表面疏水化纸基衬底制备及其增强拉曼光谱特性研究

曹怡,刘雯,樊冲宇,方子清,董军*

(1.西安邮电大学电子工程学院,陕西 西安 710061)

1 引言

表面等离激元共振效应能够极大增强衬底附近局域电磁场强度,能够提升位于增强场附近探针分子的拉曼散射强度,为有效解决了传统光谱技术检测灵敏度低以及检测信号噪声强等问题提供了可能途径。因此,表面增强拉曼散射技术(Surface enhanced Raman scattering,SERS)作为一种无损检测技术,因其高灵敏度、快速检测以及“指纹”特性等优势,被广泛应用于农药检测[1-2]、生物医疗检测[3-5]、分子识别[6-7]、环境科学[8-9]等领域,并得到了研究者们的广泛关注[10-12]。

研究表明,具有疏水特性的SERS衬底可以抑制纳米颗粒溶液以及目标分析物在衬底上的扩散运动,使得衬底上纳米颗粒的沉积密度增加,从而提高等离激元结构衬底的SERS检测性能。具体体现在与溶液在亲水衬底上进行扩散运动相比,改性后的疏水衬底有效限制了溶液的沉积面积,使纳米颗粒在疏水衬底上形成一个微小的沉积区域[13-15],使得大量纳米颗粒被局限在此范围内,提高了颗粒分布密度。此外,疏水衬底通过限制靶向分子在衬底上的扩散行为,使得大量靶向分子输运到纳米结构间隙中,能有效提高待检测区域的分析物数量及衬底的SERS检测性能[16]。因此,所述采用少量靶向分子溶液进行分析的方式,使得衬底有望在痕量检测领域得到广泛应用。

本文通过叠加循环次数法制备得到经金银合金纳米颗粒修饰的疏水纸基衬底,并具有良好的拉曼活性。通过滴加法在表面疏水化的纸基衬底上不断循环叠加滴加次数,胶体在疏水衬底表面形成液滴。基于浸润效应,干燥后等离激元结构沉积区域克服了“咖啡环”效应的影响,在沉积区域内形成高密度分布的纳米颗粒聚集,从而增强SERS衬底的拉曼活性。选用罗丹明6G、结晶紫和福美双分子作为探针分子分析衬底的拉曼活性,结果表明,该衬底对上述探针分子具有较低的分子检测限。为应用该衬底应用于食品安全及农药检测提供增强光谱衬底支撑。

2 实验材料与方法

2.1 药品与仪器

硝酸银(AgNO3)、柠檬酸钠(Na3C6H5O7·2H2O,分析纯)、氯金酸(H[AuCl4]·4H2O)、结晶紫(CV,分析纯)均都购于国药控股化学试剂有限公司(中国北京);滤纸(Whatman #1)购于Whatman 公司(英国);聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA,6%)-苯甲醚溶液购于阿拉丁试剂;罗丹明6G(Rh6G,激光级)购于Exciton(美国);实验用水为超纯水,电阻率为18.2 MΩ·cm,所有试剂均未进行进一步提纯等操作。

紫外可见分光光度计(UV-5900PC,上海元析仪器有限公司)采集合金胶体的紫外可见吸收光谱。水接触角由光学接触角测量仪(KRUSS-DSA100,KRUS,德国)测量。样品形貌表征由扫描电子显微镜(SEM,Zeiss SIGMA,德国)在5 kv加速电压下完成。使用拉曼光谱仪(InVia,Renishaw,英国)完成Rh6G和CV探针分子的光谱采集,测试条件是激发光为532 nm、物镜为50×、积分时间为1 s、功率为0.25 mW;对福美双分子的拉曼光谱采集的激光功率为2.5 mW。

2.2 金银合金纳米胶体制备

柠檬酸盐还原法制备金银合金胶体[17]。首先配制氯金酸溶液(0.01 M)、硝酸银溶液(0.01 M)以及柠檬酸钠溶液(0.035 M)备用。随后将制备的氯金酸溶液以及硝酸银溶液按照以下配比Au1Ag0,Au3Ag1,Au1Ag1,Au1Ag3,Au0Ag1制备合金胶体。不同配比的氯金酸与硝酸银溶液按照计算得出的用量将其加入到100℃的去离子水中并持续加热,10 min后加入提前配制的柠檬酸钠溶液,持续搅拌加热15 min后取出放置,自然冷却到室温。离心机对制备完成的金银合金纳米颗粒溶液洗涤三次去除上清液,定量8 mL保存待用。

