李 奇，田 杜，陳韶云，鐘 敏，胡成龍，陳 建

（1.江漢大學(xué)光電化學(xué)材料與器件教育部重點實驗室,化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,武漢430056；2.中山大學(xué)測試中心,廣州510275）

當(dāng)光電場和金屬納米粒子表面的自由電子發(fā)生相互作用時，吸附在粗糙化金屬表面的化合物由于電子的集體振動增強會導(dǎo)致表面局域等離子激元被激發(fā)，從而引起電磁增強，使被測定分子的拉曼散射產(chǎn)生極大的增強效應(yīng)，即表面增強拉曼散射（SERS）［1～4］.SERS技術(shù)具有獨特的光譜指紋信息、高靈敏度和無損數(shù)據(jù)采集等優(yōu)勢，目前已被視為一種靈敏度極佳的光譜分析技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生物化學(xué)、合成化學(xué)、食品安全和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，用于DNA分子或細胞的檢測［5，6］、小分子或大分子鏈取向和構(gòu)象的測定［7，8］、食品中微量有害小分子的檢測［9，10］、環(huán)境中有毒殘留農(nóng)藥或有害分子的檢測［11～13］等.金屬的表面形態(tài)和粗糙度決定了SERS效應(yīng)能否發(fā)生及其信號強弱，因此設(shè)計制備簡便、高效的金屬微納結(jié)構(gòu)SERS基底是一個關(guān)鍵問題.近年來，SERS基底的制備及應(yīng)用取得了較大的進步.如，用SiO2等惰性殼層材料將金屬納米粒子隔絕起來，形成殼層隔離納米粒子基底，使金屬粒子與待測物分離，該技術(shù)突破了以往使用裸金屬粒子的局限性，使SERS技術(shù)變得更加通用和實用［14，15］；利用2種金屬組分、結(jié)構(gòu)上極大的可變性，制備具有協(xié)同作用的雙金屬核殼結(jié)構(gòu)SERS活性基底［16，17］；利用金屬納米粒子特有的表面能，有意識地使金屬納米粒子產(chǎn)生聚集，形成二聚體、三聚體或多聚體，這是因為聚集體的聯(lián)結(jié)處能產(chǎn)生強大的電磁共振效應(yīng)，使聚集體的SERS活性高于單個納米粒子［18，19］；利用可伸縮的環(huán)境響應(yīng)性大分子鏈來調(diào)控金屬納米粒子的間距，優(yōu)化電磁場耦合強度，提高基體的增強因子［20］.

上述方法雖可獲得高增強因子的金屬基底，但是實驗步驟和制備工藝難以操作與調(diào)控，在常規(guī)實驗室難以合成高質(zhì)量的金屬納米基底.為了獲得高靈敏度、SERS信號可重現(xiàn)性好、實驗步驟簡易的金屬微納結(jié)構(gòu)SERS基底，近年來研究者開發(fā)出各種結(jié)構(gòu)勻一的Ag納米片（AgNS）SERS基底，其優(yōu)點在于SERS靈敏度高、信號可重現(xiàn)性好且“熱點”（Hot spots）分布均勻［21］.如Yan等［22］以有機酸為還原劑使Ag納米片均勻地生長在聚苯胺薄膜表面，形成結(jié)構(gòu)均一的AgNS/導(dǎo)電聚合物薄膜SERS基底，對4-巰基苯甲酸的最低檢測限可達1×10-12mol/L；Gao等［23］利用檸檬酸三鈉作為還原劑將Ag納米片均勻地生長在Cu片上作為SERS基底，以羅丹明6G（R6G）作為SERS探針分子，發(fā)現(xiàn)該基底具有超高的靈敏性和良好的信號可重現(xiàn)性；Xia等［24］采用電化學(xué)沉積法將間隙距離小于10 nm的Ag納米片均勻地沉積在Cu片上作為SERS基底，SERS增強因子高達2×105；Wang等［25］利用檸檬酸作為還原劑將Ag納米片可控自組裝在Fe3O4@SiO2磁性微球上作為SERS基底，對R6G的最低檢測限達1×10-14mol/L，而且整個Fe3O4@SiO2@Ag微球表現(xiàn)出良好的SERS信號可重現(xiàn)性.

