高灵敏光纤SERS基底的性能研究

杜伟,魏圣男,李月,王明利

(燕山大学理学院,河北 秦皇岛 066004)

1 引言

表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman Scattering,SERS)它可以选择性的检测沉积在基底上的分子,是一种用途广泛的分析检测技术[1]。SERS作为一种高灵敏、能够准确识别分子信息的指纹光谱,因此被广泛应用于农业[3]、食品安全[4]、生物医疗[5]、环境监测等各个领域中。目前,SERS主要分为电磁增强(Electromagnetic Enhancement Mechanisms,EM)和化学增强(Chemical Enhancement Mechanisms,CM)两中增强机制。EM以表面等离子体共振(Local Surface Plasma Resonance,LSPR)为主,CM主要是电荷转移来增强拉曼信号。理论和实验表明,电磁增强在增强拉曼信号上发挥着重要作用。LSPR效应可以发生在贵金属纳米颗粒、尖锐的金属尖端或者粗糙的金属表面,可以有效增大金属表面的入射电场强度。金、银、铜等是SERS基底最常用的金属材料,因为它们在可见光和近红外波长区域具有丰富的LSPR,这样可以产生更多的“热点[5]”在可见光到红外光的范围内,银纳米结构在所有金属材料中表现出最大的增强效果,所以,选择银纳米颗粒作为本实验的金属材料。

近年来,光纤作为一种光信号传输工具,由于其优异的物理化学性能,得到了广泛的研究。光纤拉曼光谱技术的发展不仅为SERS基底的研究提供了新的研究思路,也为SERS的检测提供了一种新的方法。光纤波导效应和SERS技术的结合为拉曼光谱的在线、原位、体内甚至远程检测提供了一个新的平台[6]。通常用于制备光纤SERS基底的光纤是标准的多模二氧化硅光纤,该光纤具有良好的柔性和光传输效率。用于制造光纤SERS基底有各种方法包括贵金属蒸发、磁控溅射、贵金属纳米颗粒的激光诱导沉积、金属胶体的自组装[6]。自1911年Mullen和Carron将光纤与SERS基底结合制备了第一根光纤SERS探针,但其采用的仍然是前向探测的结构[7]。2000 年,Stokes 和 Vo-Dinh 实现了单根光纤 SERS探针激发样品和收集信号的系统结构[8],其它的激发光路和收集光路均采用空间光元器件构建。为了增大探针的传感区域,研究重点逐渐转向利用光纤侧表面制备光纤 SERS 探针。目前已有的用于制备 SERS 探针的光纤侧表面有“D”型光纤的表面、直型光纤的柱面、连续锥型光纤的锥面和双锥组合型光纤的表面[9]等。这些特殊的光纤侧表面主要通过研磨法、抛磨法、熔融拉锥法或化学腐蚀法制备。

本文采用柠檬酸钠还原硝酸银的方法制备了银纳米颗粒,然后通过油水分离的方法将银纳米颗粒修饰到光纤端面上。我们使用3D-FDTD模拟了“热点”的可能位置,并通过SEM表征了银纳米颗粒的分布,选择结晶紫(CV)作为探针分子,检测了光纤SERS基底的均匀性和时间依赖性。最后,我们进一步对罗丹明6G(R6G)和4-氨基苯硫酚(4-ATP)的检测。

2 实验材料与方法

2.1 实验材料与实验设备

实验材料:结晶紫(CV),分析纯,百灵威科技有限公司;罗丹明6G(R6G),分析纯,百灵威科技有限公司;4-氨基苯硫酚(4-ATP),分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;柠檬酸钠(C6H5Na3O7· 2H2O),99.99%,上海阿拉丁生化科技股份有限公司;无水乙醇(C2H6O),北京化工厂;正己烷,天津达茂化学试剂厂。去离子水,实验室自制;多模二氧化硅光纤(芯径105 μm,包层125 μm),燕山大学实验室。

