SERS三维结构基底在农药检测中的应用

孙 超， 张明杨， 丁建军， 郭乃宇， 叶 力

（江汉大学智能制造学院，武汉 430056）

0 引 言

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种集光学、电学的功能强大的检测方法，金属表面产生的SERS增强是由表面等离子体共振引起的。目前SERS的检测均匀性、重现性不佳的主要原因就是制备的金属胶体稳定性差，容易聚集，这些缺陷将大大减少SERS的检测热点，导致测试结果不稳定［1-2］。目前国内外在SERS的检测研究中，为了实现基底的可重复性，有两种研究思路，一种是优化基底材料，如通过化学反应将碳点与Ag纳米颗粒结合形成Ag NPs／CDs的杂化物作为新的表面增强拉曼散射基底［3］，以罗丹明6G、氯苯酚、二氯苯氧乙酸、甲基对硫磷为研究对象，形成以ZnO为基底模板，Au包覆TiO2的纳米管阵列实现光催化反应［4］；另一种是寻找合适的SERS阵列结构，如采用纳米枝晶为阵列［5］，采用了含硼的金刚石为拉曼增强的基底，优化的阵列结构可以有效提升快速检测结果的均匀性、一致性、准确性［6］。

在灭幼脲等农药的痕量检测中，一般采用液相色谱法［7］、液相色谱串联质谱法［8］对残留动态进行检测评估。这些检测方法对设备操作要求高，且过程复杂。本研究设计一种合适的基底结构，通过精确控制增强基底阵列纳米颗粒之间形成的间隙大小可以产生更高密度的检测“热点”［9］，尽可能地减少胶体稳定性差，容易聚集对实验结果的影响，从而具有更好的重现性［10-12］。

1 检测原理与仿真研究

根据表面增强拉曼散射的增强原理，使用碳纳米管作为基底材料，将银溶胶滴在碳纳米管制作的基底上，利用碳纳米管相比一般材料的比表面积大，同时间隙更多的特性，拥有更多的‘热点’，以此提高拉曼光谱检测的精度［13-15］。

为了进一步研究不同结构的纳米基底对拉曼增强系数产生的影响，使用仿真软件模拟多种不同结构的基底在同一光源环境下散射结果。采用的仿真软件为FDTD Solution（Finite Difference Time Domain）是时域有限差分法，作为一款有限元仿真软件，核心是在时间上采用离散方式解麦克斯韦方程，建立所需要的纳米结构的模型并设置好相关的环境参数，就可以使用该软件来通过观察基底附近的场强分布来判断拉曼增强系数的大小。图1为球形纳米结构的基底图。

图1 x-y方向球形纳米结构的基底图

从图1可知，每个纳米球的半径为50 nm，所选材料为银颗粒，相邻2个纳米球球心的距离为150 nm，纳米球阵列是以11×11排列。设置好相关的区域、散射场、光源、监视器等参数的大小后，运行计算，得到了x-z区域方向的场强大小分布，结果如图2所示。

图2 x-z方向球形纳米结构的场强分布图

同样再构造长宽高均为100 nm的正方体，其大小与球体相同，材料也选择银颗粒，间距为150 nm，构成以11｜×11的阵列，得到的结构如图3如示。

图3 正方体形纳米结构的基底图

分析其电场强度的分布，得到的场强图如图4所示。

图4 x-z方向上正方体形纳米结构的场强分布

通过图2和图4仿真结果的对比可以看出，球形纳米结构和正方体形纳米结构在其纳米分子附近的电场场强分布不一致，其中球形纳米结构表面的电场强度更高，这表明仅改变基底的分子结构，也会对拉曼增强系数产生影响。这一仿真结果也表明衍射电磁场与楔形物的几何性质有关。

为了进一步验证3D结构相比2D结构的优越性，选择圆形和正方形的2D结构在同一环境参数下进行仿真计算，其中圆形结构的基底和场强图如图5、6所示。同样方法画出正方形结构的基底图和场强图，如图7、8所示。

