付興虎， 王振興， 馬雙玉， 趙 飛， 蘆 鑫， 付廣偉， 金 娃， 畢衛(wèi)紅

燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 河北省特種光纖與光纖傳感重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島 066004

引 言

拉曼光譜是物質(zhì)的一種非彈性散射光譜， 具備非標(biāo)記、 非侵入性、 對(duì)樣品無(wú)損害等優(yōu)點(diǎn)， 能夠反映出分子的結(jié)構(gòu)信息， 且受水分子影響很小， 因此拉曼光譜在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。 然而， 普通拉曼散射光譜存在拉曼信號(hào)弱、 靈敏度低、 熒光干擾強(qiáng)等缺點(diǎn)， 并不能滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。 20世紀(jì)70年代， 表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了拉曼光譜信號(hào)微弱的不足。 1974年， Fleischmann等[2]通過(guò)電化學(xué)法氧化還原粗糙化的銀電極時(shí)， 發(fā)現(xiàn)吡啶分子吸附在粗糙銀表面會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的拉曼信號(hào)， 由此SERS現(xiàn)象首次被觀察到。 由于SERS技術(shù)對(duì)拉曼信號(hào)的顯著放大和高靈敏度， 且它是一種無(wú)需處理樣品的快速檢測(cè)手段， 因此在基礎(chǔ)和實(shí)際應(yīng)用方面引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[3-4]。 隨著光纖制造技術(shù)的高速發(fā)展， 光纖信號(hào)傳輸?shù)男阅鼙粯O大地提高。 近幾年來(lái)， 人們將光纖傳感技術(shù)與SERS光譜技術(shù)相結(jié)合， 制備了光纖SERS探針， 大大提高了被測(cè)樣品的SERS激發(fā)和收集效率。 光纖SERS探針用于SERS光譜可以獲得被測(cè)樣品更為豐富的光譜信息， 在食品安全檢測(cè)[5]、 農(nóng)殘化學(xué)分析[6]、 生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)[7-8]等多種領(lǐng)域， 可實(shí)現(xiàn)低濃度樣品分子的檢測(cè)和SERS信號(hào)原位、 在線及遠(yuǎn)程探測(cè)分析。

光纖SERS探針的制備主要包括溶膠自組裝法、 激光誘導(dǎo)化學(xué)沉積法(LICDM)、 磁控濺射法等。 Yin等[9]基于飛秒激光燒蝕和LICDM制備了具有高性能的新型U形光纖SERS探頭。 以R6G為探針?lè)肿樱?U形光纖SERS探針的靈敏度低至10-8mol·L-1， 比單端面的探針提高了約4倍。 張書(shū)山等[10]通過(guò)溶膠自組裝法將銀納米顆粒組裝到光纖表面， 通過(guò)調(diào)控自組裝時(shí)間為6 h， 得到性能最佳的光纖探針。 以對(duì)巰基苯胺(PATP)作為探針?lè)肿樱?在10-4～10-8mol·L-1范圍內(nèi)利用該光纖探針對(duì)PATP溶液進(jìn)行定量分析， 但是該方法溶膠自組裝時(shí)間較長(zhǎng)， 尋找最佳的光纖SERS探針?biāo)钑r(shí)間較長(zhǎng)。 盛子城等[11]通過(guò)磁控濺射法在空芯微結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)表面修飾一層銀納米膜， 制備成SERS探針， 并用稀釋法配制了不同濃度的R6G酒精溶液， 最后利用空芯光纖探針的近端和遠(yuǎn)端分別探測(cè)到了濃度為10-9與10-6mol·L-1的R6G的拉曼信號(hào)。 為了能夠簡(jiǎn)單、 快速的尋找出增強(qiáng)效果最強(qiáng)時(shí)的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)， 本文提出先采用納米銀溶膠基底檢測(cè)， 再以磁控濺射法制備出高性能的光纖SERS探針。

首先經(jīng)過(guò)氫氟酸(HF)腐蝕出微腔結(jié)構(gòu)， 然后再通過(guò)納米銀溶膠基底與R6G混合找到增強(qiáng)效果最佳時(shí)的微腔腐蝕時(shí)間及長(zhǎng)度； 再采用簡(jiǎn)易磁控濺射法對(duì)光纖微腔結(jié)構(gòu)表面修飾一層納米銀膜； 最后利用R6G溶液作為探針?lè)肿訉?duì)所制備的光纖SERS探針進(jìn)行性能測(cè)試。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑、 儀器及參數(shù)