由上述研究可知，將均勻的Ag納米片微納結(jié)構(gòu)作為SERS基底時，不僅表現(xiàn)出超高的靈敏度和良好的信號可重現(xiàn)性，而且制備過程也相對較簡單，在一般的實驗室即可實現(xiàn).另外，Ag納米片的有序自組裝依賴于支撐基體，如導(dǎo)電聚苯胺纖維、惰性金屬納米粒子、無機或聚合物納米微球等.根據(jù)上述報道，結(jié)合我們前期的研究結(jié)果［26～29］，本文選用不經(jīng)任何處理的無紡布（NWF）作為支撐基體來組裝Ag納米片，并對其SERS靈敏度和信號可重現(xiàn)性進行了分析和探討.其優(yōu)勢在于：（1）無紡布價格低廉，不需要對其表面進行改性，可直接用作支撐基體；（2）無紡布多以聚丙烯樹脂為主要原料，用稀硝酸洗去表面的Ag納米片后，不會破壞聚丙烯纖維的結(jié)構(gòu)，無紡布可循環(huán)再利用；（3）無紡布具有較好的柔性，Ag納米片生長在其表面，不會改變其柔性，可作為一種柔性SERS基底.

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硝酸銀（AgNO3）、檸檬酸、抗壞血酸、氨水和乙醇均為分析純，購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司；聚乙烯吡咯烷酮（Mw=58000）、羅丹明6G（R6G）、3-巰基丙酸（3MPA）和三聚氰胺（Melamine）購于上海阿拉丁試劑公司.

Renishaw inVia型激光顯微拉曼光譜儀（英國雷尼紹公司）；SU8010型冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡（日本日立公司）；D-MAX 2200型X射線衍射儀（德國布魯克公司）.

1.2 實驗步驟

Ag納米晶種的生長：將無紡布裁剪成如圖1所示的2 cm×5 cm長方形，垂直放入銀氨溶液（40 mL乙醇+0.4 g硝酸銀+3 mL氨水）中浸漬5 h后；將其垂直放入40 mL 25 mg/mL PVP的乙醇溶液中，在攪拌下反應(yīng)3 h，反應(yīng)溫度為70℃，當(dāng)溶液變成黃色且顏色不再發(fā)生變化時，表明Ag納米晶種已生長在無紡布纖維上.

Ag納米片的生長：將負載有Ag納米晶種的無紡布垂直放入60 mL 6.7 mg/mL AgNO3和檸檬酸復(fù)合水溶液中（AgNO3與檸檬酸的摩爾比為1∶1），然后逐滴滴加20 mL 10 mg/mL抗壞血酸（15 min內(nèi)滴加完），在超聲和磁力攪拌作用下持續(xù)反應(yīng)4 h.反應(yīng)完成后，樣品用超純水、乙醇洗滌3次后，于60℃真空干燥，得到AgNS@NWF樣品.

Fig.1 Preparation of the homogeneous AgNS@NWF micro-nanostructure and its SERS testing

1.3 SERS測試

實驗選擇R6G作為SERS探針分子，R6G水溶液的濃度為1×10-5～1×10-15mol/L.將制備的AgNS@NWF浸入到50 mL R6G水溶液中2 h，然后通過N2氣流干燥.使用共聚焦顯微鏡拉曼光譜儀（532 nm激光線，50倍和100倍物鏡）進行測量.單個光譜測量方法：靜態(tài)測量模式，波譜中心為1150 cm-1，曝光時間為1 s.Raman Mapping測試方法：采用線性大面積靜態(tài)掃描模式，波譜中心為1150 cm-1，曝光時間為3 s，掃描步長為2.0μm，選擇濃度為10-1～10-6mol/L的3MPA和濃度10-1～10-7mol/L的三聚氰胺水溶液作為分子吸附溶液，將制備的AgNS@NWF分別浸入到3MPA和三聚氰胺水溶液（50 mL）中2 h，然后通過N2氣流干燥，采用相同的測量方法進行SERS測試.

2 結(jié)果與討論

2.1 AgNS@NWF的結(jié)構(gòu)分析

圖2 （A）為無紡布的SEM照片，插圖為無紡布的實物照片.未經(jīng)任何處理的無紡布由無數(shù)表面光滑的獨立聚合物纖維交織形成網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)，纖維之間既獨立存在又不相互干擾，這種空間結(jié)構(gòu)為Ag納米片的可控生長提供了寬松的條件.圖2（B）示出了采用兩步合成法制備的AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)，插圖是實物照片.Ag納米片完全生長在無紡布各自獨立的纖維上，相互之間沒有發(fā)生聚集，得益于無紡布寬松的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu).無紡布纖維上的Ag膜形態(tài)如圖3（A）所示；由圖3（B）和（C）可見，制備的Ag膜由大量納米片緊密堆疊而成，納米片之間的間隙為20～110 nm［圖3（C）插圖］，生成的納米片在平行方向上局部有序排列，而在整個方向上卻相互纏繞.從破損的AgNS@NWF纖維可知，Ag膜厚度約20～30 nm且Ag納米片隨機排列，Ag膜的這種層級結(jié)構(gòu)適合作為SERS檢測基底.

