趙 剛, 周啟光, 程 靜, 洪瑞金, 張大偉, 莊松林

(上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院, 上海 200093)

引 言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,人們的生活水平逐漸提高,糖尿病的發(fā)病率也越來越高。根據(jù)相關(guān)資料顯示,2010年我國糖尿病發(fā)病率已經(jīng)達(dá)到11%[1-2]。糖尿病是引發(fā)心臟病、腎衰竭等疾病的主要原因,每年在全球?qū)е碌乃劳鋈藬?shù)高達(dá)百萬。糖尿病和腫瘤、心腦血管疾病并稱為人類健康三大殺手。血糖檢測對于糖尿病的治療和預(yù)防并發(fā)癥的發(fā)生具有重要意義,因此,葡萄糖傳感器受到越來越多學(xué)者的關(guān)注。

1928年印度科學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn)了拉曼散射現(xiàn)象[3-4],拉曼光譜含有分子的振動和轉(zhuǎn)動信息,并且具有光譜譜峰尖銳、受水的影響小、不需要對樣品進(jìn)行處理等優(yōu)點(diǎn),非常適合進(jìn)行定性分析。由于大部分物質(zhì)的拉曼信號強(qiáng)度很弱,光譜靈敏度低,限制了光譜在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。1970年,Fleischmann在粗糙的銀表面發(fā)現(xiàn)吡啶的拉曼信號得到了極大的增強(qiáng)現(xiàn)象,Duyne將這一現(xiàn)象稱為表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)[5]。SERS可以將拉曼信號的強(qiáng)度提高1012～1014倍,SERS應(yīng)用在傳感上具有很大的優(yōu)勢:(1) 靈敏度高,可對單分子進(jìn)行檢測;(2) 測量過程簡單,無需預(yù)處理;(3) 可進(jìn)行痕量檢測。SERS效應(yīng)與基底的材料以及基底表面結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。目前對于一種制備方法簡單、均勻性好、可重復(fù)性高的SERS基底已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。

傳統(tǒng)的方法制備SERS基底由于制備方法復(fù)雜、可重復(fù)性差、靈敏度低等缺點(diǎn),極大的限制了SERS的實(shí)際應(yīng)用。本文利用激光器在真空鍍膜技術(shù)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了SERS效果可調(diào)。該方法可以根據(jù)需要改變基底表面形貌、顆粒尺寸且具有良好的均勻性、可重復(fù)性和高靈敏度。用該基底檢測羅丹明B分子時,基底表面增強(qiáng)拉曼信號非常的明顯,改變基底表面相貌和顆粒尺寸時,基底的羅丹明B分子的拉曼信號逐次變化,顯示出非常高的靈敏度。

SERS技術(shù)已經(jīng)在生物、化學(xué)傳感技術(shù)中得到廣泛的應(yīng)用[6-10],比如進(jìn)行痕量分析物檢測里的血糖檢測,目前對葡萄糖分子的檢測具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的市場前景。葡萄糖分子具有拉曼散射截面小,拉曼信號弱的特點(diǎn)[5-6]。本文通過激光輻照銀薄膜技術(shù)制備銀納米條紋基底,通過在該基底上修飾4-MPY探針分子和葡萄糖氧化酶,探針分子表面增強(qiáng)拉曼光譜強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)對葡萄糖的間接檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)SERS基底的表面結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)了對所制備的SERS基底拉曼增強(qiáng)效果的靈活調(diào)控,具有很高的靈敏度。該基底極大地增強(qiáng)了4-MPY的信號,且探針分子信號強(qiáng)度與葡萄糖溶液濃度之間具有良好的線性關(guān)系,非常適合進(jìn)行定量分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

本實(shí)驗(yàn)所用儀器如下:ZSS-630 電子束真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)(成都南儀電子電器有限責(zé)任公司);Renishaw公司的InVia共聚焦顯微拉曼光譜儀;Perkin Elmer Lambda1050 紫外可見光近紅外分光光度計;上海光學(xué)儀器廠的10XB-PC金相顯微鏡;上海費(fèi)米激光科技有限公司激光微加工系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)所用化學(xué)試劑:4-巰基吡啶(XW45562342,4556-23-4,97%);葡萄糖氧化酶(K4918001,9001-37-0,Sigma-49180);銀粉(上海國藥化學(xué)試劑廠);Glucose Oxidase(G2133-10,9001-37-0,G2133-10KU);羅丹明B(200-661-7,81-88-9,GHS02);去離子水。

