孫 超， 張明楊， 丁建軍， 郭乃宇， 葉 力

（江漢大學(xué)智能制造學(xué)院，武漢 430056）

0 引 言

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）是一種集光學(xué)、電學(xué)的功能強(qiáng)大的檢測(cè)方法，金屬表面產(chǎn)生的SERS增強(qiáng)是由表面等離子體共振引起的。目前SERS的檢測(cè)均勻性、重現(xiàn)性不佳的主要原因就是制備的金屬膠體穩(wěn)定性差，容易聚集，這些缺陷將大大減少SERS的檢測(cè)熱點(diǎn)，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果不穩(wěn)定［1-2］。目前國內(nèi)外在SERS的檢測(cè)研究中，為了實(shí)現(xiàn)基底的可重復(fù)性，有兩種研究思路，一種是優(yōu)化基底材料，如通過化學(xué)反應(yīng)將碳點(diǎn)與Ag納米顆粒結(jié)合形成Ag NPs／CDs的雜化物作為新的表面增強(qiáng)拉曼散射基底［3］，以羅丹明6G、氯苯酚、二氯苯氧乙酸、甲基對(duì)硫磷為研究對(duì)象，形成以ZnO為基底模板，Au包覆TiO2的納米管陣列實(shí)現(xiàn)光催化反應(yīng)［4］；另一種是尋找合適的SERS陣列結(jié)構(gòu)，如采用納米枝晶為陣列［5］，采用了含硼的金剛石為拉曼增強(qiáng)的基底，優(yōu)化的陣列結(jié)構(gòu)可以有效提升快速檢測(cè)結(jié)果的均勻性、一致性、準(zhǔn)確性［6］。

在滅幼脲等農(nóng)藥的痕量檢測(cè)中，一般采用液相色譜法［7］、液相色譜串聯(lián)質(zhì)譜法［8］對(duì)殘留動(dòng)態(tài)進(jìn)行檢測(cè)評(píng)估。這些檢測(cè)方法對(duì)設(shè)備操作要求高，且過程復(fù)雜。本研究設(shè)計(jì)一種合適的基底結(jié)構(gòu)，通過精確控制增強(qiáng)基底陣列納米顆粒之間形成的間隙大小可以產(chǎn)生更高密度的檢測(cè)“熱點(diǎn)”［9］，盡可能地減少膠體穩(wěn)定性差，容易聚集對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，從而具有更好的重現(xiàn)性［10-12］。

1 檢測(cè)原理與仿真研究

根據(jù)表面增強(qiáng)拉曼散射的增強(qiáng)原理，使用碳納米管作為基底材料，將銀溶膠滴在碳納米管制作的基底上，利用碳納米管相比一般材料的比表面積大，同時(shí)間隙更多的特性，擁有更多的‘熱點(diǎn)’，以此提高拉曼光譜檢測(cè)的精度［13-15］。

為了進(jìn)一步研究不同結(jié)構(gòu)的納米基底對(duì)拉曼增強(qiáng)系數(shù)產(chǎn)生的影響，使用仿真軟件模擬多種不同結(jié)構(gòu)的基底在同一光源環(huán)境下散射結(jié)果。采用的仿真軟件為FDTD Solution（Finite Difference Time Domain）是時(shí)域有限差分法，作為一款有限元仿真軟件，核心是在時(shí)間上采用離散方式解麥克斯韋方程，建立所需要的納米結(jié)構(gòu)的模型并設(shè)置好相關(guān)的環(huán)境參數(shù)，就可以使用該軟件來通過觀察基底附近的場(chǎng)強(qiáng)分布來判斷拉曼增強(qiáng)系數(shù)的大小。圖1為球形納米結(jié)構(gòu)的基底圖。

圖1 x-y方向球形納米結(jié)構(gòu)的基底圖

從圖1可知，每個(gè)納米球的半徑為50 nm，所選材料為銀顆粒，相鄰2個(gè)納米球球心的距離為150 nm，納米球陣列是以11×11排列。設(shè)置好相關(guān)的區(qū)域、散射場(chǎng)、光源、監(jiān)視器等參數(shù)的大小后，運(yùn)行計(jì)算，得到了x-z區(qū)域方向的場(chǎng)強(qiáng)大小分布，結(jié)果如圖2所示。