图5 圆形纳米结构的基底图

图7 正方形纳米结构的基底图

可以看到，2D结构相比3D结构（即圆形相比球形，正方形相比正方体），其场强明显减弱，相关的拉曼增强系数也会降低，即结构合适的3D纳米基底是较为理想的实验材料。

图6 x-y方向圆形纳米结构的场强分布

图8 x-y方向上正方形纳米结构的场强分布

2 银溶胶、基底的制备及SERS测试

在SERS实验中，制备出粒径大小合适的银溶胶是得到更好的实验光谱的前提。硝酸银溶液浓度为0.1 mol／L，先取适量，用水将其稀释至3 mmol／L的100 mL溶液，然后取0.1 g柠檬酸钠，加水稀释成10 mL质量分数1%的溶液，至此制备银溶胶所需的溶液配制完成。

将配制好的银溶液放入锥形瓶中，在加热锅中油浴加热，待银溶液沸腾时，通过玻璃棒缓慢滴加7 mL 1%的柠檬酸钠，继续加热并用玻璃棒搅拌10 min，停止加热，将其放置于避光阴凉处，待其冷却至室温后，放入冰箱4℃保存。实验过程及结果得到如图9、10所示。银溶胶为灰绿色的液体，静置后会发生分离为上层清液和下层沉淀，该沉淀为银溶胶。

图9 银溶胶的制备过程

图10 实验制备得到的银溶胶

碳纳米管采用超高分辨冷场发射扫描电子显微镜对多壁碳纳米管基底和单壁碳纳米管基底的结构进行观察，探究基底薄膜表面结构的微观形貌。

本实验过程使用激光波长为532 nm，波数范围λ为100～3 200 cm－1，先将仪器以功率5 mW进行测试，根据得到光谱图的清晰程度进行加减。首先直接对灭幼脲溶液进行检测，为了防止出现单次实验误差，分别对使用每种农药浓度的基底进行3次检测，结果取平均值，观察拉曼光信号随其浓度的变化而产生的变化，得到实验图如图11所示。

图11 未经设计的银溶胶基底灭幼脲试剂拉曼光谱图（5种不同浓度：5 g／L，1 g／L，100 mg／L，10 mg／L，3 mg／L分别对应B～F）

可以看到5、1、0.1 g／L浓度下，在光谱图上可以捕捉到比较明显的波峰，其中在1 693、2 932 cm－1有两处明显的拉曼波峰，1 693 cm－1处波峰最高，可以用于灭幼脲定量模型的建立。所以，采用表面增强拉曼散射的方法得到更显著的实验数据，期望在高的浓度下能得到更加明显的波峰以及低浓度下得到比较明显的波峰。基底制备过程先用胶头滴管取适量的银溶胶下部分沉淀，滴在载玻片上，为了使银溶胶相对均匀，使用另一块玻璃片左右刮载玻片上的液体，重复上述操作5次，以供5组浓度的灭幼脲农药使用。然后将基底放入40℃的烘干箱中，约10多min后取出，可以看到在玻璃片上呈现一层薄薄的深灰色的颗粒，以银溶胶作为表面增强拉曼散射的基底制作完成。用5个一次性的滴管分别取适量的浓度为5 g／L，1 g／L，100 mg／L，10 mg／L，3 mg／L的灭幼脲试剂，滴在银溶胶烘干的玻璃片上，放在拉曼光谱仪上检测。使用激光波长为532 nm，波数λ范围为100～3 200 cm－1，仪器功率5 mW，对每种农药浓度进行3次检测，结果取平均值，得到的实验结果如图12所示。

图12 经设计的灭幼脲试剂拉曼光谱图

由图11、12对比可见，采用表面拉曼增强后，得到了更为显著的实验结果，即使在低浓度下，仍然可以得到比较明显的拉曼光谱图，其中116，240，1 360，1 560，2 135，2 932 cm－1处在低浓度下都有比较明显的波峰，在240，1 560，2 932 cm－1处波峰更为明显，这使得拉曼光谱检测灭幼脲有着更为实际的应用前景。

