Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)研究及其SERS性能表征

劉 博

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院， 鄭州 450044)

由于銀納米顆粒具有較強(qiáng)的LSPR活性，且銀的成本低，制備方式簡單多樣，這使得銀成為了最受歡迎的SERS活性襯底材料之一。但是，在研究以銀納米顆粒為襯底的SERS應(yīng)用時(shí)發(fā)現(xiàn)，在納米材料的表面效應(yīng)等因素的影響下，顆粒的化學(xué)穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生氧化和團(tuán)聚，給襯底的制備和保存帶來不便，且會(huì)影響銀納米顆粒的SERS活性。為了解決這一問題，必須對(duì)銀納米顆粒進(jìn)行表面改性，其中常用且有效的方法就是在銀納米顆粒的表面均勻地包覆上一層無機(jī)材料形成核殼結(jié)構(gòu)[1-4]。

目前，針對(duì)核殼型銀納米顆粒SERS襯底制備工藝的研究主要采用的是溶膠-凝膠法和反相微乳法等化學(xué)制備方法。通過化學(xué)法制備得到的核殼結(jié)構(gòu)襯底多以溶膠的形式存在，不利于襯底的運(yùn)輸和保存，也很難實(shí)現(xiàn)與其他光學(xué)系統(tǒng)的集成，且襯底的均勻性及重現(xiàn)性較差，較難實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)的定量分析。因此制備穩(wěn)定性好、一致性高，同時(shí)具有高靈敏度的固態(tài)SERS襯底具有重要的意義[5-8]。

現(xiàn)在針對(duì)銀-無機(jī)材料核殼結(jié)構(gòu)的制備以及研究多是在銀納米顆粒的表面包裹了一層二氧化硅薄膜制成銀包二氧化硅(Ag@SiO2)拉曼探針。二氧化硅材料對(duì)銀納米顆粒襯底的穩(wěn)定性和SERS活性均有很好的增強(qiáng)作用，但二氧化硅薄膜的親水性和介孔結(jié)構(gòu)不利于長時(shí)間的液體環(huán)境檢測且襯底的可重復(fù)利用性差，限制了Ag@SiO2納米結(jié)構(gòu)襯底的應(yīng)用。針對(duì)二氧化硅包覆材料存在的問題，采用聚氯代對(duì)二甲苯(Parylene-C)薄膜對(duì)銀納米顆粒進(jìn)行包覆，闡述了包覆Parylene-C的銀納米顆粒(Ag@Parylene-C)襯底的制備工藝，并對(duì)襯底的形貌和SERS活性進(jìn)行表征。接著將Ag@Parylene-C SERS襯底與微流體溝道集成，研究襯底在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性和可重復(fù)利用性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)的制備與表征

由于Parylene-C薄膜具有優(yōu)良的特性，常常被用來制作Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)。一般通過沉積的方法制備出Parylene-C薄膜，在薄膜的沉積過程中可以通過控制Parylene-C粉粒的量來控制Parylene-C薄膜的厚度，Parylene-C沉積厚度和粉粒質(zhì)量的關(guān)系如表1所示。

表1 Parylene-C沉積厚度隨添加的粉粒質(zhì)量變化

Ag@Parylene-C核殼結(jié)構(gòu)的制備流程如圖1所示：首先是銀納米顆粒薄膜的濺射；然后是對(duì)銀納米顆粒薄膜進(jìn)行退火處理；最后在銀納米顆粒襯底表面包覆Parylene-C薄膜，形成Ag@Parylene-C核殼結(jié)構(gòu)。本研究制備的Ag@Parylene-C核殼結(jié)構(gòu)膜厚分別為20 nm、50 nm、100 nm、400 nm、1 μm。

