼信号的稳定性。

图5 对不同浓度的罗丹明6G长时间检测的SERS光谱图(a,b);PSi浸泡在不同硝酸银浓度溶液中10 min的电镜图(c,d)[28]

1.4 浸镀法

目前，浸镀法由于其制备快速高效、成本低廉的独特性质被研究者广泛采用。2004年，Lin课题组[30]采用浸镀法制备了多孔硅/银纳米颗粒(AgNPs)复合基底。该方法首先用1 mmol的盐酸(HCl)对多孔硅基底预处理，降低了背景噪音，预先制备好2 mL体积比为1∶1的乙醇和水溶液,该混合溶液含有0.1 mol的硝酸银溶液，将经过处理的多孔硅基底浸入通过化学还原制得样品。该样品对罗丹明6G的检测极限为1×10-9mol/L。他们还研究了不同刻蚀程度下银纳米颗粒沉积后多孔硅的生长形貌，结果表明多孔硅孔隙率的不同对银纳米颗粒在基底上的生长形貌有着重要影响，出现了如图6所示的较为罕见的树突状纳米枝晶结构。2008年，Ye课题组[31]采用化学金属电镀的方法将银纳米颗粒沉积到多孔硅表面，在多孔硅衬底上形成大片树突状的银纳米结构。与传统的将硅片浸入硝酸银和氢氟酸水溶液中不同，该课题组采用氟化铵与硝酸银水溶液，证明了氟化物对树突型金属纳米颗粒形成的影响。2016年，Zhao课题组[32]报道了一种新型的柔性SERS基底——树突状银纳米结构过滤膜。该方法采用简单的电化学还原沉浸法，由于滤膜对贵金属也有较好的亲和力,因此，过滤膜可以作为SERS基底的完美支撑。

图6 不同尺寸下银枝金结构在多孔硅衬底上生长形貌电镜图及经过HCl消除背景噪音后的衬底检测图[30]

1.5 单步快速制备法

2020年，Ge课题组[33]在浸镀法的基础上优化设计，提出了一种单步制备多孔硅-金属枝晶结构的SERS基底，该原理[34]基于将硅片蚀刻过程中产生于氢化物与硝酸银溶液中的银离子产生还原反应，使银纳米颗粒沉浸在多孔硅基底上，形成一层银纳米薄膜。与浸渡法相比，该方法将P型硅片在含氢氟酸的硝酸银(AgNO3)和二甲基甲酰胺(DMF)的混合溶液中进行电化学蚀刻，氢氟酸、硝酸银和二甲基甲酰胺(DMF)体积比为16∶9∶8。在形成多孔硅的同时银离子已经被还原形成银纳米颗粒或银纳米枝晶并附着在多孔硅表面及其内部。多孔硅的内部柱状结构为银离子的结晶提供了大量的形核位点。该过程中的氧化反应可用下面的反应式表示[34]：

4Ag++Si+6HF→4Ag+H2SiF6+4H+

(1)

该课题组同时制备了5组硝酸银溶液，溶解量分别为0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g。图7显示了在不同硝酸银浓度下，银纳米颗粒或枝晶结构的生长形貌。结果显示，随着硝酸银含量的增加，银纳米颗粒逐渐转变为枝晶结构。该方法不仅制备快速、成本低廉，而且表现出强大的检测性能，对罗丹明6G的检测限低至10-11mol/L。

图7 不同硝酸银浓度下银纳米枝晶的生长结构[33] (a,b) 0.014 mol/L;(c,d) 0.022 mol/L;(e,f) 0.3 mol/L;(g,h) 0.37 mol/L

综上所述，制备多孔硅复合贵金属结构的方法不同，其对检测物的检测极限也不一样，如表1所示。

表1 各制备方法之间的差异对比[24-28,30,33]