Fig.2 SEM images of NWF(A)and homogeneous AgNS@NWF micro-nanostructure(B)

Fig.3 SEM images of homogeneous AgNS@NWF micro-nanostructure with different magnifications

采用X射線衍射分析進一步證實了AgNS@NWF的微納結(jié)構(gòu)，無紡布和AgNS@NWF的XRD譜線如圖4所示.由于無紡布由定向或隨機的非結(jié)晶性聚合物纖維構(gòu)成，因此在XRD曲線上無結(jié)晶峰，只有一個無定型的寬峰.而AgNS@NWF的XRD曲線上出現(xiàn)典型的Ag晶體衍射峰，所有強衍射峰均為其特征峰，2θ=38°，44°，65°和78°處的峰分別對應(yīng)于面心立方（FCC）Ag的｛111｝，｛200｝，｛220｝和｛311｝晶面［26］.另外，由于｛111｝和｛200｝晶面衍射峰強度的比值約為3.2，大于標準銀粉末的比值強度（2.5），說明Ag納米粒子在生長過程中傾向于表面生長而終止于低能態(tài)｛111｝晶面［16］，即Ag納米粒子生長方向傾向于納米片［30］，如｛200｝，｛220｝和｛311｝晶面衍射峰的強度遠低于｛111｝晶面，而｛222｝晶面（2θ=81°）衍射峰的強度幾乎為零.SEM和XRD表征結(jié)果表明，通過氧化還原反應(yīng)在無紡布纖維上生長出Ag納米片.

Fig.4 XRD patterns of NWF and homogeneous AgNS@NWF micro-nanostructure

2.2 AgNS@NWF的SERS效應(yīng)

檢測限是評估SERS基底整體性能的重要參數(shù)之一，使用R6G作為SERS探針分子，考察了AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)的SERS性能.如圖5（A）所示，當(dāng)R6G水溶液的濃度低至1×10-10mol/L時，在其SERS光譜中可觀察到特征散射峰，進一步降低R6G水溶液的濃度（低至1×10-11～1×10-15mol/L），AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底無法檢測到R6G的SERS光譜，說明AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)對R6G探針分子的檢測限為1×10-10mol/L.另外，如圖5（B）所示，R6G的拉曼散射光譜強度隨R6G水溶液濃度的降低而逐漸下降，但所有濃度下的SERS光譜高度一致，特征散射峰未發(fā)生紅移或藍移，表明AgNS@NWF作為SERS基底不僅具有高的靈敏度，同時基底對探針分子的SERS光譜具有良好的穩(wěn)定性.R6G的SERS光譜中，610 cm-1處的峰歸屬于苯環(huán)的面內(nèi)變形振動，773 cm-1處的峰歸屬于苯環(huán)上C—H的面外伸縮振動，1361 m-1和1648 cm-1處的峰歸屬于芳香C—C伸縮振動［26，27］.

Fig.5 SERS spectra of the AgNS@NWF performed with a 532 nm excitation laser,and R6G molecule concentrations from 1×10―5 to 1×10―10 mol/L(A),SERS intensity of R6G spectra at peaks of 610,773,1361 and 1648 cm―1 as a function of R6G concentration(B)

為了進一步證實AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)具有良好的SERS靈敏性，將圖5（B）中610，773，1361和1648 cm-1處峰的散射強度與R6G水溶液的濃度轉(zhuǎn)換成對數(shù)關(guān)系，并對其進行Lorentz線性擬合，如圖6所示.結(jié)果表明，R6G特征峰強度的對數(shù)值（y=lgISERS）與R6G濃度的對數(shù)值（x=lgcR6G）呈線性關(guān)系［31］：