圖1 Ag@Parylene-C核殼結(jié)構(gòu)制備流程

采用FESEM系統(tǒng)觀察不同厚度Parylene-C薄膜對(duì)銀納米顆粒襯底的包覆效果，如圖2所示，(a)～(f)分別為膜厚為0 nm、20 nm、50 nm、100 nm、400 nm、1 μm的Ag@Parylene-C核殼結(jié)構(gòu)表面形貌圖。從圖2中可以看出，當(dāng)包覆的Parylene-C膜厚為20 nm和50 nm時(shí)，Ag@Parylene-C復(fù)合結(jié)構(gòu)沒有完全形成，Parylene-C薄膜不能把銀納米顆粒完全覆蓋，起不到保護(hù)的作用。當(dāng)Parylene-C薄膜的沉積厚度達(dá)100 nm時(shí)，薄膜的均勻性及一致性都很好，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)銀納米顆粒襯底的完全包覆，且Parylene-C薄膜包覆下的銀納米顆粒的分布均勻，銀納米顆粒襯底的表面形貌沒有因?yàn)镻arylene-C薄膜的沉積而發(fā)生明顯的變化，Parylene-C膜厚分別為100 nm、400 nm和1 μm的銀納米顆粒的截面圖如圖3。

圖2 不同膜厚的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)形貌表征

1.2 Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底SERS性能的表征

本研究主要圍繞Parylene-C薄膜包覆厚度為100 nm以上的Ag@Parylene-C襯底的SERS活性和穩(wěn)定性開展研究。

本文采用結(jié)晶紫分子為探針檢測制備的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的SERS性能。取定量配備好的摩爾濃度為10-6M的結(jié)晶紫溶液分別滴到Parylene-C薄膜厚度為0 nm、100 nm、400 nm、1 μm的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底上，利用拉曼光譜儀收集不同襯底上結(jié)晶紫的拉曼光譜，測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 Ag@Parylene-C膜厚分別為(a)100 nm(b)400 nm(c)1 μm的納米顆粒襯底的截面圖

圖4 不同包覆厚度的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底上結(jié)晶紫的拉曼譜線

對(duì)比圖中不同膜厚的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底對(duì)拉曼信號(hào)的增強(qiáng)效果可以發(fā)現(xiàn)，隨著包覆厚度的增加，結(jié)晶紫的拉曼信號(hào)強(qiáng)度在不斷減小。當(dāng)銀納米顆粒襯底上Parylene-C薄膜的包覆厚度為100 nm時(shí)，襯底上測得的拉曼信號(hào)強(qiáng)度明顯低于未包覆的銀納米顆粒襯底，并且拉曼信號(hào)底噪變大，這說明Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的SERS活性有所降低。當(dāng)銀納米顆粒襯底上Parylene-C薄膜的包覆厚度增加到400 nm，檢測到的結(jié)晶紫的拉曼信號(hào)很弱，但仍能辨認(rèn)出結(jié)晶紫的拉曼特征峰。當(dāng)Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)的膜厚繼續(xù)增加到1 μm時(shí)，已經(jīng)檢測不到結(jié)晶紫分子的拉曼信號(hào)，包覆在銀納米顆粒上的Parylene-C薄膜把銀納米顆粒襯底的SERS活性完全掩蓋，Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底對(duì)拉曼信號(hào)的增強(qiáng)作用消失。這是由銀納米顆粒表面電磁場的高度局域性造成的，Parylene-C薄膜厚度的不斷增加使結(jié)晶紫分子距離銀納米顆粒表面越來越遠(yuǎn)，分子周圍的表面電磁場強(qiáng)度呈指數(shù)衰減，不能對(duì)結(jié)晶紫的拉曼信號(hào)產(chǎn)生有效的增強(qiáng)，因此拉曼信號(hào)強(qiáng)度隨著膜厚的增加急劇減小。

通過對(duì)不同包覆厚度的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的表面形貌以及SERS活性的表征，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)當(dāng)Parylene-C薄膜的包覆厚度為100 nm時(shí)，其不但具有較好的包覆效果，并且SERS活性也能達(dá)到2×104，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足其SERS在實(shí)際應(yīng)用中的活性強(qiáng)度(實(shí)際應(yīng)用中SERS活性強(qiáng)度達(dá)到1×104即可具有較好的效果)，綜合以上情況，Parylene-C薄膜的包覆厚度為100 nm時(shí)的包覆效果及SERS活性強(qiáng)度最符合實(shí)際應(yīng)用的需求。

