高温退火优化h-BN/Ag/Ag2O 异质结构型及表面增强拉曼散射性能研究*

郑林启 时术华 李金泽 王子宇 李爽

(山东建筑大学理学院,济南 250101)

由等离激元金属和半导体结合形成的金属/半导体异质结构型有利于光诱导电荷转移(PICT)效率的提高,在表面增强拉曼散射(SERS)研究中具有明显优势.本文通过对所制备的杂化底物进行热退火处理进一步提高了其SERS 活性.首先,在二维六方氮化硼(h-BN)纳米片表面成功负载生长了高密度和单分散的Ag/Ag2O纳米颗粒.在此基础上,通过进一步高温退火处理所得复合体系,构建出高效的电荷转移通道,从而大幅度提高了PICT 效率,使化学增强得到显著提高.实验结果表明,相比于退火前,经320 ℃高温退火处理所得到的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料作为基底,可以使结晶紫分子的SERS 信号强度显著增强18 倍,增强因子高达1.63145 × 107.最后,基于h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料优异的SERS 性能,实现了对食品添加剂专利蓝V 的超灵敏SERS 检测,其检测极限低至10–12 M.本文构建的h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料兼具物理增强和化学增强,在食品添加剂的痕量分析中具有显著优势.

1 引言

合成染料作为常用的食品添加剂,在饮料、糖果和乳制品等食品的加工过程中被广泛使用,其过量使用可能诱发细胞变异、儿童多动症、遗传疾病甚至癌症[1–9],对人类健康造成了极大的威胁[4].专利蓝V (PBV)作为一种广泛应用于食品和化妆品等行业[10]的合成染料,其结构中存在的钙和钠两种离子[11],可能引起部分人头痛、哮喘和过敏反应,对人类的健康具有严重影响.因此,如何高效实现PBV 的灵敏探测具有重要意义.迄今为止,研究人员已经提出了多种方法来定量分析食品和化妆品中的PBV,例如气相色谱法、液相色谱法、毛细管电泳、紫外-可见光谱法、伏安法和质谱法[2,10,12–15].但是,上述这些检测方法不仅耗费大量的时间对样品进行预处理,还需要用到昂贵的设备,而且检测的灵敏度不高,非常不适合在实际环境中对超低浓度PBV 进行即时探测.因此,迫切需要探索一种快速、廉价、稳定、超灵敏和精确的探测方法,准确测定实际环境中存在的痕量PBV.

表面增强拉曼散射(SERS)光谱是一种高灵敏的分子识别分析技术,能够通过分析物的振动反映丰富的分子指纹信息,已被广泛应用于合成染料的检测领域[16–18].目前,两种被广泛接受的SERS效应增强机制分别为电磁增强 (EM)和化学增强(CM)[19,20].首先,EM 源于等离激元金属纳米材料的局域表面等离子体共振(LSPR),即在入射光照射下,分子的拉曼信号可以通过等离子体纳米粒子周围的局部电磁场(称为热点)获得显著增强,增强因子(EF)约为106—1010[19,21–23].其次,CM 源于带隙半导体载体和吸附分子之间的有效电荷转移(CT)[24–26],增加了分子极化率(CE),EF 约为10—103[19,21,27].为了获得高效的SERS 活性基底,研究人员一直致力于在等离激元金属纳米材料上产生丰富的热点(EM)或通过半导体的表面改性提高分子的极化率.