2.3 疏水SERS衬底制备

1.纸基疏水处理

对使用的纸基衬底进行疏水处理,主要步骤包括:1) 将购买的滤纸裁剪为1.5×1.5 cm2大小的正方形;2) 将裁剪好的正方形大小的滤纸完全浸没于PMMA-苯甲醚溶液中,静置2 h;3) 纸基衬底取出后在160℃的烘箱中烘干。制备得到的纸基衬底具有疏水特性。

2.疏水衬底制备

疏水SERS衬底的制备过程,如图2所示。首先是金银合金纳米颗粒胶体的合成以及纸基衬底的疏水处理过程。接下来使用移液枪将5 μL的合金胶体滴加在前序疏水处理后的滤纸上。为避免环境温度变化对胶体蒸发速率的影响,将滴定胶体的纸基放入温度恒定且接近室温的烘箱中进行烘干。干燥后的纳米颗粒在纸基上形成直径约3 mm的沉积区域。随后将探针分子组装到纳米颗粒沉积区域,并探测探针分子的拉曼光谱信号。

3 结果与讨论

3.1 纸基疏水性分析

通过PMMA-苯甲醚溶液对滤纸进行疏水化处理,并对其衬底的疏水性能进行测试。将2μL去离子水滴加在疏水处理后的纸基衬底上。测试结果如图3(a)所示,PMMA处理之后的纸基衬底水接触角为102°>90°,证明了通过本方法处理的滤纸疏水性能良好。同时,通过另一批疏水处理之后的滤纸进行检测,检测结果如图3(b)所示,水接触角为115°,证明本方法处理纸基具有疏水性保持稳定。

3.2 疏水衬底的LSPR特性对表面增强拉曼散射效应的影响

基于疏水衬底对纳米颗粒的富集能力以及合金双金属纳米颗粒的协同作用,通过调控合金纳米颗粒的SPR峰值位置,实现对衬底表面等离激元特性的有效调控。因此,研究了纸基衬底自组装分布的金银颗粒合金比变化对探针分子的拉曼信号增强规律。实验上分别将不同比例的金银合金纳米胶体滴定沉积在疏水纸基表面,图4(a)-(e)分别为Au1Ag0、Au3Ag1、Au1Ag1、Au1Ag3以及Au0Ag1五种比例金银合金纳米颗粒沉积在纸基衬底上的SEM表征图。根据图4可知,自组装分布的纳米颗粒分布致密且均匀。图4(f)为不同比例合金纳米颗粒沉积的光学图像,可以看到衬底上沉积纳米颗粒的范围约为3 mm,且沉积区域的边缘没有形成“咖啡环”分布。

为进一步分析衬底LSPR变化规律,实验上将探针分子Rh6G(浓度为10-6M)溶液滴定在不同比例合金(Au1Ag0、Au3Ag1、Au1Ag1、Au1Ag3以及Au0Ag1)颗粒制备的三维疏水纸基衬底,并进行拉曼光谱表征,如图5(a)所示。可以看出,随着合金颗粒中的银元素比例增加,拉曼光谱峰值强度呈现增强趋势。这里,选用612 cm-1位置处拉曼峰作为特征峰,来分析衬底的拉曼活性。根据图5(d)可知,组装有银纳米颗粒的三维疏水等离激元衬底的拉曼活性最强。

考虑到组装有Au0Ag1NPs的疏水衬底在空气环境中长时间暴露易被氧化,会影响衬底的拉曼活性。为进一步提高衬底稳定性,对拉曼增强效果仅次于Au0Ag1NPs吸附衬底的Au1Ag3NPs以及Au0Ag1NPs的三维疏水衬底的稳定性进行测试,如图5(c)所示。在图5(d)中,对比位于612 cm-1处的特征峰强度,对这两种吸附不同比例的金银合金纳米颗粒衬底进行分析。实验结果表明,吸附有Au1Ag3NPs的疏水纸基衬底其特征峰值强度减弱量小于10%,而吸附有Au1Ag3NPs的疏水衬底其特征峰强度降低接近33%。为此,选择Au1Ag3NPs组装在疏水纸基衬底表面,并对所制备的三维疏水衬底拉曼增强特性进行优化。