圖2 x-z方向球形納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)分布圖

同樣再構(gòu)造長寬高均為100 nm的正方體，其大小與球體相同，材料也選擇銀顆粒，間距為150 nm，構(gòu)成以11｜×11的陣列，得到的結(jié)構(gòu)如圖3如示。

圖3 正方體形納米結(jié)構(gòu)的基底圖

分析其電場(chǎng)強(qiáng)度的分布，得到的場(chǎng)強(qiáng)圖如圖4所示。

圖4 x-z方向上正方體形納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)分布

通過圖2和圖4仿真結(jié)果的對(duì)比可以看出，球形納米結(jié)構(gòu)和正方體形納米結(jié)構(gòu)在其納米分子附近的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)分布不一致，其中球形納米結(jié)構(gòu)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度更高，這表明僅改變基底的分子結(jié)構(gòu)，也會(huì)對(duì)拉曼增強(qiáng)系數(shù)產(chǎn)生影響。這一仿真結(jié)果也表明衍射電磁場(chǎng)與楔形物的幾何性質(zhì)有關(guān)。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證3D結(jié)構(gòu)相比2D結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，選擇圓形和正方形的2D結(jié)構(gòu)在同一環(huán)境參數(shù)下進(jìn)行仿真計(jì)算，其中圓形結(jié)構(gòu)的基底和場(chǎng)強(qiáng)圖如圖5、6所示。同樣方法畫出正方形結(jié)構(gòu)的基底圖和場(chǎng)強(qiáng)圖，如圖7、8所示。

圖5 圓形納米結(jié)構(gòu)的基底圖

圖7 正方形納米結(jié)構(gòu)的基底圖

可以看到，2D結(jié)構(gòu)相比3D結(jié)構(gòu)（即圓形相比球形，正方形相比正方體），其場(chǎng)強(qiáng)明顯減弱，相關(guān)的拉曼增強(qiáng)系數(shù)也會(huì)降低，即結(jié)構(gòu)合適的3D納米基底是較為理想的實(shí)驗(yàn)材料。

圖6 x-y方向圓形納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)分布

圖8 x-y方向上正方形納米結(jié)構(gòu)的場(chǎng)強(qiáng)分布

2 銀溶膠、基底的制備及SERS測(cè)試

在SERS實(shí)驗(yàn)中，制備出粒徑大小合適的銀溶膠是得到更好的實(shí)驗(yàn)光譜的前提。硝酸銀溶液濃度為0.1 mol／L，先取適量，用水將其稀釋至3 mmol／L的100 mL溶液，然后取0.1 g檸檬酸鈉，加水稀釋成10 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的溶液，至此制備銀溶膠所需的溶液配制完成。

將配制好的銀溶液放入錐形瓶中，在加熱鍋中油浴加熱，待銀溶液沸騰時(shí)，通過玻璃棒緩慢滴加7 mL 1%的檸檬酸鈉，繼續(xù)加熱并用玻璃棒攪拌10 min，停止加熱，將其放置于避光陰涼處，待其冷卻至室溫后，放入冰箱4℃保存。實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果得到如圖9、10所示。銀溶膠為灰綠色的液體，靜置后會(huì)發(fā)生分離為上層清液和下層沉淀，該沉淀為銀溶膠。

圖9 銀溶膠的制備過程

圖10 實(shí)驗(yàn)制備得到的銀溶膠

碳納米管采用超高分辨冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)多壁碳納米管基底和單壁碳納米管基底的結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，探究基底薄膜表面結(jié)構(gòu)的微觀形貌。

本實(shí)驗(yàn)過程使用激光波長為532 nm，波數(shù)范圍λ為100～3 200 cm－1，先將儀器以功率5 mW進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)得到光譜圖的清晰程度進(jìn)行加減。首先直接對(duì)滅幼脲溶液進(jìn)行檢測(cè)，為了防止出現(xiàn)單次實(shí)驗(yàn)誤差，分別對(duì)使用每種農(nóng)藥濃度的基底進(jìn)行3次檢測(cè)，結(jié)果取平均值，觀察拉曼光信號(hào)隨其濃度的變化而產(chǎn)生的變化，得到實(shí)驗(yàn)圖如圖11所示。