为了提高SERS 灵敏度,研究人员将等离激元金属与半导体纳米材料相结合,形成等离激元金属/半导体异质结构型,不仅具有等离激元金属产生的EM,还具有半导体引起的CM[28],能够极大地提高SERS 活性,与纯金属或半导体相比具有显著优势[29].例如,Yu 等[30]设计了CuO/TiO2p-n 异质结作为SERS 衬底,用于放大4-巯基苯甲酸(4-MBA)分子的拉曼信号,由于内部电场和异质结界面提供的强界面耦合提高了电荷收集能力并提高了PICT,最终实现了对于4-巯基苯甲酸(4-MBA)分子的超灵敏检测,增强因子为 8.87×106.Xue 等[31]制作了一种新型的TNAs/g-C3N4/AuNPs 异质结,以CV 作为探针分子,EF 达到7.43×106.Ji 等[32]合成了层次化的Ag/Cu2O/ITO 复合材料作为自清洁SERS 底物,利用高效的界面CT 实现了对RhB 分子的超灵敏SERS 检测.因此,等离激元金属/半导体异质结构型在SERS 检测方面有十分重要的意义.而在二维材料上负载贵金属(金、银或铜)纳米材料,既可以同时利用EM 和CM 优势,又可以有效地避免贵金属纳米材料聚集[33,34],实现SERS活性的显著提高.常规的二维材料(例如: 石墨烯、TMD 等)经高温条件处理时,其自身结构在一定程度上会遭到破坏,从而失去对等离激元金属材料的支撑作用.所以急需一种具有化学惰性的二维材料作为基板来制作稳定的SERS 基底.h-BN 是一种化学性质极其稳定的二维材料,具有出色的机械性能和柔韧性、优异的疏水性、高导热性和吸附能力[35–41].特别是h-BN 具有极强的耐高温性能,在温度高达800 ℃的环境中仍能保持自身结构稳定[42],这为复合材料的高温改性提供了可能.而且,h-BN的孔径结构可以阻止贵金属纳米材料在高温处理过程中出现位移,避免贵金属纳米颗粒聚集导致的SERS 活性降低[43].此外,h-BN 作为一种宽带隙半导体[44–46],它的存在可以实现光生电子-空穴对的有效分离,提高SERS 基底的光诱导电荷转移(PICT)效率[47],从而实现高效的化学增强,这使得等离激元金属/h-BN 异质结构型在SERS 探测领域具有极大的潜力.

基于h-BN 的热稳定性,采用高温退火这一有效策略进一步优化了所制备的h-BN/Ag/Ag2O 纳米复合材料的SERS 性能.实验表明,320 ℃高温退火处理可以显著提高h-BN/Ag/Ag2O 复合材料的SERS 活性,使得结晶紫(CV)分子的拉曼信号强度比未退火样品提高约18 倍,增强因子高达1.63145×107.基于h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料优异的SERS 性能,将其应用于食品添加剂PBV 的超灵敏检测,探测极限低至10–12M,远低于欧盟食品科学委员会(SCF)规定的每日允许的最大摄入量(15 mg/公斤体重/天)[11].并且在较宽浓度范围内,PBV 分子的SERS 信号峰值与浓度的负对数之间呈现出良好的线性关系.尤为重要的是,经320 ℃退火处理所得的h-BN/Ag/Ag2O复合材料还具有优异的均匀性和出色的抗干扰能力,可以实现实际场景中(如酸奶、气泡水和彩色蛋糕的提取液) PBV 的超灵敏SERS 检测.本工作的研究结果为实际环境中合成染料分子的精确识别和痕量分析提供了一个新思路,在食品监管应用中具有较高的适用性.

2 实验部分

2.1 化学药品及试剂

实验所用h-BN (99.8% ＜ 100 nm)购自上海阿拉丁科技生化有限公司;硝酸银(AgNO3,分析纯)购自上海麦克林生化科技有限公司;无水乙醇(99.7%)购自天津富宇有限公司;聚乙烯吡咯烷酮(PVP,Mw=55000),结晶紫(CV,分析纯)、罗丹明(R6G,分析纯)、专利蓝V (PBV,分析纯)均购自美国 Sigma-Aldrich 试剂集团.实验中用水均为去离子水,所有试剂均未进一步提纯.

2.2 h-BN/Ag/Ag2O 纳米复合材料的制备

将0.1 g 的h-BN 粉末溶解于30 mL 去离子水中,通过超声形成均匀的胶体溶液.取1 mL 均匀的h-BN 溶液置于烧杯中,加入1 mL 无水乙醇和1 mL 浓度为0.1 M 的AgNO3溶液,然后加入0.001 g PVP,超声5 min 使溶液均匀混合.h-BN/Ag/Ag2O纳米复合材料可以通过405 nm 连续激光液相辐照工艺获得,将混合溶液放置在磁力搅拌器上,转速设置为200 r/min,利用405 nm 连续激光辐照120 min,激光能量约为750 mW,光斑平均直径约为2 cm.激光辐照后对溶液以6000 r/min 的速度离心10 min,并用去离子水清洗两次,即可得到h-BN/Ag/Ag2O 纳米复合材料.将上述所制备的复合材料在室温下自然干燥,然后用KSL-1100X-S型高温炉(合肥科晶材料技术有限公司,中国)按不同温度分批次对材料退火1 h,即得到h-BN/Ag/Ag2O 退火复合材料.