实验设备:扫描电子显微镜(SEM,Hitachi S-4800ii,日本日立公司)主要对光纤及制备的银纳米颗粒进行形貌和大小的表征;透射电子显微镜(TEM,Talos F200X,美国FEI公司)主要表征银纳米颗粒的微观结构。共焦拉曼光谱仪(InVia,英国雷尼绍公司)测试光纤SERS基底的SERS相关性能。光纤切割刀和不锈钢米勒钳购于淘宝,主要对光纤进行预处理。

2.2 实验过程与方法

银纳米颗粒的制备:采用经典的柠檬酸钠还原硝酸银制备银纳米颗粒的实验方法[10]。量取97 ml的去离子水放入三颈烧瓶中然后把三颈烧瓶放入水浴锅中,放置磁砖子加热并搅拌。称取18 mg硝酸银固体和17.6 mg的柠檬酸钠分别溶解在1 ml去离子水中和2 ml的去离子水中,遮光保存。当水浴锅中水沸腾时,缓慢加入配制好的硝酸银和柠檬酸钠,在沸腾状态下冷凝回流60分钟,然后停止加热搅拌,待其冷却至室温得到黄绿色的银胶体。

光纤SERS基底的制备:图1显示了SERS光纤基底的制备过程,主要分为三个过程。1. 光纤预处理:先用米勒钳和光纤剥线钳剥去光纤皮层和包层,然后用光纤切割刀切割光纤端面,得到光滑平整的光纤端面。用去离子水和无水乙醇反复清洗光纤端面以去除光纤端面的杂质,在室温下待其干燥。2. 在光纤端面上修饰银颗粒:将制备好的黄绿色银胶体离心,取上清。最后,将银溶胶倒入盛放正己烷的培养皿当中,沿培养皿边缘滴入无水乙醇,培养皿中形成一层银纳米颗粒薄膜,最后在光纤端面上提拉银纳米颗粒。3.分析物的检测:将制备好的光纤SERS基底浸泡在分析物中10分钟,取出待其干燥后检测SERS信号。

图1 光纤SERS基底的制备流程图

SERS信号的测量:所有SERS信号由共焦拉曼光谱仪(In Via)采集,用532 nm激光激发。激光功率为0.05 mW,信号采集时间为10 s,光束直径约为1 um,物镜放大倍数为50倍,数字孔径为0.42。将CV分析物用去离子水稀释至10-2M～10-8M等浓度,实验中选择浓度为10-5M的CV进行SERS基底的性能检测。

3 结果与讨论

3.1 光纤SERS基底的表征

图2显示了扫描电子显微镜下光纤SERS基底的分析图像。图2(a)为裸光纤的SEM图。可以看到平整的光纤端面,图2(b)是通过油水分离的实验方法修饰了银纳米颗粒后的光纤端面SEM图。从(a)和(b)中可以看出,银纳米颗粒在光纤端面上成功修饰。图2(c)为光纤SERS基底端面的放大高倍SEM图。从图中可以看出,银纳米颗粒呈球状,用粒径分析软件计算了银纳米颗粒的粒径分布,粒径大致分布在10-100 nm之间,平均粒径为56.9 nm,如图2(c)中的插图所示。并且球状颗粒在端面上单层分布在光纤端面上。图2(d)为银纳米颗粒的TEM图像,显示了银纳米颗粒的晶面,晶面间距为0.22 nm对应银纳米颗粒的(1 1 1)面。

图2 (a)裸光纤端面的SEM图像;(b)通过油水分离法修饰银纳米颗粒后的光纤端面的SEM图像;(c)关于图(b)的放大图,插图为光纤端面上银纳米颗粒的粒径分布图;(d)银纳米颗粒的TEM图

