范婷婷，黃小巧，吳康，蔡莉，李中波

(安徽農業(yè)大學輕紡工程與藝術學院，合肥 241000)

1 引言

基于表面增強拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，簡稱SERS)效應的檢測技術能夠實現(xiàn)對目標分析物的單分子檢測，自發(fā)現(xiàn)以來已經發(fā)展成為最具潛力的光譜分析技術之一[1-3]。由于該技術具有檢測靈敏度高、選擇性好、指紋識別特性、能夠實現(xiàn)快速檢測且樣品無需前處理等特點，已經廣泛應用于食品安全、環(huán)境監(jiān)測、化學分析、材料科學、生物醫(yī)學等眾多領域[4-10]?；赟ERS效應實現(xiàn)檢測的前提是制備出簡單可控、信號均勻穩(wěn)定的基底。產生SERS 效應的原因是材料(主要是貴金屬，如金、銀、銅)表面產生的局域電磁場增強作用(物理增強)以及半導體與表面吸附分子之間的化學作用(化學增強)，因此半導體/貴金屬復合材料成為目前SERS襯底的研究熱點[11-14]。雖然半導體材料對吸附于其表面分子的SERS增強效果要弱于貴金屬納米顆粒的增強效果，但半導體可以通過配位鍵的方式吸附有機分子，具有很強的捕獲探測分子能力[15-18]。此外，半導體材料容易通過各種制備手段獲得不同結構的納米級粗糙表面，這也有利于吸附探測分子[19]。若能夠利用半導體材料對探測分子有較強的捕獲能力，將具有高穩(wěn)定性探測分子束縛到貴金屬納米材料形成的熱點(hot spots)上，那將能有效地提高SERS襯底的探測極限，實現(xiàn)對探測分子進行痕量探測的目標。

目前，對于半導體/貴金屬復合材料的制備已經展開了多方面的研究。例如，Liu等[20]采用溶膠-凝膠法制備柔性SiO2氣凝膠，后將TiO2引入到柔性SiO2氣凝膠骨架中，并進一步修飾銀納米粒子，得到SiO2-TiO2-Ag(STAHA)氣凝膠柔性SERS襯底，這種柔性STAHA襯底豐富了SERS基底的類型，且具有良好的SERS活性及長期檢測靈敏性，但是氣凝膠的多孔結構形貌難以調控，因此襯底的SERS信號均勻性還有待進一步提高。Liu等[21]以氮化鎵(GaON)納米片為支架，涂覆銀納米顆粒后，得到具有可回收性的三維Ag/GaON納米片復合SERS襯底，這種襯底具有良好的SERS活性和自清潔特性，且可回收利用，然而其制備過程較復雜，涉及多步反應，不適合大規(guī)模生產。Wang等[22]通過簡單的光催化制備了穩(wěn)定潔凈的三維花狀ZnO/Ag多級微結構SERS襯底，這種合成方法簡單，可用于大規(guī)模生產應用，但制備的團簇結構尺寸較大，且分散不均，難以保證襯底SERS信號的空間均勻性。所以，發(fā)展一種過程簡單、形貌可控且均勻的半導體/貴金屬復合材料SERS襯底的制備方法，具有重要意義。

氧化鐵(Fe2O3)是一種典型的n型半導體材料，帶隙為2.2 eV，其制備成本低，具有高耐腐蝕性和環(huán)境友好性，在催化、氣體傳感、電磁、光學等方面被廣泛應用。本文首先通過簡單的模板法，制備了具有高度有序的聚丙烯腈(PAN)納米柱陣列薄膜，結合水熱法在PAN納米柱陣列薄膜表面生長有序的α-Fe2O3納米棒陣列，最后通過簡單的離子濺射進一步在Fe2O3納米棒表面修飾Ag納米顆粒，成功制備了大規(guī)模的Fe2O3@Ag納米棒復合結構陣列基底。制備的Fe2O3納米棒互相交錯，有助于吸附檢測分子。同時納米棒結構間存在的納米間隙，能夠提供豐富的“熱點”，從而提高基底的SERS活性。據文獻報道，通過水熱法制備的α-Fe2O3具有疏松多孔的結構，能夠對待測分子起到富集的作用，從而提高襯底的檢測靈敏性。此外，高度有序的PAN納米柱陣列薄膜保證了基底的信號均勻性，有望在實際環(huán)境檢測中表現(xiàn)出良好的潛力。