2.3 材料表征

实验中利用紫外-可见-近红外吸收光谱(UV-1800,Shimadzu)对材料的吸收谱进行采集,使用高分辨透射电子显微镜(HRTEM,model JEM-2100F)测得微观形貌及晶格特征.利用X 射线衍射仪 (XRD,Smartlab 3 kW) 获得晶格结构,并采用X 射线光电子能谱仪(XPS,ESCALAB 250 XI)进行元素分析.使用能量色散X 射线光谱(EDS)对所制备的复合材料的化学组成进行表征,使用激发波长为300 nm 的高效集成荧光光谱仪(FluoroMax-300)测量光致发光(PL)光谱,所有光电化学测量均在CHI 760E 电化学工作站(上海晨华仪器有限公司,中国)上使用标准的三电极系统进行,SERS 测量是在室温下使用激光激发波长为532 nm 的共聚焦拉曼光谱仪(Renishaw Raman spectroscopy)进行的,激光功率设置为1 mW,曝光时间为1 s.

3 结果与讨论

首先对h-BN,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的微观结构进行了系统表征.原始h-BN 纳米片的TEM 图像(图1(a))显示,原始h-BN 主要为尺寸数百纳米的椭圆薄片状,原始h-BN 的溶液为白色.利用405 nm 连续激光辐照的方法,在h-BN 纳米片上负载生长Ag/Ag2O 纳米颗粒,形成的h-BN/Ag/Ag2O 纳米复合结构的形貌如图1(b)所示.从图1(b)可以看出,激光辐照120 min 后,在h-BN 纳米片上负载生长了大量具有良好分散性、边界清晰的Ag/Ag2O 纳米颗粒,h-BN/Ag/Ag2O 纳米复合材料溶液的颜色变为棕色.基于TEM 图像,进一步对Ag/Ag2O纳米颗粒的尺寸分布进行统计,结果如图1(d)所示,Ag/Ag2O 纳米颗粒的平均直径约为53.8 nm.退火后的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料的TEM 图像如图1(c)所示,与未退火的材料相比,h-BN 上负载的Ag/Ag2O 纳米颗粒总体尺寸显著增加,这也可以通过图1(e)的粒径分布结果进一步得到证实,h-BN 上负载的Ag/Ag2O 纳米颗粒的平均直径由退火前53.8 nm 增加至89.5 nm,表明在退火过程中Ag/Ag2O 纳米颗粒的微观形貌发生了改变.

通过高角度环形暗场扫描TEM (HAADFSTEM)和能量色散X 射线(EDX)光谱进一步研究了h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料中的元素成分和具体分布.如图2(a)所示,从h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的HAADF-STEM 图像中可以明显看到明亮的Ag/Ag2O 纳米颗粒负载在较暗的h-BN 纳米片上.图2(b)—(f)给出了h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的元素分布.实验结果表明所合成的纳米材料是由均匀分布的B 和N 元素以及孤立的Ag 和O 元素组成,证实了h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料中均匀分散的Ag/Ag2O 纳米颗粒的形成.

图2 (a) HAADF-STEM 图像;(b)—(e) h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料中Ag,O,B 和N 元素的分布图;(f) 混合后的元素映射图Fig.2.(a) HAADF-STEM image;(b)–(e) distribution of Ag,O,B and N elements in h-BN/Ag/Ag2O annealed composite at 320 ℃;(f) mixed element map.

HRTEM 图像进一步证实了高温退火会使异质结构型的组分发生改变,图像展示了Ag2O 纳米立方体和析出的Ag 纳米晶粒交叉区域的微观结构.图3(a)上方绿色方框标注的区域为Ag2O纳米立方体,黑线标记的晶格条纹间距测量值为0.235 nm,对应Ag2O 面心立方的(200)晶面.图像中央蓝色虚线标注的区域为Ag2O 立方体的边缘析出的具有良好结晶性的Ag 纳米颗粒,测得红线标记的晶格条纹间距为0.205 nm,与Ag 面心立方的(200)晶面结构一致,证实了高温退火会使部分Ag2O 转变为Ag 单质[48],并且会有Ag 颗粒析出.图3(b)为h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的选区电子衍射(SAED)图谱.发现,大多数较亮的衍射斑点分布在不同半径的同心圆上,这些同心圆对应材料各组分的不同晶面,证实了h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的多晶特性.为了进一步证明退火过程材料中Ag 和Ag2O 含量的变化,对退火前后的材料进行了EDS 分析,结果如图3(c)所示,未退火材料中Ag 的含量为3.4%,O 的含量为1.6%,而退火后材料中Ag 的含量增加到5.3%,O 的含量减少到0.4%.证实了退火可以使Ag/Ag2O纳米材料中单质Ag 颗粒析出.