漸變折射率多模光纖(包層125 μm， 芯徑62.5 μm)購(gòu)于武漢長(zhǎng)飛光纖光纜股份有限公司； HF(40%)， 硝酸銀(99.8%)， 檸檬酸鈉(99%)， 乙醇( 99.7%)， 羅丹明 6G(98%)購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司； 銀靶(直徑： 50.8 mm， 厚度： 3.175 mm， 純度： 99.99%)購(gòu)于中國(guó)材料科技有限公司； 所有溶液制備均使用去離子水(18.25 MΩ)。

實(shí)驗(yàn)使用的拉曼光譜儀為i-RamanPlusTM， 其光譜范圍為0～3 500 cm-1。 i-RamanPlus通過(guò)USB線與電腦上安裝的BWRam4TM軟件進(jìn)行連接。 采用圖1所示的SERS光譜檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)光纖SERS探針性能進(jìn)行測(cè)試， 選擇的激發(fā)光源波長(zhǎng)為785 nm， 標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭輸出的785 nm激光經(jīng)準(zhǔn)直耦合至一段約15 cm長(zhǎng)的光纖探針。 經(jīng)多次測(cè)試， 設(shè)置拉曼光譜儀激光功率百分比為100%(最大激發(fā)功率為300 mW)，每個(gè)樣本掃描10次并取均值作為該樣本光譜數(shù)據(jù)， 積分時(shí)長(zhǎng)設(shè)置為3000 ms， 本實(shí)驗(yàn)所有光譜均以此參數(shù)采集得到。

圖1 微腔型光纖探針的SERS光譜檢測(cè)裝置Fig.1 Experimental device for SERS spectrumdetection of micro-cavity fiber probe

1.2 方法

采用化學(xué)腐蝕法制備微腔型光纖探針結(jié)構(gòu)， 所用的腐蝕液為HF， 再采用物理磁控濺射法制備了銀修飾的光纖SERS探針。 具體實(shí)驗(yàn)操作流程如下：

(1)截取長(zhǎng)度約為15 cm的漸變折射率多模光纖； 光纖過(guò)長(zhǎng)導(dǎo)致光纖固定時(shí)發(fā)生微小偏移； 光纖纖芯較小會(huì)使拉曼光耦合到光纖接收端的耦合效率降低。 光纖一端(活性端)剝?nèi)?.5 cm的涂覆層， 用于制作探針， 另一端(接收端)剝?nèi)? cm的涂覆層， 用于拉曼系統(tǒng)物鏡端的聚焦， 用無(wú)水乙醇擦拭剝?nèi)ネ扛矊拥牟课唬?并用光纖切割刀將兩端切掉， 保證兩端面的平潔， 再次擦拭其表面， 清洗掉光纖上的碎屑；

(2)將適量腐蝕液放入塑料小燒杯中， 自制一個(gè)腐蝕支架， 將10根光纖固定在支架上， 使光纖活性端浸入HF溶液中， 總腐蝕時(shí)間為10 min， 腐蝕期間每隔1 min取出一根光纖， 并放入無(wú)水乙醇溶液中， 防止光纖上殘留的HF繼續(xù)腐蝕光纖。 在顯微鏡下測(cè)量不同微腔長(zhǎng)度， 最終得到如圖2(a)的結(jié)果， 可見(jiàn)光纖微腔長(zhǎng)度隨著腐蝕時(shí)間逐漸增大， 為了進(jìn)一步說(shuō)明微腔長(zhǎng)度隨腐蝕時(shí)間變化的穩(wěn)定性， 圖2(b)為10組光纖微腔平均長(zhǎng)度隨腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律圖。

圖2 微腔長(zhǎng)度隨腐蝕時(shí)間的變化(a)： 顯微鏡圖； (b)： 定量結(jié)果圖Fig.2 The change of micro-cavity length with etching time(a)： Microscope image; (b)： Quantitative result figure

(3)用不同腐蝕時(shí)間的光纖測(cè)試納米銀溶膠與R6G以不同順序及比例混合的液體的SERS增強(qiáng)效果， 得出拉曼信號(hào)增強(qiáng)效果最佳時(shí)混合順序及比例； 隨后以此混合溶液找到SERS增強(qiáng)效果最強(qiáng)的微腔腐蝕時(shí)間及腔長(zhǎng)；

(4)采用磁控濺射法對(duì)腐蝕5 min的光纖活性端表面修飾一層納米銀膜， 濺射時(shí)間為10 min。

光纖微腔傳感區(qū)域的腔長(zhǎng)與腐蝕的時(shí)間有關(guān)， 由于使用的光纖為漸變折射率多模光纖， 纖芯的腐蝕速率比包層快， 所以光纖會(huì)呈現(xiàn)微腔結(jié)構(gòu)。