式中，平均斜率為0.32±0.03，表明R6G任意一個特征峰散射強度的對數(shù)值與R6G濃度的對數(shù)值都遵循同一線性關(guān)系，表明生長在無紡布纖維上的Ag納米片能提供足夠與探針分子結(jié)合的活性位點，進而有效地從R6G水溶液中捕獲R6G探針分子.圖5（A）結(jié)果表明，即使在1×10-10mol/L的低濃度下，610，773，1361和1648 cm-1處的特征散射峰仍然清晰可見，其原因在于：（1）SERS產(chǎn)生的基本條件是金屬表面的粗糙化，生長在無紡布纖維上的Ag納米片可以看作是一種層級結(jié)構(gòu)，相比于光滑的金屬表面，這種結(jié)構(gòu)具有更高的縱橫比［32］，在光照作用下，Ag納米片表面局域等離子激元被激發(fā)引起電磁增強；（2）生長在無紡布纖維上的Ag膜是由無數(shù)Ag納米片緊密堆疊而成，納米片之間的間隙為20～110 nm，此時Ag膜可被認為是一種比表面較大的積微孔結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠提供更多的活性位點，進而有效地從R6G水溶液中捕獲探針分子，使得AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)的SERS檢測限低至1×10-10mol/L.

Fig.6 Relationship between SERS intensity at band of 610(A),773(B),1361(C)and 1648(D)cm―1 and R6G loading revealed by the logarithmic plot

用于化學(xué)識別和生物傳感的理想SERS基底除需具有良好的靈敏度（低檢測限）外，還必須具備高的信號可重現(xiàn)性.金屬微納結(jié)構(gòu)的均一有序是獲得良好信號可重現(xiàn)性的前提條件，如利用電子束光刻產(chǎn)生的周期性金屬納米粒子［33］、模板合成法制備的周期性金屬納米孔［34］、電化學(xué)合成法或化學(xué)合成法制備具有納米間隙帶的微納結(jié)構(gòu)等［24］，這些規(guī)整結(jié)構(gòu)具有均勻的活性SERS“熱點”，從而顯著提高了SERS光譜的可重現(xiàn)性.AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)是一種具有納米間隙帶的微納結(jié)構(gòu)［圖3（C）］，其SERS光譜的可重現(xiàn)性可以用相對標準偏差（RSD）來描述.隨機選取6個AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底浸泡在不同濃度（1×10-5～1×10-10mol/L）的R6G水溶液中12 h，用N2氣流干燥之后，在相同實驗條件下進行大面積線性掃描，以譜帶610 cm-1處的拉曼散射強度作Raman mapping（圖7）.然后，在圖7（A）～（F）中隨機選取30個光譜，以譜帶610 cm-1處的拉曼散射強度和隨機點作圖，并計算RSD（%）［35，36］：

Fig.7 SERS mapping of R6G adsorbed on AgNS@NWF substrates with concentrations of 1×10―5 mol/L(A),1×10―6 mol/L(B),1×10―7 mol/L(C),1×10―8 mol/L(D),1×10―9 mol/L(E)and 1×10―10 mol/L(F)

式中，xi為610 cm-1處峰的拉曼散射強度（隨機分布）；為拉曼散射強度的平均值.RSD計算結(jié)果如圖8所示.當(dāng)R6G水溶液的濃度依次降低一個數(shù)量級時，AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底測得結(jié)果的RSD分別為3.57%（1×10-5mol/L），3.67%（1×10-6mol/L），8.46%（1×10-7mol/L），14.78%（1×10-8mol/L），20.06%（1×10-9mol/L）和39.31%（1×10-10mol/L），優(yōu)于或接近于單分散性Ag納米片組裝的Fe3O4@SiO2@Ag微球基底（RSD＜5%和RSD＜8%）［21，25］、中空Au/Ag納米海膽基底（RSD=7.8%）［36］、Pd40.5Ni40.5P19金屬玻璃納米線陣列基底（RSD=7.8%）［37］、3D層次有序的超多孔材料基底（RSD=21%）［31］及銅基體上組裝的Ag納米片基底（RSD≤20%）［23，24］.另外，當(dāng)R6G溶液的濃度較大時［圖7（A）和（B）］，AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底能夠吸附足夠多的R6G分子，測得的RSD基本保持一致［圖8（A）和（B）］；當(dāng)R6G溶液濃度進一步減?。蹐D7（C）～（F）］，稀溶液中沒有足夠多的R6G分子被AgNS@NWF吸附，導(dǎo)致探針分子在基底上分布不均勻，測得的RSD值逐漸變大［圖8（C）～（F）］.