图3 h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火后的 HRTEM 图像(a)和SAED 图像(b);退火前 (c) 和退火后 (d) 的EDS 图Fig.3.HRTEM image (a) and SAED image (b) of h-BN/Ag/Ag2O after annealed in 320 ℃;EDS image before (c) and after (d) annealed of h-BN/Ag/Ag2O.

通过X 射线衍射(XRD)对原始h-BN,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料进行晶格结构分析.如图4(a)所示.其中,2θ 位于26.9°,41.8°,50.2°,55.1°,75.9°的一系列衍射峰分别对应h-BN 的(002),(100),(102),(004),(110)晶面 (JCPDS,No.73-2095).对于制备的h-BN/Ag/Ag2O,谱线中除h-BN 载体的衍射峰外,位于38.2°处的衍射峰对应Ag2O 的(200)晶面(JCPDS,No.75-1532),位于44.3°处的衍射峰对应Ag 的(200)晶面 (JCPDS,No.65-2871).对于h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料,发现在32.9°和64.8°处形成了对应Ag2O 的(111)晶面(JCPDS,No.75-1532)和Ag 的(200)晶面(JCPDS,No.65-2871)的新的衍射峰,并且Ag 对应的衍射峰更加清晰尖锐.这也证实了退火之后h-BN/Ag/Ag2O复合材料上Ag 单质含量增加,进一步表明h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料制备成功.利用UVvis-NIR 吸收光谱对原始h-BN 纳米片,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 在不同温度下退火的复合材料的光吸收特性进行了测试,如图3(b)所示,h-BN/Ag/Ag2O 在423 nm 处出现了一个微弱的吸收峰,这对应于Ag/Ag2O 纳米颗粒的LSPR共振吸收峰.随着退火温度的升高,423 nm 处吸收峰的强度逐渐加强,当退火温度为320 ℃时吸收峰达到最强,表明在该退火温度下制备的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料比未退火的h-BN/Ag/Ag2O 具有更强的光吸收能力,从而有利于电磁场增强.而当退火温度超过400 ℃时,423 nm 处的吸收峰消失,这是由于产生LSPR 共振吸收的Ag/Ag2O 纳米颗粒在过高的温度下遭到破坏引起的.通过吸收谱确定了材料的最佳退火温度为320 ℃.然后利用Tauc 方法对h-BN,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的带隙进行计算.结果如图4(c)所示,通过计算得到原始h-BN 的带隙为5.3 eV,而在h-BN 上生长Ag/Ag2O 后,带隙减小为5 eV.这归因于贵金属纳米材料与半导体的耦合效应.在h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火后,复合材料的带隙(4.59 eV)相比未退火时 (5 eV)降低了0.41 eV.证实了退火可以进一步改善h-BN/Ag/Ag2O 复合材料的带隙结构,优化电子传输效率,有利于提高化学增强.对不同温度下退火处理的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料的XRD 和吸收光谱的研究,得出在最佳温度320 ℃下对h-BN/Ag/Ag2O 复合材料进行退火,可以使材料具有更强的光吸收能力和更优的电子传输效率,预期可以获得最佳的SERS 活性.

为了探究复合材料中Ag/Ag2O 与h-BN 纳米载体之间的电子传输效率,对原始h-BN,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料进行了瞬态光电流响应测试.如图5(a)所示,通常较高的光电流密度意味着更高的光生电子的迁移率,这在以前的工作中已经得到验证[49–51].实验结果表明,相比于原始h-BN 纳米片,h-BN/Ag/Ag2O 光电流密度明显提高.而h-BN/Ag/Ag2O 在320 ℃下高温退火后的光电流密度约2.64 μA,比未退火样品高出约1.8 倍.这也证实了通过320 ℃高温退火可以进一步提高h-BN/Ag/Ag2O 的光激发电子转移效率.另一方面,光激发电子的高效传输也应与光激发电子-空穴对的分离效率有关,这可以通过测量材料的荧光发光(PL)光谱来证实,通常PL 主要来自于光激发电子-空穴对的复合,因此较低的PL 强度代表较高的光激发电子-空穴对的分离效率[49].如图5(b)所示,h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的PL 峰强度约为25568 arb.units,明显低于未退火样品的值(42512 arb.units).结果表明,h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料可以显著提高光激发电子转移效率,并促进光激发电子-空穴对的高效分离,从而产生更好的电荷转移效果,进一步增强SERS 活性.