1.3 探索光纖SERS性能最佳時(shí)的腔長(zhǎng)

以納米銀溶膠和R6G混合法， 探索不同混合順序及比例對(duì)SERS增強(qiáng)效果的影響， 旨在尋找增強(qiáng)效果最佳時(shí)的光纖腐蝕時(shí)間和微腔長(zhǎng)度大小。 采用經(jīng)典Lee&Meisel的化學(xué)加熱法制備納米銀溶膠基底。 將18 mg的硝酸銀和20 mg的檸檬酸鈉分別溶解于100和2 mL的去離子水中， 將檸檬酸鈉溶液加入到煮沸的硝酸銀溶液中加熱再降至室溫留用， 觀察反應(yīng)試劑顏色由無(wú)色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色， 表明納米銀溶膠制備成功。

采用腐蝕時(shí)間為5 min的光纖， 以10-3mol·L-1的R6G溶液為探針?lè)肿樱?將所制備的納米銀溶膠與R6G以不同的混合順序及比例混合成6種不同的溶液(A： 銀溶膠， R： 10-3mol·L-1的R6G溶液； A∶R=1∶1， R∶A=1∶1， A∶R=2∶1， R∶A=2∶1， A∶R=1∶2； R∶A=1∶2)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試， 找到最佳的混合順序及比例。 尋找增強(qiáng)效果最佳時(shí)的混合溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)顯示了6種混合納米銀溶膠基底中濃度為10-3mol·L-1的R6G的拉曼信號(hào)。 R6G在不同混合溶液基底的拉曼信號(hào)強(qiáng)度明顯不同， 可以看出A∶R=1∶1的混合溶液的拉曼信號(hào)增強(qiáng)效果最好。

圖3(b)是選擇以1 510 cm-1為中心的顯著拉曼帶來(lái)定量顯示拉曼信號(hào)增強(qiáng)效果最好時(shí)的納米銀溶膠基底與R6G的混合順序及比例。 顯然， 當(dāng)A∶R=1∶1時(shí)， 混合溶液相比與其他混合溶液獲得了最大的增強(qiáng)效果分別是來(lái)自R∶A=1∶1， R∶A=1∶2， A∶R=2∶1， R∶A=2∶1和A∶R=1∶2的混合溶液的1.07， 1.57， 1.29， 4.20和3.06倍， 說(shuō)明所制備的納米銀溶膠基底具有很強(qiáng)的增強(qiáng)效果。

圖3 尋找拉曼增強(qiáng)效果最佳時(shí)的混合溶液實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)： 納米銀溶膠與R6G的不同混合順序及比例； (b)： 拉曼位移1 510 cm-1處， 不同混合溶液的拉曼強(qiáng)度Fig.3 Experimental results of the mixed solution to find the best enhancement effect(a)： Raman spectra of nano silver sol and R6G solutions mixed with different mix orders and ratios;(b)： Raman intensity of different mixed solutions at Raman shift of 1 510 cm-1

光纖微腔的長(zhǎng)短影響微腔拉曼表面積的大小， 為了選取合適的微腔大小， 采用10-3mol·L-1的R6G溶液為探針?lè)肿优c所制備的納米銀溶膠納米基底以A∶R=1∶1的進(jìn)行混合， 研究光纖微腔長(zhǎng)度對(duì)SERS增強(qiáng)性能的影響。

如圖4(a)所示， 在1 184， 1 311， 1 362， 1 510， 1 575和1 651 cm-1處， 拉曼特征峰清晰可見(jiàn)。 腐蝕時(shí)間1～5 min內(nèi)， 隨著腐蝕時(shí)間的增大， 各特征峰的拉曼強(qiáng)度也不斷增大； 腐蝕時(shí)間在6～10 min內(nèi)， 隨著腐蝕時(shí)間的增大， 各特征峰的拉曼強(qiáng)度不斷減小。 為了更加清晰地看出拉曼強(qiáng)度隨光纖腐蝕時(shí)間的變化規(guī)律， 選擇特征峰在1 510 cm-1處的拉曼強(qiáng)度進(jìn)行分析， 從圖4(b)中可以看出， 在1～5 min內(nèi)， 拉曼強(qiáng)度隨著腐蝕時(shí)間的增加而增大， 當(dāng)腐蝕時(shí)間超過(guò)5 min， 可以觀察到拉曼強(qiáng)度逐漸降低。 因此， 在同一條件下用HF腐蝕的微腔型光纖， 腐蝕時(shí)間為5 min時(shí)的SERS增強(qiáng)效果最佳。