3.3 颗粒密度改变对表面增强拉曼散射效应的影响

疏水处理的滤纸对滴定其表面的液滴具有特有的浓缩特性,能够使纳米颗粒聚集于小区域范围内。为了探究在衬底上沉积纳米颗粒的最佳密度分布条件,实验上采用叠加循环次数法进行沉积测试。图6(a)-(h)分别为金银比例Au1Ag3的合金纳米颗粒在疏水衬底上经过1～8次的循环滴加组装得到的衬底SEM表征图。从图中观察到,随着沉积循环次数的不断增加,纳米颗粒的沉积厚度表现出明显的增长趋势。

基于衬底的SEM图的表征结果及对探针分子拉曼信号增强能力,探究不同沉积循环次数与衬底的拉曼活性之间的关系。实验上采用Rh6G(10-6M)作为探针分子,图7(a)为不同循环沉积次数制备的衬底增强Rh6G拉曼光谱图。由图可知,随着沉积循环次数叠加,探针分子的拉曼光谱强度呈现先增加后减少再稳定的趋势,其中光谱最佳增强极值是在沉积循环次数为4的条件下获得。由于衬底的耐湿性使得纳米颗粒能够充分组装于纸基的三维结构中,为光场激发下形成大量电磁“热点”提供前提,图7(b)通过612 cm-1特征峰值的强度展示也证明了所得结论。而衬底拉曼活性的减弱可能是因为疏水处理后的衬底表面存在一层由PMMA干燥后形成的膜,使得纳米粒子被限制在了纸基衬底的表面,阻碍了颗粒向下沉积组装,纸基衬底的多孔结构优势被耗尽,且纳米颗粒的组装厚度随着循环次数的增加不断加厚,探针分子渗透受阻,未能有效发挥衬底电磁“热点”的效率。

根据上述实验结果,实验上选择以沉积循环次数为4次作为三维疏水等离激元衬底制备条件。通过增强因子(EF)表征衬底的增强性能,EF计算如下式(1)所示[18]:

(1)

其中,ISERS和CSERS分别为衬底增强后检测到Rh6G探针分子的拉曼光谱特征峰(612 cm-1)的强度,此时Rh6G的浓度为10-9M,INR和CNR是未沉积等离激元结构的疏水纸基上Rh6G探针分子拉曼光谱特征峰(612 cm-1)的强度,此时,Rh6G的浓度为10-3M,得到EF的计算结果为2.2×105。结果表明,制备的衬底能够检测到低浓度Rh6G探针分子,表明衬底在痕量检测领域中的应用潜力。

通过有限元法对制备的三维疏水衬底进行模拟仿真,建立多个随机分布多层的金银合金纳米颗粒球体模型,激发波长为532 nm,所得衬底的局域电磁场模拟仿真图如图8所示。可以看出,高密度的颗粒分布使得纳米颗粒之间存在大量表面等离激元“热点”,从而有效增强靶向分子的拉曼光谱信号。

为了对衬底的SERS性能进行检测,首先对其进行灵敏度检测。选择Rh6G和CV为探针分子,其中图9(a)为沉积在衬底上不同浓度Rh6G分子的拉曼光谱测量结果,拉曼特征峰值为612 cm-1、774 cm-1、1128 cm-1、1182 cm-1、1313 cm-1、1508cm-1、1573 cm-1、1648 cm-1,此衬底对探针分子的检测极限可达到10-10M。为了清晰表明在低浓度情况下的检测情况,以612 cm-1特征峰强度为例,进行直观分析。图9(c)为不同浓度的CV在衬底上的拉曼光谱检测结果,CV的特征峰表现为724 cm-1、803 cm-1、913 cm-1、1175 cm-1、1385 cm-1、1585 cm-1、1619 cm-1,疏水衬底对CV的检测极限可达到10-8M,通过位于1619 cm-1处的拉曼峰值强度直观描述衬底对CV的检测极限,如图9(d)所示。