图5 h-BN,h-BN/Ag/Ag2O 和h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火后的光电流响应(a)和 PL 光谱(b)Fig.5.Photocurrent response (a) and PL spectra (b) of h-BN,h-BN/Ag/Ag2O and h-BN/Ag/Ag2O after annealed at 320 ℃.

为了评估基底的SERS 活性,以CV (10–6M)分子作为探针,对不同温度(20—420 ℃)退火后的h-BN/Ag/Ag2O 基底进行了SERS 检测.如图6(a)及插图所示.实验结果表明,在SERS 光谱中,可以清楚地识别出CV 分子在400—1700 cm–1范围内的多个特征峰(738,807,916,1177,1379,1593和1621 cm–1).其中,733 cm–1处的特征峰是由于苯环C—H 的弯曲引起的,803,915 和1179 cm–1处的特征峰与苯环C—H 的面内形变模式和弯曲振动有关,1373 和1621 cm–1处的特征峰来自苯环平面内的C—C 和N—苯环的拉伸振动[52].进一步以不同温度退火的复合材料作为SERS 基底,对探针分子CV (10–6M)的特征峰强度进行了统计,如图6(b)及插图所示,h-BN/Ag/Ag2O 复合材料在不同温 度退火 后,CV 分子位 于1177,1593 和1621 cm–1处的SERS 峰强均有明显增强,其中在320 ℃退火后增强最为显著,探针分子位于1621 cm–1处的SERS 峰强度 为33869 arb.units,而未退火的为1838 arb.units,退火后SERS 峰强度增强了18 倍.此外,基于CV 分子位于1621 cm–1处的特征峰强度,对h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料SERS 基底的增强因子(EF)进行了计算,公式如下:

图6 (a) 不同退火温度下获得的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料作为基底,对CV (10–6 M)分子进行拉曼测试得到的SERS 光谱,插图为在320 ℃附近退火后得到的SERS 光谱.(b) 不同退火温度的基底对应的CV 分子的SERS 光谱在1177,1593,1621 cm–1 处特征峰的强度分布,插图为在320 ℃附近退火后的基底所对应的特征峰强度分布Fig.6.(a) SERS spectrum of CV (10–6 M) molecules was obtained by Raman test on h-BN/Ag/Ag2O composites at different annealing temperatures,the inset shows the SERS spectrum obtained after annealing near 320 ℃.(b) Intensity distribution of characteristic peaks of CV molecules corresponding to substrates with different annealing temperatures at 1177,1593 and 1621 cm–1,the inset shows the characteristic peak intensity distribution corresponding to the substrate after annealing near 320 ℃.

其中,ISERS和Ibulk分别为在SERS 衬底上和硅衬底上测得的CV 分子在1621 cm–1处的强度.Nbulk和NSERS分别为在硅衬底和SERS 衬底上测量时光斑内的分子数.(1)式已被以前的许多优秀工作验证[53–55].根据该方程,计算出h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料SERS 基底的EF=1.63145 ×107,优于以前的许多工作[56–60].h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料优异的SERS 活性是由于退火后复合材料具有明显增强的光吸收力,有利于促进电磁场增强.而进一步增加退火温度至420 ℃,因为过高的温度会破坏Ag/Ag2O 纳米颗粒的微观构型,所以SERS 信号明显降低.并且在320 ℃下对h-BN/Ag/Ag2O 复合材料退火,可以有效改善其电子结构,加快光生载流子的传输,提高光激发电子-空穴对的分离效率,从而促进h-BN/Ag/Ag2O 复合材料的化学增强,这也为SERS 活性的提高做出了贡献.上述结果表明,在退火温度为320 ℃时,h-BN/Ag/Ag2O 复合材料具有最佳的SERS 活性.将320 ℃下退火的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料确定为最优的SERS 基底,在后面的SERS测试中均采用这一基底.