圖4 微腔光纖SERS實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)： 不同腐蝕時(shí)間的光纖微腔SERS結(jié)果； (b)： 拉曼位移1 510 cm-1處， 不同腐蝕時(shí)間的光纖微腔拉曼強(qiáng)度Fig.4 Micro-cavity fiber SERS experiment results(a)： SERS results of optical fiber micro-cavity with different etching time;(b)： Raman intensity of fiber micro-cavity with different etching time at Raman shift of 1 510 cm-1

1.4 光纖SERS基底的制備

本文微腔型光纖SERS探針表面銀納米薄膜的修飾采用的是簡(jiǎn)易物理磁控濺射法， 如圖5所示為Ag/MMF-10基底的制備流程。 制備樣品基底前， 先用酒精清洗微腔光纖結(jié)構(gòu)表面， 去除吸附在光纖表面上的雜質(zhì)。 將制備好的腐蝕時(shí)間為5 min的光纖微腔結(jié)構(gòu)固定在硅片上放入射頻磁控濺射系統(tǒng)中， 在光纖表面濺射銀納米薄膜。 濺射前， 使用氬氣先對(duì)濺射腔內(nèi)進(jìn)行等離子體清洗， 時(shí)間為5 min， 氬氣流速為5 sccm； 濺射時(shí)， 濺射室壓力設(shè)置為35×10-3Pa， 工作電壓為90 V， 工作電流為170 mA； 設(shè)置磁控濺射時(shí)間為10 min。

圖5 物理磁控濺射法對(duì)光纖活性端修飾銀納米顆粒Fig.5 The active fiber tip modified with silver nanoparticles by magnetron sputtering method modified with silver nanoparticles by magnetron sputtering method

2 結(jié)果與討論

由于R6G性質(zhì)穩(wěn)定、 SERS活性較強(qiáng)而被廣泛用于SERS增強(qiáng)效果檢測(cè)。 因此， 本實(shí)驗(yàn)采用R6G溶液表征光纖SERS探針的增強(qiáng)效果。 實(shí)驗(yàn)以去離子水配制了濃度為10-3～10-7mol·L-1的R6G溶液。

2.1 微腔型光纖SERS探針性能測(cè)試

采用磁控濺射法對(duì)腐蝕時(shí)間為5 min的光纖微腔表面修飾納米銀膜， 濺射時(shí)間為10 min， 制備成Ag/MMF-10， 并測(cè)試其在10-3～10-7mol·L-1濃度下對(duì)R6G的靈敏度響應(yīng)。 結(jié)果如圖6所示。

圖6 探針性能實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)： 靈敏度測(cè)試； (b)： 拉曼光譜以1 362 cm-1為中心的logI與logC之間的線性關(guān)系Fig.6 Probe performance results(a)： Sensitivity test; (b)： Linear relationship between logI and logC centered at 1 362 cm-1 in Raman spectrum

在圖6(a)中可以看出拉曼強(qiáng)度隨R6G濃度的降低而衰減。 在1 184和1 510 cm-1處的特征峰即使在10-7mol·L-1的低濃度下也能被識(shí)別， 這表明R6G的檢測(cè)限(LOD)為10-7mol·L-1。 這種較低的LOD可能是特定長(zhǎng)度的光纖微腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的， 合適的微腔長(zhǎng)度會(huì)增大銀納米粒子的附著面積， 進(jìn)而增大拉曼散射面積， 進(jìn)一步增加Ag/MMF-10的LOD。 為了證明Ag/MMF-10基底的定量檢測(cè)能力， 圖6(b)描繪了以1 362 cm-1為中心的拉曼強(qiáng)度作為R6G濃度的函數(shù)。 當(dāng)濃度轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)標(biāo)度時(shí)， logC和logI之間的響應(yīng)呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，R2的值高達(dá)0.980。 這一合理的線性結(jié)果進(jìn)一步證明了基于磁控濺射技術(shù)制備的Ag/MMF-10基底的快速檢測(cè)方法在未知濃度R6G溶液檢測(cè)中具有很強(qiáng)的應(yīng)用潛力。 濃度為10-3～10-7mol·L-1的R6G的不同特征峰處的logC和logI的線性關(guān)系如表1所示。

表1 R6G濃度與R6G特征峰拉曼強(qiáng)度之間的線性關(guān)系Table 1 Linear relationships between R6G concentrations and Raman intensities at characteristic peaks of R6G