2 實驗材料與方法

2.1 實驗材料與設備

實驗材料：聚丙烯腈(PAN)，(Mw 150000)分析純，默克Sigma-Aldrich化學試劑公司；無水硫酸(Na2SO4)，分析純，煙臺市雙雙化工有限公司；六水合三氯化鐵(FeCl3·6H2O)，分析純，西隴科學股份有限公司；N,N-二甲基甲酰胺(DMF)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；無水乙醇，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；丙酮，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；羅丹明6G(R6G)，分析純，上海麥克林生化科技有限公司；4-氨基苯硫酚(4-ATP)，分析純，薩恩化學(上海)科技有限公司；去離子水，實驗室自制。所有試劑在使用時均沒有經過進一步純化。

表征設備：采用S-4800 型掃描電子顯微鏡(日本日立公司)觀察樣品形貌，噴金時間60 s。采用HT-7700型(日本日立公司)透射電子顯微鏡觀察樣品微觀形貌，裁取4 mm×6 mm的樣品放入離心管，滴加2 mL乙醇溶液超聲2 min，將超聲后的溶液滴加至銅網表面，置于紅外燈下干燥2 min再進一步觀察。采用X-Max N 150型牛津X射線能譜儀對樣品的元素組成、化學組成進行表征。采用XD6型X射線衍射儀(北京普析通用儀器有限公司)對樣品結構進行表征，電壓36 kV，電流30 mA，2θ為5°到80°，掃描速率為4°/min。采用UV-4802S型紫外可見分光光度計(上海尤尼柯儀器有限公司)對薄膜的光學性能進行表征。

2.2 實驗過程與方法

第一步，PAN納米柱陣列薄膜的制備。將2 g PAN粉末溶解于23 mL DMF溶劑中保持60℃攪拌30 min，超聲10 min后，得到8 wt%的PAN溶液。將0.25 mL制備好的PAN溶液均勻地涂覆在具有有序納米孔陣列的硅模板上，放入70℃的烘箱中干燥30 min，去除溶劑。最后，將由納米柱陣列組成的固化PAN薄膜脫模并直接轉移到載玻片上，得到PAN納米柱結構陣列薄膜。

第二步，F(xiàn)e2O3納米棒陣列的制備。首先，將制備的PAN納米柱結構陣列薄膜置于離子濺射儀腔體內，放置在金靶下方約2 cm的位置，設置濺射電流密度為40 mA/cm2，濺射時間4 min，得到金納米顆粒濺射的PAN納米柱結構陣列薄膜。然后，將0.541 g FeCl3·6H2O和0.284 g Na2SO4溶于50 mL去離子水中，并轉移至內含聚四氟乙烯內襯的高壓釜中。將金納米顆粒濺射的PAN納米柱結構陣列薄膜放置于上述混合溶液中，然后將高壓釜擰緊密封，在120℃的烘箱中反應2 h后用鑷子小心取出。最后，用去離子水反復沖洗幾次后放置于60℃烘箱中干燥12 h。

第三步，F(xiàn)e2O3@Ag納米棒復合SERS基底的制備。將上一步制備的Fe2O3納米棒陣列薄膜置于離子濺射儀中，濺射電流密度為40 mA/cm2，控制濺射時間，制備得到Fe2O3@Ag納米棒復合SERS基底。

2.3 SERS性能測試

采用R6G和4-ATP為探針分子，分別以去離子水和乙醇為溶劑配制不同濃度的R6G和4-ATP溶液，在共焦拉曼光譜儀(Renishaw，inVia 50X物鏡)上獲得拉曼光譜。在SERS測量之前，將制備好的基底放置于1 mL不同濃度的R6G和4-ATP溶液中，并在黑暗條件下浸泡10 h，取出用去離子水反復沖洗2～3次，在室溫下自然晾干。對于R6G的SERS測量，使用532 nm激光器，激發(fā)功率設定為5 mW。對于4-ATP的SERS測量，使用785 nm的激光器，激發(fā)功率為10 mW。曝光時間均設置為2 s。