3.2 理论与电场仿真

利用3D-FDTD模拟光纤SERS基底的电磁场分布,图3(a)为模拟时设置的模型,模拟过程中所需的相应理论参数均根据SEM图像所建立。模型中未建立相关的分析物。SEM图像显示,设置银纳米颗粒的粒径为50 nm,激光强度为532 nm,人为设置激光方向为电场入射方向(E),图3(b)显示了将X-Y和X-Z平面作为电磁模拟计算界面。图3(c)为两个平面计算出来的结果,图3(d)和图3(e)为X-Y和X-Z界面分别计算出的电场强度分布,电场强度最大可达48.7 V/m。

图3 (a)光纤SERS基底的3D-FDTD模拟模型;(b) X-Y和X-Z两个计算平面;(c)两个平面的磁场强度的空间分布;(d) X-Y平面中电场强度的空间分布;(e) X-Z平面中电场强度的空间分布

从图中可以看出,银纳米颗粒之间存在很强的电磁场。强电场的激发为光纤SERS基底提供了更多的“热点”,这也进一步证实了SERS与电场之间的关系[11](1)

GSERS≈[Eloc/Einc(Wexc)]4

(1)

3.3 光纤SERS基底的均匀性研究

由于光纤端面银粒子的修饰,使光纤SERS基底具有良好的均匀性[12]。为了检测光纤SERS基底的均匀性,实验中选择浓度为10-5的CV作为分析物,将光纤的SERS衬底在分析物中浸泡10分钟进行SERS信号检测。图4(a)为10-5M CV溶液的紫外可见吸收光谱。图4(b)为CV的拉曼特征光谱,我们可以观察到CV分子的拉曼特征峰出现在915、1176、1373、1536、1587和1619 cm-1处。其中,915、1587和1619 cm-1处是由C-C环拉伸振动引起的,1176 cm-1由C-H环平面内弯曲振动引起,1373 cm-1由C-C拉伸振动所引起,1536 cm-1是由C-N拉伸引起的[13]。图4(c)是在SERS基底上随机选择20个点检测的拉曼光谱。结果表明,CV在光纤SERS基底上的SERS增强性能具有良好的均匀性。图4(d)是SERS基底上4×5 μm2在1619 cm-1处的拉曼映射图。颜色的梯度表示光纤SERS基底的强度变化。从图中可以看出,SERS强度范围为31133-59263 a.u。通过色序的变化可以看出光纤SERS基底具有良好的均匀性。另外,对1619 cm-1处特征峰的SERS强度进行分析并计算了其RSD,如图4(e)所示,RSD的计算由式(2)得到[14]:

图4 (a)CV溶液的紫外可见吸收光谱 (b)浓度为10-5 M的CV溶液的SERS光谱,插图为CV的紫外可见光光谱;(c)随机选取20个位置,检测浓度为10-5 M的CV的SERS光谱;(d)光纤衬底上1619 cm-1处CV特征峰的映射图(5×5 μm2,1 μm步长);(e)拉曼峰为1619 cm-1处的RSD

(2)

3.4 光纤SERS基底的性能研究

我们通过计算光纤SERS基底的增强因子来说明基底的增强能力。图5 (a)显示了浓度为10-5M的CV溶液在光纤SERS基底上的SERS光谱和浓度为10-2M的CV溶液在空白光纤上的拉曼光谱。我们通过以下增强因子关系式(3)计算了光纤端面银粒子的拉曼增强因子[15]:

图5 (a)浓度为10-5 M的CV溶液在光纤SERS基底上的SERS光谱和浓度为10-2 M的CV溶液在无活性空白光纤上的拉曼光谱;(b)673、1176和1619 cm-1处的SERS强度和空白光纤的拉曼强度的对比图;(c)光纤SERS基底上10-5 M～10-8 M的SERS光谱图

(3)