圖11 未經(jīng)設(shè)計(jì)的銀溶膠基底滅幼脲試劑拉曼光譜圖（5種不同濃度：5 g／L，1 g／L，100 mg／L，10 mg／L，3 mg／L分別對(duì)應(yīng)B～F）

可以看到5、1、0.1 g／L濃度下，在光譜圖上可以捕捉到比較明顯的波峰，其中在1 693、2 932 cm－1有兩處明顯的拉曼波峰，1 693 cm－1處波峰最高，可以用于滅幼脲定量模型的建立。所以，采用表面增強(qiáng)拉曼散射的方法得到更顯著的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，期望在高的濃度下能得到更加明顯的波峰以及低濃度下得到比較明顯的波峰。基底制備過程先用膠頭滴管取適量的銀溶膠下部分沉淀，滴在載玻片上，為了使銀溶膠相對(duì)均勻，使用另一塊玻璃片左右刮載玻片上的液體，重復(fù)上述操作5次，以供5組濃度的滅幼脲農(nóng)藥使用。然后將基底放入40℃的烘干箱中，約10多min后取出，可以看到在玻璃片上呈現(xiàn)一層薄薄的深灰色的顆粒，以銀溶膠作為表面增強(qiáng)拉曼散射的基底制作完成。用5個(gè)一次性的滴管分別取適量的濃度為5 g／L，1 g／L，100 mg／L，10 mg／L，3 mg／L的滅幼脲試劑，滴在銀溶膠烘干的玻璃片上，放在拉曼光譜儀上檢測(cè)。使用激光波長為532 nm，波數(shù)λ范圍為100～3 200 cm－1，儀器功率5 mW，對(duì)每種農(nóng)藥濃度進(jìn)行3次檢測(cè)，結(jié)果取平均值，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

圖12 經(jīng)設(shè)計(jì)的滅幼脲試劑拉曼光譜圖

由圖11、12對(duì)比可見，采用表面拉曼增強(qiáng)后，得到了更為顯著的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即使在低濃度下，仍然可以得到比較明顯的拉曼光譜圖，其中116，240，1 360，1 560，2 135，2 932 cm－1處在低濃度下都有比較明顯的波峰，在240，1 560，2 932 cm－1處波峰更為明顯，這使得拉曼光譜檢測(cè)滅幼脲有著更為實(shí)際的應(yīng)用前景。

3 以多壁碳納米管為基底材料的表面增強(qiáng)拉曼光譜

為了更進(jìn)一步提升信號(hào)的增強(qiáng)效果，以碳納米管為基底材料制造出3D和陣列狀結(jié)構(gòu)的基板。其原理在于優(yōu)化的陣列結(jié)構(gòu)可以有效提升快速檢測(cè)結(jié)果的均勻性、一致性、準(zhǔn)確性。而增強(qiáng)效果好的陣列都有兩個(gè)特點(diǎn)，①具有高曲率的尖銳尖端，它充當(dāng)“避雷針”；②相鄰金屬納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)之間的納米尺寸的間隙（也稱為納米間隙），間隙越多，比表面積越大，單位面積所吸引的目標(biāo)分子就越多。所以采用新型材料碳納米管為基底，因?yàn)樘技{米管比表面積大，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，且能做出需要的納米級(jí)的分子形狀，可以滿足高曲率的尖端以及盡可能多的分子間隙這兩個(gè)條件。圖13、14為多壁碳納米管垂直陣列的電鏡圖。

圖13 碳納米管的電鏡圖

該碳納米管基底為1 cm×1 cm的矩形，碳納米管直徑約10 nm，高度小于1 mm，基底是硅片。以此為實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)材料，將滅幼脲試劑分散在其表面，輔以銀離子修飾，這里使用了濃度分別為100，10，3 mg／L的滅幼脲試劑，圖15為得到的拉曼光譜圖。