3 結果與討論

3.1 形貌分析

圖1為不同產物的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。圖1(a)和(b)為通過模板法制備的大規(guī)模均勻有序的PAN納米柱陣列結構薄膜的SEM照片，結果證明已經成功地獲得了大面積有序的納米柱陣列。高放大倍數的SEM圖像顯示相鄰納米柱中心間距為約1500 nm，PAN納米柱的直徑約550 nm(圖1b)。圖1(c)和(d)為水熱反應2 h后制備的Fe2O3納米棒結構陣列的SEM照片。從圖中可以看出Fe2O3納米棒覆蓋整個PAN納米柱陣列膜表面(圖1c)，且制備的Fe2O3納米棒形成大范圍內分布均勻的、具有一定周期性的團簇結構陣列，這與PAN納米柱陣列結構一致。相鄰納米棒團簇間隙清晰可見，形貌近似納米花結構。進一步觀察高倍率的SEM圖(圖1d)發(fā)現(xiàn)單根納米棒大小均一，呈規(guī)則的棒狀結構，且圍繞一個中心呈放射狀生長，進一步形成納米棒團簇結構，單簇納米棒的平均直徑約為750 nm。這主要是由于使用的PAN薄膜基底材料具有均勻有序的納米柱陣列結構，F(xiàn)e2O3納米棒在PAN薄膜表面生長并覆蓋整個PAN薄膜，凸起的PAN納米柱為Fe2O3納米棒的生長提供了中心位點，單根Fe2O3納米棒圍繞PAN納米柱生長，進而形成大規(guī)模的Fe2O3納米棒團簇陣列結構。圖1(e)和(f)為在制備的Fe2O3納米棒表面濺射了Ag納米顆粒4 min后所得到樣品的SEM照片。從圖片中可以看出，F(xiàn)e2O3納米棒表面濺射Ag納米顆粒后，單根納米棒尺寸明顯增加，而納米棒團簇間隙減小，棒與棒之間相互交錯，樣品表面總體仍然呈現(xiàn)大規(guī)模納米棒狀結構(圖1e)。圖1(f)清楚地展示了Ag納米顆粒均勻包覆在Fe2O3納米棒表面，納米棒直徑明顯增加。大量緊密相連的Ag納米顆粒在Fe2O3納米棒表面的均勻分布，有助于提高SERS基底的均勻性。而單根Fe2O3納米棒間與相鄰Fe2O3納米棒團簇間存在的大量間隙，不僅有利于捕獲待檢測分子，而且相鄰Fe2O3納米棒上的Ag納米顆粒可以產生高密度的納米間隙，能夠對基底的SERS性能起到一定的增強作用，也為實現(xiàn)豐富的SERS“熱點”提供了可能。通過TEM和能量色散X射線光譜(EDS)對Fe2O3納米棒和Fe2O3@Ag納米棒復合陣列基底的形貌結構及元素組成進行進一步研究，結果如下圖2所示。圖2(a)為水熱反應2 h后得到的單根Fe2O3納米棒的TEM照片，從該圖中可以看出所得到的水熱產物為明顯的多孔棒狀結構，表面粗糙，長度約為300 nm，直徑約為50 nm，進一步驗證了水熱反應后的Fe2O3為納米棒狀結構。圖2(b)為單根Fe2O3納米棒濺射Ag納米顆粒之后得到的TEM照片，從圖中可以看出樣品總體仍然呈現(xiàn)棒狀結構，但是納米棒表面均勻負載了大量凸起的Ag納米顆粒，這些Ag納米顆粒的平均尺寸約為5～30 nm(圖2b)。圖2(c)和(d)分別為Fe2O3納米棒及Fe2O3@Ag納米棒復合結構陣列的EDS元素圖譜，從圖譜中可以看出，水熱反應后的產物主要由O、Fe、Au、C等元素組成，驗證了產物主要為Fe2O3納米棒。而濺射Ag納米顆粒后，在原有元素的基礎上，譜圖中還出現(xiàn)了Ag元素的峰(圖2d)，且在樣品元素組成中占比較高，說明Ag納米顆粒已經成功修飾在Fe2O3納米棒上。TEM結果和EDS能譜都進一步證明了基于Ag納米顆粒修飾的Fe2O3納米棒結構陣列SERS基底的成功制備。

圖1 PAN納米柱陣列、水熱反應2 h后制備的Fe2O3納米棒和濺射Ag納米顆粒4 min后制備的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的SEM圖

圖2 對應圖1d和圖1f制備的Fe2O3納米棒及Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的TEM圖像和EDS能譜