Fig.8 RSD of SERS intensity(610 cm―1)at R6G concentrations from 1×10―5 mol/L to 1×10―10 mol/L for 30 randomly selected positions on AgNS@NWF substrates

上述結(jié)果表明，AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)具有良好的SERS信號可重現(xiàn)性，原因在于：（1）生長在無紡布纖維上的Ag納米片在平行方向上局部有序排列，納米片之間的間隙約為20～110 nm，這種層級結(jié)構(gòu)能夠提供更多均勻分布的SERS活性“熱點”［38］；（2）單個AgNS@NWF微納纖維的尺寸大于1 mm［圖3（B）］，容易在光學(xué)顯微鏡下觀察到，實際上是單個AgNS@NWF微納纖維的SERS效應(yīng)［25］；（3）Ag納米片粗糙表面上“熱點”的偏光方向隨機取向，導(dǎo)致Ag納米片上多個“熱點”對偏光的總貢獻呈各向同性［39，40］，使得AgNS@NWF具有良好的信號可重現(xiàn)性.

為了進一步評估AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底在低活性小分子檢測中的實際應(yīng)用，選用3MPA和三聚氰胺作為檢測分子，實驗方法和SERS測量方法與R6G測量一致.結(jié)果如圖9所示，當(dāng)3MPA的濃度低至1×10-5mol/L時，能檢測到譜帶672 cm-1處的特征拉曼散射峰，濃度下降到1×10-6mol/L，3MPA的特征拉曼散射峰檢測不到，說明AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底對3MPA的檢測限為1×10-5mol/L［圖9（A）］.當(dāng)三聚氰胺的濃度低至1×10-7mol/L時，無法檢測到三聚氰胺的特征拉曼散射峰，當(dāng)三聚氰胺的濃度為1×10-6mol/L時，檢測到譜帶379 cm-1處散射強度較弱的特征峰［圖9（B）］，即AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底對三聚氰胺的檢測限為1×10-6mol/L.AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底之所以能夠?qū)?MPA和三聚氰胺進行微量檢測，其原因在于3MPA分子中的S原子［圖9（A）插圖］和三聚氰胺中的N原子［圖9（B）插圖］含有的孤對電子與Ag之間產(chǎn)生了較強的相互作用，進而發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，使電荷重新分配，引起極化率的變化，導(dǎo)致其拉曼信號化學(xué)增強［41］.3MPA的SERS光譜中762 cm-1處的峰歸屬于C—S伸縮振動，864 cm-1處的峰歸屬于S—H面內(nèi)彎曲振動，1426 cm-1處的峰歸屬于—COO反對稱伸縮振動.三聚氰胺的SERS光譜中379 cm-1處的峰歸屬于C—H變形振動，580 cm-1處的峰歸屬三嗪環(huán)的面外振動模式，676和984 cm-1處的峰歸屬于三聚氰胺中三嗪環(huán)呼吸模式，1561 cm-1處的峰歸屬于C=N的對稱伸縮振動模式［42］.

Fig.9 SERS spectra of 3MPA(A)and melamine(B)adsorbed on AgNS@NWF substrates with different concentrations

3 結(jié) 論

以無紡布纖維作為支撐基體，首先將其置于銀氨溶液中生長出銀晶種，然后以檸檬酸和抗壞血酸作為復(fù)合還原劑將Ag納米片原位組裝在無紡布纖維上，制備了AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu).SEM表征結(jié)果表明，無紡布纖維上的Ag膜由間隙為20～110 nm的Ag納米片組裝而成，生成的納米片在平行方向上局部有序排列，在整個方向上則相互纏繞，Ag膜的這種層級結(jié)構(gòu)具有較大的比表面積，能夠提供更多的活性位點，進而有效地從R6G水溶液中捕獲探針分子，對R6G的最低檢測限可達1×10-10mol/L；當(dāng)R6G水溶液的濃度在1×10-5～1×10-10mol/L范圍依次降低一個數(shù)量級時，譜帶610 cm-1處峰的拉曼散射強度的相對標準偏差分別為3.57%，3.67%，8.46%，14.78%，20.06%和39.31%，優(yōu)于或接近于以往研究，這說明AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的信號可重現(xiàn)性.其原因在于：（1）具有層級結(jié)構(gòu)的AgNS@NWF SERS基底能夠提供更多均勻分布的SERS活性“熱點”；（2）Ag納米片粗糙表面上“熱點”的偏光方向隨機取向，導(dǎo)致Ag納米片上多個“熱點”對偏光的總貢獻呈各向同性.另外，將AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底用于檢測低活性3MPA和三聚氰胺小分子的最低檢測限分別為1×10-5和1×10-6mol/L.采用此方法制備的AgNS@NWF微納結(jié)構(gòu)基底在高靈敏檢測領(lǐng)域中有潛在的應(yīng)用前景.