一個(gè)良好的SERS基底除了具有高靈敏度外， 還應(yīng)具有再現(xiàn)性等關(guān)鍵性能， 這在很大程度上影響了其可靠性和實(shí)用性。 為了評(píng)估Ag/MMF-10基底的拉曼信號(hào)的再現(xiàn)性， 取13個(gè)同批次的Ag/MMF-10基底分別對(duì)13組濃度為10-4mol·L-1的R6G溶液樣本測(cè)試。 再現(xiàn)性測(cè)試結(jié)果如圖7(a)所示。

圖7(a)為13個(gè)隨機(jī)拉曼光譜， 可以看出光譜的所有形狀匹配良好， 既沒(méi)有位置的移動(dòng)， 也沒(méi)有大幅度的強(qiáng)度明顯變化。 通常， 用拉曼強(qiáng)度的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)值評(píng)估SERS基底的再現(xiàn)性。 SERS檢測(cè)的RSD值小于20%， 表明所使用的基底具有良好的再現(xiàn)性。 RSD值是根據(jù)式(1)[13]計(jì)算的， 表2為R6G的不同主峰處的RSD值， 可以看出所制備的光纖SERS基底具有良好的再現(xiàn)性。

表2 R6G不同主峰的RSD值Table 2 RSD values at different major peaks of R6G

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果(a)： 光纖SERS探針再現(xiàn)性測(cè)試； (b)： 光纖探針與裸光纖測(cè)得的拉曼光譜Fig.7 Experimental results(a)： Reproducibility test of fiber SERS probe; (b)： Raman spectra of fiber probe and bare fiber

2.2 增強(qiáng)因子(AEF)的計(jì)算

通常， 將AEF的計(jì)算數(shù)值作為評(píng)估SERS系統(tǒng)的SERS增強(qiáng)性能。 根據(jù)式(2)[14-15]可計(jì)算AEF值， 通過(guò)AEF值來(lái)定量分析Ag/MMF-10基底的增強(qiáng)效果。

式(2)中， ISERS是吸附在SERS基底上待測(cè)分子的SERS強(qiáng)度； IR表示待測(cè)分子的普通拉曼強(qiáng)度； cSERS是SERS光譜中待測(cè)分子的濃度； cR是普通拉曼光譜中待測(cè)分子的濃度。

圖7(b)中a線為Ag/MMF-10測(cè)得10-6mol·L-1的R6G溶液的光譜， b線為用裸光纖測(cè)得10-1M的R6G的光譜。 可以看出， 由于共振拉曼散射截面比熒光散射截面小很多， 裸光纖測(cè)得了十分微弱的拉曼信號(hào)。 而當(dāng)裸光纖修飾上銀納米顆粒后， 由于金屬顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)， 使得R6G分子的拉曼信號(hào)被極大增強(qiáng)。 在拉曼位移1 510cm-1處， 裸光纖探針上測(cè)試了濃度為10-1mol·L-1的R6G， 拉曼強(qiáng)度為1.88×102， 而在光纖SERS基底上測(cè)得濃度為10-6mol·L-1的R6G的拉曼強(qiáng)度為3.63×103。 經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到AEF的值為1.93×106。 當(dāng)選擇其他拉曼帶時(shí)，AEF的計(jì)算值如表3所示。

表3 以1 184， 1 311， 1 362， 1 575和1 651 cm-1為中心的拉曼光譜帶的AEFsTable 3 AEFs of the Raman band centered at 1 184， 1 311， 1 362， 1 575 and 1 651 cm-1

3 結(jié) 論

先以納米銀溶膠基底與R6G混合找到SERS增強(qiáng)效果最強(qiáng)的光纖微腔結(jié)構(gòu)， 再通過(guò)簡(jiǎn)易直流磁控濺射系統(tǒng)濺射10min， 在光纖活性端表面鍍上銀納米薄膜， 成功獲得Ag/MMF-10襯底。 當(dāng)以R6G為探針?lè)肿訒r(shí)， 具有大量“熱點(diǎn)”的Ag/MMF-10基底顯示，Ag/MMF-10探針的遠(yuǎn)端檢測(cè)限可達(dá)到10-7mol·L-1， 對(duì)濃度為10-6mol·L-1的R6G的AEF高達(dá)2.64×106， 再現(xiàn)性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)的RSD值小于10%， 表明Ag/MMF-10基底具有優(yōu)異的靈敏度和SERS信號(hào)再現(xiàn)性， 在痕量檢測(cè)中具有潛在的應(yīng)用前景。 下一步的實(shí)驗(yàn)將通過(guò)優(yōu)化磁控濺射時(shí)間， 進(jìn)一步提高所制備的光纖SERS基底的檢測(cè)限。