1.2 銀薄膜的制備

利用630蒸發(fā)鍍膜機(jī)在石英基片上沉積Ag薄膜,靶材為Ag靶。鍍膜機(jī)腔體工作真空為9.0×10-4Pa,烘烤溫度為100 ℃,公轉(zhuǎn)速度為30 r/min,開槍燈絲預(yù)熱5 min,升高壓后將束流梯度升高進(jìn)行融料,然后進(jìn)行鍍膜。依照此方法制備一批同一規(guī)格的Ag薄膜以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。

1.3 銀納米條紋基底的制備

上海費(fèi)米激光科技有限公司激光微加工系統(tǒng)(如圖1)對銀薄膜進(jìn)行激光打標(biāo)。通過預(yù)輻照實(shí)驗(yàn)選擇10 nm Ag薄膜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)激光器的掃描速度和功率實(shí)現(xiàn)對銀薄膜表面結(jié)構(gòu)的調(diào)控。將掃描速度設(shè)置為200 mm/min,依次將激光器功率設(shè)置為0 W、4 W、8 W、12 W、16 W和20 W,然后對同一規(guī)格的銀薄膜進(jìn)行輻照制備一組基底,分別標(biāo)記為S0、S1、S2、S3、S4和S5,制備多組同樣規(guī)格的基底以備后續(xù)實(shí)驗(yàn)使用。對該組樣品用羅丹明B作為探針分子檢驗(yàn)基底的表面增強(qiáng)拉曼效果,檢驗(yàn)基底的靈敏度。

1.4 葡萄糖的檢測

首先制備一批同一表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的銀基底,然后將銀基底浸泡到濃度為10-4mol/L的4-MPY溶液中,時間為3 h。在這個過程中銀基底中的Ag將和4-MPY通過Ag--S鍵組合在一起,4-MPY將作為探針分子牢牢吸附在銀基底表面。最后將浸泡過的基底用去離子水進(jìn)行沖洗,去掉基底表面物理吸附的4-MPY。

將修飾有探針分子的基底浸泡到葡萄糖氧化酶溶液(質(zhì)量濃度為2 mg/mL、體積為1 mL)中,然后將葡萄糖溶液加入混合溶液中,對混合溶液進(jìn)行水浴加熱,溫度設(shè)定為40 ℃,設(shè)定反應(yīng)時間為5 min,反應(yīng)完成后將基底用去離子水清洗,分別用不同銀基底對應(yīng)不同濃度的葡萄糖溶液(5～40 mmol/L)進(jìn)行上述實(shí)驗(yàn)。

1.5 基底的重復(fù)性檢測

表面增強(qiáng)拉曼基底的重復(fù)性對于其實(shí)際應(yīng)用具有很大的影響,為了驗(yàn)證該基底的重復(fù)性,我們隨機(jī)選取同一表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的15片基底,對每一基底取三個點(diǎn)進(jìn)行光譜測試后取平均值,再進(jìn)行重復(fù)性檢測,選取拉曼位移為1 091 cm-1和1 076 cm-1兩處光譜強(qiáng)度的變化來檢驗(yàn)該SERS基底的重復(fù)性。

2 結(jié)果與討論

2.1 銀納米基底的表征

圖2為激光器同一掃描速度,不同激光輻照功率下的金相顯微鏡圖,其中圖2(a)～(c)分別對應(yīng)的掃描功率為4 W、8 W和12 W。通過分析圖片可以得出,隨著掃描功率的增大,銀納米條紋變細(xì),納米條紋間隔變大,納米條紋由順滑逐漸變的粗糙。因?yàn)殂y納米條紋的表面形貌是通過調(diào)節(jié)激光器的掃描功率以及激光器設(shè)定的掃描圖形決定的,因此通過調(diào)節(jié)這兩個參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對基底SERS性能的調(diào)控。

圖3為不同掃描功率基底吸收圖,激光功率為0時,表面等離子體吸收峰波長在600 nm左右,對應(yīng)銀薄膜的本征吸收峰。激光輻照后的基底吸收峰波長為500 nm左右,隨著激光器功率的增大,納米條紋尺寸變小,吸收峰發(fā)生紅移,并且吸收峰強(qiáng)度增大。造成這種現(xiàn)象的主要原因是在發(fā)生表面等離子體共振的時候,金屬表面主要發(fā)生的是高階多極子振動,隨著納米粒子尺寸的降低,表面等離子體共振吸收峰會發(fā)生紅移。導(dǎo)致發(fā)生紅移動的另一個原因是量子尺寸效應(yīng)[11-14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,通過調(diào)節(jié)基底表面結(jié)構(gòu)參數(shù)可以非常靈活地實(shí)現(xiàn)對表面等離子共振波長的調(diào)控。由于SERS與表面等離子體共振有著非常緊密的關(guān)系,這也從側(cè)面反應(yīng)出該基底SERS的高靈敏度。