由圖15可得1 560、2 932 cm－1處依然為主要的兩處波峰，下面再將滅幼脲濃度10，3 mg／L試劑得到的拉曼光譜圖，與同濃度的表面增強(qiáng)拉曼光譜圖進(jìn)行比較，得到的結(jié)果如圖16、17所示。

圖14 碳納米管垂直陣列的電鏡圖

圖15 3種不同濃度（100，10，3 mg／L）的滅幼脲試劑的拉曼光譜圖

圖16 滅幼脲濃度為10 mg／L的拉曼光譜圖（E1－多壁碳納米管陣列，E2－末采用碳納米管的對(duì)照組）

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了得到最佳的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析之前先進(jìn)行一次預(yù)處理。這里預(yù)處理的目的是去除譜線的“噪聲”數(shù)據(jù)或使數(shù)據(jù)更便于觀察分析，常用的數(shù)據(jù)預(yù)處理方法有噪聲處理、平滑處理和基線校正處理等。本文采用平滑處理來優(yōu)化得到的拉曼光譜信號(hào)。

圖17 滅幼脲濃度為3 mg／L的拉曼光譜圖（E1－多壁碳納米管陣列，E2－末采用碳納米管的對(duì)照組）

首先將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分為校正集和預(yù)測(cè)集，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中采用滅幼脲濃度為100、10、3 mg／L的溶液在拉曼光譜儀上得到的拉曼光信號(hào)強(qiáng)度，每種滅幼脲試劑有3個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品。根據(jù)9個(gè)樣本的測(cè)量值，采用2∶1的分配方案，從每3個(gè)樣品中選擇2個(gè)為校正集，剩余的1個(gè)為預(yù)測(cè)集，所以校正集由6個(gè)樣品組成，預(yù)測(cè)集由3個(gè)樣品組成，然后分別計(jì)算預(yù)測(cè)集和校正集的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差。

采用數(shù)據(jù)平滑和基線校正處理數(shù)據(jù)集，實(shí)驗(yàn)對(duì)象為滅幼脲濃度為100、10、3 mg／L的溶液通過拉曼光譜儀在單壁碳納米管為基底上得到的拉曼信號(hào)。

表2 數(shù)據(jù)平滑預(yù)處理后預(yù)測(cè)集擬合得到的相關(guān)系數(shù)

從表1、2可以看到，采用平滑處理的預(yù)處理方法得到的預(yù)測(cè)結(jié)果，校正集經(jīng)數(shù)據(jù)平滑處理后，相關(guān)系數(shù)為0.977，預(yù)測(cè)集經(jīng)數(shù)據(jù)平滑處理后，相關(guān)系數(shù)為0.969；最終計(jì)算得出較高的相關(guān)系數(shù)和較低的均方根誤差表明，采用單壁碳納米管這一材料作為檢測(cè)滅幼脲殘留的表面增強(qiáng)拉曼基底可以滿足滅幼脲濃度檢測(cè)精度要求的。

表1 數(shù)據(jù)平滑預(yù)處理后校正集擬合得到的相關(guān)系數(shù)

5 結(jié) 語

本文為檢測(cè)痕量的農(nóng)藥滅幼脲含量，設(shè)計(jì)制備了一種基于SERS的三維增強(qiáng)基底，該結(jié)構(gòu)有著更好的拉曼增強(qiáng)效果，這是因?yàn)?D的納米結(jié)構(gòu)比表面積更大，結(jié)構(gòu)也更穩(wěn)定，吸附待測(cè)分子的能力顯著，獲取的SERS信號(hào)穩(wěn)定性和均勻性更好。同時(shí)，以銀離子作為基底的材料的支撐物，通過精確控制增強(qiáng)基底陣列納米顆粒之間形成的間隙大小可以產(chǎn)生更高密度的檢測(cè)“熱點(diǎn)”，從而具有更好的重現(xiàn)性。

理論仿真分析和實(shí)驗(yàn)可以看出增強(qiáng)效果好的陣列大致都有兩個(gè)特點(diǎn)：①具有高曲率的尖銳尖端，它充當(dāng)“避雷針”；②相鄰金屬納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)之間的納米尺寸的間隙，間隙越多，比表面積越大，單位面積所吸引的目標(biāo)分子就越多。