2 多孔硅-Au/Ag复合结构传感应用研究进展

2.1 多孔硅-Au/Ag复合结构的优势

截至目前已有很多学者发表了以多孔模板作为基底的研究成果，这些模板中，常用的多孔模板有多孔氧化铝[35]、多孔氧化钛[36]、多孔硅[37]。如前所述，孔隙率的选择以及金属颗粒在基底表面及其内部的均匀分布将直接影响SERS检测的性能[38]。多孔硅由于其良好的结构控制[39]、微观下形貌多样[40]、良好的光学特性以及便于贵金属颗粒吸附的独特性质使之作为SERS基底用于生物、化学等领域检测成为一项非常可行的技术。图8是电子显微镜下不同尺度多孔硅的顶部和截面的形貌[41]。对于制备完成的复合贵金属纳米颗粒的多孔硅基底，其检测性能的优劣与多孔硅基底自身的形貌和附着在基底表面及其内部的金属颗粒分布情况相关，不同的制备方法表现出不同的检测性能。

图8 电子显微镜下不同尺度多孔硅的形貌[41]

2.2 食品环境检测

2016年，Fouad课题组[42]基于SERS开发了一种用于快速检测不同类型食品(果汁和牛奶)中农药(西维因)残留程度的平台。通过将金纳米棒组装成站立阵列，制备了一种新的SERS衬底。如图9所示，在1 382 cm-1、1 442 cm-1和1 578 cm-1出现特征峰，表明基于SERS/AuNRs的复合衬底分别能够检测到从果汁和牛奶样品中提取的西维因，西维因在橙汁和牛奶中的检出限分别为509 μg/L和391 μg/L。结果表明，SERS/AuNRs复合衬底是一种快速、灵敏的食品中农药残留检测方法。2019年，Verma课题组[43]制备了多孔硅/AgNPs枝晶结构复合衬底对农药中福美双(thiram)的残留程度进行检测，thiram常被用于保护农作物，长久接触会导致眼睛和皮肤刺激。通过测量不同浓度thiram分子在多孔硅/AgNPs枝晶结构复合衬底上的SERS性能，结果表明，与普通thiram的SERS光谱相比，多孔硅/AgNPs枝晶结构复合衬底对thiram的增强因子达到了3.2×1010的水平，这对检测农药中的thiram残留有重要意义。

图9 不同浓度下(50～1 000 μg/L)西维因的SERS光谱图[42]

2019年，Wali课题组[44]利用多孔硅/金纳米颗粒(PSi/AuNPs)复合衬底检测青霉素G(PG)药物浓度。青霉素在治疗传染病方面有很重要的作用，但由于使用和处理不规范常被排放到自然环境中。他们开发了一种多孔硅/金纳米颗粒复合衬底用于检测水中残留的青霉素G。为了验证多孔硅/金纳米颗粒复合衬底的灵敏性和再现性，他们进行了与裸多孔硅SERS衬底(即不复合金纳米颗粒)的对比实验，如图10所示。由图可见，青霉素G在10-3～10-9mol/L浓度范围内吸附在AuNPs/PSi SERS活性底物上的SERS光谱，较强的波段为1 589 cm-1、997 cm-1、1 035 cm-1和946 cm-1。这些波段属于青霉素化学结构的振动谱带，因此可作为判断青霉素G是否存在的依据。该方法对PG的检测限低至10-9mol/L。

图10 裸多孔硅衬底SERS光谱图(a)；不同青霉素G浓度下SERS光谱图(b)[44](1×10-3～1×10-9 mol/L)

2020年，Ren课题组[45]提出了一种基于SERS与分子偶联的高灵敏度和选择性的无标记溶菌酶生物标志物检测平台。溶菌酶作为一种重要的临床生物标志物，已被用于诊断乳腺癌和类风湿关节炎等疾病。该小组采用湿化学法制备了多孔硅/Ag@MIPs检测平台，对目标溶菌酶的检测限低至5 ng/mL，该研究为无标记蛋白生物标志物检测提供了一种可靠和高灵敏度的方案。

2020年Wang课题组[46]设计了一种高性能表面增强拉曼散射(SERS)二维纳米点阵列(Au@AgNPs)，用于梨、苹果和橙汁中双杀菌剂(福美双和噻苯咪唑)的检测。拉曼检测图如图11所示，福美双在1 384 cm-1处有着明显的增强峰，噻苯咪唑在782 cm-1处的特征峰同样明显增强。最后，该检测平台对双杀菌剂的检测水平达到0.05 μg/L和0.05 μg/L。