圖3為Fe2O3@Ag納米棒復合結構陣列的XRD圖譜，在2θ角為33.3°、35.3°、41.2°、55.1°和62.6°處的衍射峰，主要歸屬于Fe2O3的(014)、(110)、(113)、(116)和(214)晶面，這與文獻報道的結果基本一致[16，19，23]。產物XRD譜線中雖然沒有其它氧化態(tài)的Fe的雜質峰被觀察到，表明通過水熱反應合成的Fe2O3具有較高的純凈度，但是衍射峰不夠銳利，結晶性較差。此外，譜線中出現(xiàn)了銳利的Ag的特征衍射峰，在2θ角為38.08°、44.08°和64.5°處，分別對應銀的(111)、(200)和(220)晶面[24]。

圖3 Fe2O3@Ag納米棒復合結構陣列的XRD圖譜

為了研究Fe2O3@Ag納米棒復合陣列SERS基底的光學性能，用紫外-可見光漫反射光譜儀(UV-vis)對其吸收光譜進行了測試。圖4中譜線分別為Fe2O3納米棒陣列和不同Ag納米顆粒濺射時間所得的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的UV-vis光譜。從該圖中可以看出，F(xiàn)e2O3納米棒陣列樣品在300～700 nm范圍內具有較寬的光學吸收峰，在490 nm附近有明顯的吸收峰，這歸因于Fe-Fe鍵的d-d躍遷[25，26]。濺射Ag納米顆粒后，可以觀察到在350～550 nm范圍內有較寬的吸收帶。隨著濺射時間的延長，Ag納米顆粒的逐漸增多，Ag納米顆粒間相互耦合，F(xiàn)e2O3@Ag納米棒復合陣列在350～380 nm處出現(xiàn)弱的吸收峰，且發(fā)生紅移現(xiàn)象。

圖4 水熱反應2 h制備的Fe2O3納米棒和濺射不同時間Ag納米顆粒后的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的UV-vis圖譜

3.2 基底的條件優(yōu)化

為了獲得靈敏度高、信號均勻性好的SERS基底，通過調整Ag納米顆粒濺射時間，對Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的形貌進行了調控，進而實現(xiàn)對基底的SERS性能的優(yōu)化。

圖5為不同濺射時間條件下獲得的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的SEM圖像。從圖中可以看出，當濺射時間為4 min時，Ag納米顆粒均勻地包覆在納米棒表面，可以清楚分辨單個的納米棒團簇。因此，與Fe2O3納米棒團簇陣列結構相比，濺射4 min Ag納米顆粒后，基底表面仍然呈現(xiàn)具有一定周期性的大規(guī)模納米棒團簇陣列結構(圖5a)。此外，對比Fe2O3納米棒，濺射Ag納米顆粒后，F(xiàn)e2O3@Ag納米棒尺寸明顯增大，單根納米棒的平均直徑約為75 nm(圖5b)。延長濺射時間至8 min(圖5c)，相鄰Fe2O3@Ag納米棒團簇的間隙明顯減小甚至消失。放大樣品至10萬倍(圖5d)，可以觀察到Fe2O3納米棒表面更加粗糙，此時單根納米棒平均直徑約為90 nm。當濺射時間為12 min時(圖5e)，F(xiàn)e2O3納米棒上附著的Ag層明顯變厚，靠近PAN薄膜基材生長的底部Fe2O3納米棒已經被完全覆蓋。高倍率SEM圖像顯示(圖5f)，單簇納米棒中的細微結構減少，相鄰Fe2O3納米棒間出現(xiàn)相互連接的現(xiàn)象，單根納米棒平均直徑增加至120 nm。繼續(xù)延長濺射時間至16 min(圖5g), Fe2O3納米棒表面更加粗糙，相鄰的單根納米棒之間間隙進一步減小，F(xiàn)e2O3納米棒間相互交錯在一起的現(xiàn)象增加，復合納米棒形狀較之前變得更加不規(guī)則，頂端呈現(xiàn)“蘑菇云”狀，直徑明顯增大，平均直徑達到135 nm左右(圖5h)。

圖5 不同濺射時間下獲得的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列的SEM圖像：(a)(b)4 min；(c)(d)8 min；(e)(f)12 min；(g)(h)16 min；插圖為相應樣品的高倍率SEM圖像