在我们的计算中,其中的CSERS为光纤SERS基底上CV的浓度即10-5M。CRaman为空白光纤上CV的浓度即10-2M;ISERS为1619 cm-1(CSERS条件下)对应的SERS强度。IRaman为1619 cm-1(CRaman条件下)的拉曼强度。图5(b)为673、1176和1619 cm-1处光纤SERS基底的SERS强度和空白光纤的拉曼强度的柱状对比图,计算1619 cm-1处的增强因子为6.67×104。

图5(c)为记录了光纤SERS基底上不同CV浓度(10-5M～10-8M)的SERS光谱图。从图中可以看出,随着浓度的降低SERS信号强度也随之降低。但是当浓度低至10-8M时,CV分子的拉曼特征峰也清晰可见。该结果表明制备的基底具有良好的灵敏度。

图6(a)为分别放置16天内CV的SERS光谱,测试了基底的时间依赖性,从图中可以看出,随着基底在空气中存放时间的增加,SERS强度有所下降。当基材在空气中储存时间为8天时,SERS强度下降了31.7%,当放置了16天时,与放置8天的相差不大,下降了2.5%如图6(b)所示。实验结果表明,SERS基底在空气中放置16天后,仍具有良好的增强效果,结果说明该基底在空气中可以保存一段时间。SERS强度降低可能是由于银纳米颗粒在空气中被氧化,从而影响了衬底的稳定性。

图6 (a)基底放置0、8、16天时的SERS图;(b)特征峰为1619 cm-1处的SERS强度变化图

3.5 利用光纤SERS基底检测R6G和4-ATP

R6G是一种酚类化合物,是重要的有机化工原料和中间体,在农业、香料、橡胶等领域有着广泛的应用,对人体和其他生物危害极大[16]。农药残留问题一直受到人们的关注,4-ATP是一种含苯基噻吩的芳香酸,常用于药物、染料物质、农药等化学品的中间体的合成和制备[17]。图7 (a)分别为R6G和4-ATP的紫外可见吸收光谱;图7 (b)为光纤SERS基底检测浓度为10-5M的R6G溶液的SERS光谱。R6G的特征峰均可检测出来。根据相关研究发现,在高功率激光以相对正电位照射下,4-ATP溶液可在金属银表面生成4,4′-二巯基偶氮苯,如图7 (c)所示;同时,由此形成的4,4′-二巯基偶氮苯在负电位作用下也可还原为4-ATP[18],如图7 (e)所示。7 (f)为光纤SERS基底对浓度为10-5M的 4-ATP的SERS图,并与图7 (d)中在玻璃片上浓度为10-2M的拉曼光谱进行对比。在检测基底的SERS光谱中,新的拉曼峰位于1143、1391和1437 cm-1。这些额外的明显特征峰归因于4,4′-二巯基偶氮苯的生成。

图7 (a) R6G(10-5 M)和4-ATP(10-5 M)的紫外-可见吸收光谱;(b)R6G浓度为10-5 M的SERS光谱。(c)4-ATP在极负电势下的分子结构式;(d)玻璃板上浓度为10-2 M的4-ATP的拉曼光谱;(e) 4-ATP在正电位作用下生成4,4′-二巯基偶氮苯;(f) 10-5 M浓度的4-ATP吸附在光纤SERS基底上的SERS光谱

4 结论

本文采用一种简单有效的油水分离法在光纤端面上修饰了银纳米颗粒,制备了一种良好均匀性和稳定性的低成本SERS基底,在1619 cm-1处的RSD值为17.9%,放置了16天的SERS基底,其SERS强度降低了34.2%。通过在光纤端面上修饰银颗粒,CV溶液的拉曼强度得到了显著增强,增强因子为6.67×104。另外该基底具有很好的灵敏度,对于CV溶液的检测限达10-8M。此外,该光纤基质具有灵敏检测有毒染料R6G和4-ATP的能力。综上所述,该实验方法可以简单、方便的实现制备光纤SERS基底,并实现对分析物的快速检测,为光纤SERS基底的研究提供了可行方法。