3 以多壁碳纳米管为基底材料的表面增强拉曼光谱

为了更进一步提升信号的增强效果，以碳纳米管为基底材料制造出3D和阵列状结构的基板。其原理在于优化的阵列结构可以有效提升快速检测结果的均匀性、一致性、准确性。而增强效果好的阵列都有两个特点，①具有高曲率的尖锐尖端，它充当“避雷针”；②相邻金属纳米颗粒或纳米结构之间的纳米尺寸的间隙（也称为纳米间隙），间隙越多，比表面积越大，单位面积所吸引的目标分子就越多。所以采用新型材料碳纳米管为基底，因为碳纳米管比表面积大，化学性质稳定，且能做出需要的纳米级的分子形状，可以满足高曲率的尖端以及尽可能多的分子间隙这两个条件。图13、14为多壁碳纳米管垂直阵列的电镜图。

图13 碳纳米管的电镜图

该碳纳米管基底为1 cm×1 cm的矩形，碳纳米管直径约10 nm，高度小于1 mm，基底是硅片。以此为实验的结构材料，将灭幼脲试剂分散在其表面，辅以银离子修饰，这里使用了浓度分别为100，10，3 mg／L的灭幼脲试剂，图15为得到的拉曼光谱图。

由图15可得1 560、2 932 cm－1处依然为主要的两处波峰，下面再将灭幼脲浓度10，3 mg／L试剂得到的拉曼光谱图，与同浓度的表面增强拉曼光谱图进行比较，得到的结果如图16、17所示。

图14 碳纳米管垂直阵列的电镜图

图15 3种不同浓度（100，10，3 mg／L）的灭幼脲试剂的拉曼光谱图

图16 灭幼脲浓度为10 mg／L的拉曼光谱图（E1－多壁碳纳米管阵列，E2－末采用碳纳米管的对照组）

4 实验数据分析

为了得到最佳的实验结果，在对数据进行分析之前先进行一次预处理。这里预处理的目的是去除谱线的“噪声”数据或使数据更便于观察分析，常用的数据预处理方法有噪声处理、平滑处理和基线校正处理等。本文采用平滑处理来优化得到的拉曼光谱信号。

图17 灭幼脲浓度为3 mg／L的拉曼光谱图（E1－多壁碳纳米管阵列，E2－末采用碳纳米管的对照组）

首先将实验数据分为校正集和预测集，实验数据中采用灭幼脲浓度为100、10、3 mg／L的溶液在拉曼光谱仪上得到的拉曼光信号强度，每种灭幼脲试剂有3个实验样品。根据9个样本的测量值，采用2∶1的分配方案，从每3个样品中选择2个为校正集，剩余的1个为预测集，所以校正集由6个样品组成，预测集由3个样品组成，然后分别计算预测集和校正集的相关系数和均方根误差。

采用数据平滑和基线校正处理数据集，实验对象为灭幼脲浓度为100、10、3 mg／L的溶液通过拉曼光谱仪在单壁碳纳米管为基底上得到的拉曼信号。

表2 数据平滑预处理后预测集拟合得到的相关系数

从表1、2可以看到，采用平滑处理的预处理方法得到的预测结果，校正集经数据平滑处理后，相关系数为0.977，预测集经数据平滑处理后，相关系数为0.969；最终计算得出较高的相关系数和较低的均方根误差表明，采用单壁碳纳米管这一材料作为检测灭幼脲残留的表面增强拉曼基底可以满足灭幼脲浓度检测精度要求的。

表1 数据平滑预处理后校正集拟合得到的相关系数

5 结 语

本文为检测痕量的农药灭幼脲含量，设计制备了一种基于SERS的三维增强基底，该结构有着更好的拉曼增强效果，这是因为3D的纳米结构比表面积更大，结构也更稳定，吸附待测分子的能力显著，获取的SERS信号稳定性和均匀性更好。同时，以银离子作为基底的材料的支撑物，通过精确控制增强基底阵列纳米颗粒之间形成的间隙大小可以产生更高密度的检测“热点”，从而具有更好的重现性。

理论仿真分析和实验可以看出增强效果好的阵列大致都有两个特点：①具有高曲率的尖锐尖端，它充当“避雷针”；②相邻金属纳米颗粒或纳米结构之间的纳米尺寸的间隙，间隙越多，比表面积越大，单位面积所吸引的目标分子就越多。