图11 二维Au@Ag纳米点阵列中收集到不同浓度的福美双在(a1)水、(a2)梨汁、(a3)苹果汁和(a4)橙汁中的SERS光谱;(b1～b4)对应于1 384 cm-1处福美双对数SERS强度依赖于其浓度的函数;噻苯咪唑在不同浓度(c1)水、(c2)梨汁、(c3)苹果汁和(c4)橙汁中的SERS光谱研究;(d1～d4)表示噻苯咪唑在782 cm-1对应的对数SERS强度随浓度的对数变化[46]

2.3 生物医疗检测

2018年，Wang课题组[47]基于SERS的方法，设计了一种三明治结构的载体用于检测癌细胞外泌体的浓度。由于适配体对外泌体的唯一识别性，二者结合后会形成一种免疫复合物。该课题组将适配体与多孔硅/金纳米颗粒相结合，制备出了一种独特的SERS探针，实现对临床医学上癌细胞外泌体的检测。该课题组做了适配体对外泌体唯一识别性的完整性验证。他们制备了三组不同的探针(HER2适配体、PSMA适配体、CEA适配体)，分别对培养好的乳腺癌细胞(SKBR3)、前列腺癌细胞(LNCaP)和结直肠癌细胞(T84)的外泌体进行检测，如图12所示。结果表明，当检测到外泌体时，相对应探针SERS光谱图上的特征峰会呈现减弱趋势，随着外泌体浓度的增加，特征峰的减弱趋势也更加强烈，如图13所示，这意味着适配体已与外泌体结合并导致适配体特征峰减弱。当体内不存在欲检测的外泌体时，探针上适配体特征峰不会出现变化。

图12 基于SERS的外泌体检测原理图[47]

图13 不同浓度外泌体与适配体结合后的SERS检测图(a,c,e);检测强度随外泌体浓度增加呈非线性关系(b,d,f)。(a)SKBR3外泌体，(c)LNCaP 外泌体，(e)T84 外泌体；单位：外泌体个数/μL[47]

2018年，Ruan课题组[48]利用银纳米棱柱衬底的SERS检测血液样本中的循环肿瘤细胞(CTC)，其检测限低至每毫升5个细胞。2019年，Wang课题组[49]开发了一种基于SERS的夹芯式免疫分析法，用于临床B细胞恶性肿瘤的预后微量残留细胞的检测。

3 结语与展望

目前，研究人员提出了很多多孔硅复合Ag/Au纳米颗粒结构的制备方法，旨在制备出具有高灵敏度和稳定性的检测平台。本文总结了热分解法、湿化学沉积法、物理气相沉积、浸渡法和多孔硅-金属枝晶结构单步快速制备法等几种主流的SERS衬底制备方法，分析了不同制备方法所表现出的检测性能和极限。由于SERS增强机理未被充分解释，导致同一检测物在不同制备方法所制备的衬底上存在检测水平不一致的问题，因此,在不同领域内所采用的制备方法不尽相同。总体来看，热分解法、湿化学沉积法、物理气相沉积法在多数领域能够达到较高的检测水平，但也存在着制备方法复杂，成本高的问题。相对于前几种方法，浸镀法和单步快速制备法能够在成本低、制备方法简单的条件下也达到符合要求的检测水平。

如今，基于SERS的多孔硅/贵金属纳米颗粒的复合基底已广泛用于各种分析物的检测。对于特定的检测物，例如罗丹明6G，各制备方法已达到单分子检测水平，然而用于生物、化学、医疗等领域的商用检测手段仍处于较低水平，通常只能达到1×10-5mol/L。从当前来看，多孔硅/贵金属复合结构作为SERS衬底因其检测限低和多重检测的能力决定着未来一段时间内它仍是各领域主流的检测手段，但仍需要研究者进一步探索来提高对其他分子的检测水平。