以10-6M R6G為SERS探針分子，對不同濺射時間條件下制備的Fe2O3@Ag納米棒復合陣列基底的SERS性能進行檢測，結果如圖6所示。隨著Ag納米顆粒濺射時間的延長，基底的SERS活性逐漸增強。當濺射時間為4 min時，直徑約為5 nm的Ag納米顆粒修飾在Fe2O3納米棒的表面。此時單根Fe2O3納米棒和單簇Fe2O3納米花之間的間隙都較大，且納米棒的表面附著的Ag納米顆粒含量相對較少，Ag納米顆粒之間的間隙難以形成有效的活性位點，導致SERS活性較差。隨著濺射時間增加到8 min，更多的Ag納米顆粒被修飾到Fe2O3納米棒上，F(xiàn)e2O3納米棒表面變得更加粗糙，且相鄰納米棒間隙減小(圖5d)，單根Fe2O3納米棒上相鄰的Ag納米顆粒之間出現(xiàn)納米間隙，可以產生活性點，使得基底的SERS信號得到一定程度的提高。當濺射時間為12 min時，相鄰納米棒間隙繼續(xù)減小，部分納米棒間開始出現(xiàn)相互交聯(lián)現(xiàn)象，有助于單根以及相鄰Fe2O3納米棒上的Ag納米顆粒間的耦合效應，使得SERS信號進一步增強。繼續(xù)延長濺射時間至16 min，F(xiàn)e2O3納米棒表面更加粗糙，相鄰納米棒間納米間隙明顯變窄，單根Fe2O3納米棒以及相鄰Fe2O3納米棒上Ag納米顆粒之間都會發(fā)生耦合效應，提供了豐富的SERS“熱點”。此外，納米棒間存在的大量納米縫隙，也有助于吸附檢測分子，從而進一步增強基底的SERS信號。

圖6 水熱反應2 h后濺射不同時間Ag納米顆粒的Fe2O3@Ag納米棒復合基底檢測10-6M R6G的SERS光譜圖

3.3 基底的SERS信號均勻性

制備基底的SERS信號均勻性是基底實際應用中的一項重要指標。以10-6M 4-ATP作為探針分子，對基底的SERS信號均勻性進行了研究。圖7(a)為在基底上隨機取得20個點獲得的拉曼光譜，結果表明，4-ATP在Fe2O3@Ag納米棒復合基底上的SERS增強效果具有良好的一致性，且SERS活性較高。此外，對獲得的拉曼光譜在1078 cm-1處特征峰的信號強度進行統(tǒng)計分析(圖7b)，計算得到其相對標準偏差(RSD)為7.5%，表明基底具有良好的信號均勻性，這歸因于制備的Fe2O3@Ag納米棒具有均勻有序的結構特征。實驗證明，制備的大規(guī)模Fe2O3@Ag納米棒復合基底具有良好的均勻性，有助于實現(xiàn)在分析和傳感中的應用。

3.4 基底的SERS靈敏性

為進一步探究Fe2O3@Ag納米棒復合基底的靈敏性，將基底分別放入不同濃度的溶液后，得到的SERS光譜如圖8所示。隨著探針分子濃度的降低，獲得的SERS信號也隨之降低。而當R6G濃度低至10-10M時，仍可以明顯觀察到位于612 cm-1(C-C-C環(huán)面內彎曲模式)、772 cm-1(C-H面外彎曲模式)和1365 cm-1(芳香C-C拉伸振動)處的特征峰，顯示出高質量的SERS信號[27-29]。對于4-ATP分子，當4-ATP濃度為10-9M時，1075 cm-1(C-S拉伸振動)和1590 cm-1(C-C平面拉伸振動)處的特征峰仍可以清楚地觀察到[30，31]。結果表明，制備的Fe2O3@Ag納米棒陣列復合SERS基底具有良好的靈敏性，在環(huán)境污染物痕量檢測中具有潛在的應用前景。

4 結論

以PAN納米柱有序陣列薄膜為基材，結合水熱法以及離子濺射方法成功地制備了大規(guī)模分布均勻、形貌均一的Fe2O3@Ag納米棒復合基底。制備的基底具有三維納米棒結構，納米棒上Ag納米粒子間隙和納米棒間隙間電磁場耦合有利于形成“熱點”效應，極大地增強了SERS活性，通過調控濺射時間，可以實現(xiàn)基底SERS性能的調控。對不同濃度的R6G和4-ATP進行靈敏度檢測，檢測限分別可以達到10-10M和10-9M。以10-6M的4-ATP為探針分子，進一步計算基底的RSD為7.5%。結果表明，該基底具有優(yōu)異的SERS性能及良好的信號均勻性，在實際環(huán)境檢測和生產應用中具有良好的潛力。