基于最优的h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料,将其作为SERS 基底,实现了对CV 和R6G分子的超低浓度探测.图7(a)展示了探针分子CV浓度从10–6M 到10–11M 的SERS 谱图.可以看出,随 着CV 分子浓 度的降 低,CV 特征峰位于730,914,1177,1377,1475,1531,1593,1621 cm–1处的拉曼信号强度逐渐减小.实验表明,该基底可以实现探针分子CV 的超低浓度探测,浓度低至10–11M,达到皮摩尔(pM)级别.图7(b)展示了CV分子位于1621 cm–1处的特征峰强度和探针分子浓度之间的关系,可以看出两者呈现出较好的线性关系.不同浓度的R6G (10–6—10–13M)的SERS谱图如图7(c)所示,发现即使浓度降低至10–13M,R6 G 的主要特征峰仍然清晰可见.使用h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料实现了对CV 和R6G的超低浓度检测,满足合成染料痕量检测的要求,从而为染料分子的定量分析提供了有利依据.

图7 (a) 不同浓度的CV 的SERS 光谱;(b) CV 分子在1621 cm–1 处的SERS 强度和分子浓度的对数之间的关系;(c) 不同浓度的R6G 的SERS 光谱;(d) R6G 分子在1502 cm–1 的SERS 强度和分子浓度的对数之间的关系Fig.7.(a) SERS spectra of CV with different concentrations;(b) relationship between SERS intensity and logarithm of molecular concentration of CV molecule at 1621 cm–1;(c) SERS spectrum of R6G with different concentrations;(d) relationship between SERS intensity and logarithm of molecular concentration of R6G at 1502 cm–1.

食品添加剂专利蓝V(PBV)作为一种有机染料常用于化妆品和食品行业,在日常生活中极其容易进入人体并引发多种疾病.因此,目前急需开发一种快速、灵敏的分析方法以量化这些有害物质.利用SERS 检测方法,以h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料作为SERS 基底,在532 nm 激光激发下,对10–6到10–12M 浓度范围内的PBV 分子进行了超灵敏检测.结果如图8(a)所示,PBV 分子在918,1217,1364,1430,1490 和1619 cm–1处的特征峰在SERS 光谱中能够被清楚地识别出来.值得注意的是,即使浓度降低到10–12M (pM)水平,PBV 分子的特征峰依旧清晰可见.证实了使用h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料可以实现对超低浓度PBV 分子的灵敏检测,检测极限要远低于欧盟食品科学委员会(SCF)规定的PBV 的每日允许的最大摄入量(15 mg/公斤体重/天)[11].而且图8(b)显示了PBV 分子在1619 cm–1处特征峰的强度与浓度之间具有良好的线性关系.因此,制备的h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料SERS基底为食品添加剂的定量检测提供了新思路.

图8 (a)不同浓度的PBV 的SERS 光谱;(b) PBV 分子在1619 cm–1 处的SERS 强度和分子浓度的对数之间的关系Fig.8.(a) SERS spectrum of PBV with different concentrations;(b) relationship between SERS intensity and logarithm of molecular concentration of PBV at 1619 cm–1.

在实际应用中,高性能的SERS 基底还应具有良好的均匀性,正如图9(a),以PBV 分子(10–6M)作为探针,从基底上大范围随机选取8 个点获得其SERS 光谱.实验结果表明,所有谱线中PBV分子特征峰的形状和强度都没有发生明显变化,表明拉曼光谱可以很好的重复.此外,统计了这8 个点的PBV 分子的拉曼光谱在1619 cm–1处的特征峰强度的变化情况,如图9(b)所示.其相对标准偏差(RSD)仅为4.4%,远低于实际应用中可接受的RSD 阈值(20%)[61,62].此外,为了验证基底上不同放大区域的均匀性,在微米尺度上进行了平面扫描SERS 测试,在基底上39 μm×39 μm 的正方形区域内,选取了169 个点(每两个个点的间隔为3 μm)对PBV 分子在1619 cm–1处的特征峰强度进行空间映射,结果如图9(c)所示,可以看到不同位置的分子信号强度能够保持一致.