圖4為不同掃描功率基底羅丹明B探針分子拉曼光譜圖,從圖中可以看出,在掃描功率大于12 W時,羅丹明B拉曼信號很弱,當(dāng)掃描功率小于12 W時,探針分子拉曼信號得到極大的增強(qiáng),并且隨著掃描功率的降低,拉曼光譜強(qiáng)度增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是,激光輻照功率的改變會改變銀納米粒子的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)(大小、形狀),改變了基底的散射截面,進(jìn)而影響基底SERS效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該基底具有良好的SERS效果并且通過調(diào)節(jié)基底表面結(jié)構(gòu)參數(shù)實(shí)現(xiàn)了對SERS性能的調(diào)控。

圖3 不同掃描功率基底吸收圖Fig.3 Absorption patterns with different scanning power substrates

圖4 不同掃描功率基底羅丹明B拉曼光譜圖Fig.4 Raman spectra of Rhodamine B with different scanning power substrates

圖5為不同濃度葡萄糖溶液對應(yīng)的基底上4-MPY探針分子拉曼光譜圖,從圖中可以看出,隨著葡萄糖溶液濃度的減低,探針分子拉曼光譜強(qiáng)度增大,這說明葡萄糖和葡萄糖氧化酶反應(yīng)產(chǎn)生的過氧化氫改變了基底表面結(jié)構(gòu),從而影響了基底的SERS效果。圖中4-MPY拉曼光譜強(qiáng)度和葡萄糖溶液濃度之間具有良好的線性關(guān)系,且具有很高的靈敏度。

圖5 基底在不同濃度葡萄糖溶液浸泡后4-MPY探針拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of 4-MPY probe after basal immersion for the different concentrations of glucose solution

圖6為隨機(jī)選取的15片基底的拉曼光譜圖,其中每個光譜圖為基底上3個點(diǎn)光譜圖的平均值。選取拉曼位移為1 091 cm-1和1 076 cm-1兩處光譜強(qiáng)度進(jìn)行對比。不同基底兩處峰強(qiáng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為6.7%和7.1%,相對偏差是低于20%的。這表明該基底的重復(fù)性以及均勻性都較好。該基底仍存在重復(fù)性的原因主要有以下兩個方面:(1) 鍍膜工藝導(dǎo)致的薄膜厚度不均勻?qū)е禄拙鶆蛐圆钸M(jìn)而影響重復(fù)性;(2) 激光器功率不穩(wěn)定導(dǎo)致基底均勻性差進(jìn)而影響重復(fù)性。針對以上問題我們提出了兩種改進(jìn)方法:(1) 提高鍍膜工藝,嘗試采用新的鍍膜方法,如氣象沉積法進(jìn)行鍍膜;(2) 改善激光器散熱條件,增強(qiáng)激光器穩(wěn)定性。

圖6 隨機(jī)選取的15片基底的拉曼光譜Fig.6 Raman spectra of 15 randomly selected substrates

3 結(jié) 論

本研究通過激光輻照的方法制備了一種新型表面增強(qiáng)拉曼基底,該方法可以通過激光器軟件選擇不同圖形,改變掃描功率和掃描速度實(shí)現(xiàn)對基底表面結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、高重復(fù)性、制備方法簡單的SERS基底的制備。通過改變基底的掃描功率,實(shí)現(xiàn)了對基底表面等離子體共振波長和表面增強(qiáng)拉曼效果的靈活調(diào)控,證明該表面結(jié)構(gòu)具有潛在的傳感能力。通過在基底上修飾4-MPY探針分子,葡萄糖和葡萄糖氧化酶產(chǎn)生的過氧化氫會改變基底表面結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)而會影響探針分子的表面增強(qiáng)拉曼散射信號強(qiáng)度,從而實(shí)現(xiàn)了對葡萄糖的間接檢測。結(jié)果表明,探針分子信號強(qiáng)度和葡萄糖溶液濃度之間具有良好的線性關(guān)系。