接下来,我们对所制备衬底的均匀性、可重复性以及稳定性进行了分析,如图10所示。其中图10(a)为在衬底表面随机选取10个采样点采集的光谱结果。为了对此结果进行量化说明,图10(b)是选用特征峰612 cm-1处的拉曼峰值强度分布图,特征峰值处拉曼光谱强度的相对标准差(RSD)为11.74%,说明衬底具有良好的均匀性。图10(c)为衬底的可重复性分布图。实验上遵循相同工艺流程制备得到不同批次衬底,并进行光谱表征,结果表明,所衬底重复性强。图10(d)为衬底稳定性测试结果(两次测试间隔为8天)。线1(间隔8天衬底)在612 cm-1处的光谱强度降低量小于10%,间隔8天之后检测的拉曼光谱强度基本稳定,表明衬底具有良好的时间稳定性。

图1 五种比例金银合金纳米颗粒紫外可见吸收光谱

图2 疏水SERS衬底制备流程图

图3 (a)(b)分别为PMMA处理之后不同批次纸基的水接触角测量图像;插图为疏水衬底与去离子水接触光学图像

图4 (a)-(e)分别为不同比例合金沉积在疏水衬底上的SEM表征图;(f)为不同比例合金沉积在衬底上的光学图像

图5 (a)不同比例合金衬底的拉曼光谱图;(b)不同比例合金衬底在612 cm-1特征峰处的拉曼光谱强度柱状图;(c)线1和线2、线3和线4分别为Au1Ag3 NPs、Au0Ag1 NPs沉积1次衬底的Rh6G的拉曼光谱;(d)分别为线1、2、3、4在612 cm-1特征峰处的拉曼光谱强度柱状图

图6 (a)-(h)为1-8次沉积次数得到的衬底的SEM表征图;(i)1-8次沉积得到衬底的光学图像

图7 (a)1-8次沉积循环得到衬底对Rh6G检测的拉曼光谱图;(b)1-8次沉积循环得到衬底在612 cm-1特征峰处的拉曼光谱强度柱状图

图8 (a)四次沉积循环的三维疏水纸基衬底SEM表征图;(b)三维疏水结构的金属纳米颗粒分布的局域电场分布模拟

图9 (a)沉积Au1Ag3 NPs的疏水纸基衬底检测不同浓度Rh6G的拉曼信号;(b)沉积Au1Ag3 NPs的疏水纸基衬底中不同浓度Rh6G探针分子在612 cm-1特征峰值处的强度图;(c)不同浓度条件下CV的拉曼光谱;(d)不同浓度CV的拉曼光谱特征峰强度(1619 cm-1)

图10 (a)衬底均匀性(随机10个采样点,Rh6G 10-6 M);(b)随机10个采样点在特征峰值处的强度图(612 cm-1);(c)衬底可重复性(Rh6G 10-6 M);(d)衬底稳定性,其中线1为间隔8天后衬底上探针分子的拉曼光谱

福美双作为日常生活中最常用的杀虫剂广泛用于治疗果蔬疾病,例如预防和治疗苹果树腐病。但其会刺激人体皮肤和黏膜中毒,抑制人体白细胞的生成。如何实现对低浓度福美双分子残留量进行检测,将为食品安全检测检测提供有效保障。为此,我们进一步分析了所制备衬底对福美双分子的拉曼光谱增强特性。图11为衬底增强不同浓度福美双分子的拉曼光谱图,可以清晰的观察到分子的特征峰561 cm-1、1145 cm-1、1386 cm-1、1514 cm-1,证明了所制备衬底能够浓度范围为10-4M-10-7M福美双分子,远低于国家标准的5 ppm的检测标准。

图11 (a)不同浓度条件下的福美双分子的拉曼光谱;(b)不同浓度福美双分子的拉曼光谱特征峰强度(1386 cm-1)

4 结论

本文设计制备了一种高密度沉积纳米颗粒的三维疏水SERS衬底。实验上首先对纸基疏水化处理实现纳米颗粒的大量富集组装。通过调整衬底的LSPR特性提高衬底对探针分子拉曼信号增强的能力。通过叠加沉积循环次数,探索具有最佳增强效率的沉积条件。由于疏水衬底的富集特性,能够实现对探针分子的高灵敏度检测,对Rh6G的检测极限可达到10-10M、CV的检测极限可达到10-8M。此外,衬底能够实现对浓度10-7M福美双分子有效检测,表明在农药检测领域具有潜在的应用价值。