图9 (a) 以PBV (10–6 M)为探针分子,在h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料上随机选取8 个不同位置的点进行检测,得到的SERS 光谱;(b) PBV 分子位于1619 cm–1 处的拉曼特征峰强度的变化情况;(c) 在39 μm×39 μm 的正方形区域内等距离取得169 个点位得到SERS 光谱,峰位在1619 cm–1 处的强度变化情况;(d) 拉曼信号峰位在1619 cm–1 处强度的RSDFig.9.(a) Using PBV (10–6 M) as probe molecule,the SERS spectrum was obtained by randomly selecting 8 points at different positions on the h-BN/Ag/Ag2O annealed composite at 320 ℃;(b) change of Raman characteristic peak intensity of PBV at 1619 cm–1;(c) 169 sites were obtained equidistant in a square area of 39 μm×39 μm to obtain SERS spectrum,with the intensity change at 1619 cm–1;(d) Raman signal peak at 1619 cm–1 intensity RSD.

图9(d)展示了在39 μm×39 μm 内PBV 分子在1619 cm–1处特征峰强度的空间离散分布情况,其RSD 仅为7.7%,以上结果表明h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料在毫米和微米尺度上都具有很好的空间均匀性.

另一方面,在实际食品制作环境中,溶液中一些共存的离子也可能影响SERS 测量的稳定性,因此h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料也应具有抗干扰能力,能够在干扰存在的情况下准确识别PBV 分子的拉曼信号.用h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料测试当金属离子(K+,Ca2+,Na+和Mg2+)存在的情况下PBV 分子(10–6M)的拉曼信号.如图10(a)所示,在不同外加离子存在时,PBV (10–6M)的拉曼信号可以很好的保持,表现出良好的抗干扰能力.最后,为了验证h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料在实际场景中的应用性,进一步将PBV(10–7M)溶液分别与市场上常见的三种彩色食物(酸奶、气泡水和蛋糕)的提取液混合,来制备探针样品.图10(c)显示了PBV 分子和三个混合样品的拉曼光谱,可以观察到,在酸奶、气泡水和蛋糕的提取液存在时,混合溶液中PBV 分子的SERS 信号仍能与原始PBV 分子保持一致.稳定的SERS 性能也可以通过1619 cm–1处拉曼峰强度的变化来验证,如图10(d)所示,在不同混合溶液中,PBV 分子的信号强度几乎没有变化.证实了h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料具有出色实际场景检测能力,可以用于实际场景中对痕量食品添加剂的SERS 分析.

图10 (a) 浓度为10–6 M 的PBV 通过单独添加K+,Ca2+,Na+和Mg2+离子(10–3 M)后的拉曼光谱;(b) 在离子干扰的情况下PBV 分子在1619 cm–1 处的拉曼峰强度的波动;(c) 浓度为10–6 M 的PBV 与酸奶、气泡水和彩色蛋糕提取液混合的拉曼光谱;(d) 在添加三种干扰物质后1619 cm–1 处拉曼峰强度的变化Fig.10.(a) Raman spectra of PBV with a concentration of 10–6 M by adding K+,Ca2+,Na+ and Mg2+ (10–3 M) alone;(b) the fluctuation of Raman peak intensity of PBV molecule at 1619 cm–1 in the presence of ion interference;(c) Raman spectra of PBV at a concentration of 10–6 M mixed with yogurt,sparkling water and colored cake extract;(d) change in Raman peak intensity at 1619 cm–1 after the addition of three interfering substances.

4 结论

本文通过高温退火的方法构建了一种基于h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料的新型SERS活性基底,显著提高了复合材料基底的SERS 活性.相比于未退火的样品,经320 ℃高温退火后所得的h-BN/Ag/Ag2O 复合材料基底可以使CV 分子的SERS 信号显著增强约18 倍,EF 达到1.63145×107.这是由于利用320 ℃高温对h-BN/Ag/Ag2O复合材料退火后,可以增强复合材料各组分之间的协同耦合效应,提高光激发电子转移效率,从而促进化学增强.另一方面,高温退火还能增强基底的光吸收能力,提高电磁场增强.基于h-BN/Ag/Ag2O 320 ℃退火复合材料基底优异的SERS 活性,实现了对食品添加剂PBV 的定量检测,其在10–6—10–12M 的宽探测范围内建立的SERS 信号强度与PBV 分子浓度之间的线性关系,为实际场景中食品添加剂的超灵敏分析提供了重要依据.同时,本文进一步验证了h-BN/Ag/Ag2O 复合材料优异的空间均匀性、抗干扰性和实际应用性,有利于实现实际场景中食品添加剂的超灵敏检测.