1.3 Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的穩(wěn)定性分析

由于Parylene-C薄膜具有很強(qiáng)的疏水性能，能夠很大程度地改善銀納米顆粒襯底在液體環(huán)境檢測過程中的穩(wěn)定性，很好地解決了微流體溝道中流動(dòng)液體對(duì)襯底破壞性較大的問題，同時(shí)不會(huì)讓待檢測溶液對(duì)襯底產(chǎn)生污染，提高了襯底的可重復(fù)利用性[11-12]。

將制備的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底與微流體溝道集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)溝道中通過的溶液的檢測，同時(shí)測試襯底在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性。

微流體溝道的制備及與Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)SERS襯底的集成示意圖如圖5所示。其中倒模所用的材料為聚二甲基硅氧烷前聚體(PDMS)，PDMS薄膜具有強(qiáng)疏水和優(yōu)良的光學(xué)透明性，適用于微流體結(jié)構(gòu)的制備。通過倒模得到的微流體結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示。

圖5 Ag@Parylene C納米結(jié)構(gòu)襯底與微流體溝道的制備粘合示意圖

制備的微流體溝道有3個(gè)入口，一個(gè)出口，入口1用來通入待測液體，入口2用來通入無水乙醇，入口3用來通入去離子水，去離子水和無水乙醇的作用是清洗溝道內(nèi)殘留的檢測溶液。

將一定濃度的結(jié)晶紫溶液通入微流體溝道，檢測SERS基底對(duì)通入液體的拉曼信號(hào)的增強(qiáng)效果。為了檢測Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的可重復(fù)利用性，本文通過熒光顯微鏡記錄了液體通入過程和清洗過程的熒光顯微鏡圖片。如圖6所示，圖6(a)、圖6(b)為結(jié)晶紫溶液通入溝道內(nèi)時(shí)拍到的圖片，圖片中熒光信號(hào)很強(qiáng)，圖6(c)為通入無水乙醇幾秒鐘后的采集到的圖片，無水乙醇的作用是溶解溝道內(nèi)殘留的結(jié)晶紫分子，并將其帶出，可以觀察到圖中的熒光信號(hào)減弱。圖6(d)是通入去離子水時(shí)溝道的顯微鏡圖片，圖中收集不到熒光信號(hào)，說明微流體溝道內(nèi)的結(jié)晶紫溶液已經(jīng)被清洗干凈，不會(huì)對(duì)接下來的測試產(chǎn)生影響。圖6(e)為通入液體前后測得的拉曼信號(hào)圖，其中左上角的插圖是對(duì)原圖中重合曲線的放大，曲線1為通入液體之前微流體溝道的譜線，可以看到?jīng)]有測到任何物質(zhì)的拉曼信號(hào)，說明上一次的測試不會(huì)對(duì)后續(xù)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生影響；曲線2是通入結(jié)晶紫溶液時(shí)測得的拉曼光譜，拉曼信號(hào)很強(qiáng)，說明與微流體結(jié)構(gòu)集成的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底可以實(shí)現(xiàn)對(duì)通入微流體溝道內(nèi)液體的拉曼信號(hào)的有效增強(qiáng)，同時(shí)說明該集成結(jié)構(gòu)具有實(shí)用性；曲線3和曲線4分別為通入無水乙醇和去離子水時(shí)測得的譜線，結(jié)晶紫的拉曼信號(hào)先是減弱，說明此時(shí)溝道內(nèi)仍有殘留的結(jié)晶紫分子，最后結(jié)晶紫的拉曼信號(hào)完全消失，說明經(jīng)無水乙醇和去離子水的清洗襯底上不存在殘留的結(jié)晶紫溶液，從圖7可以看出Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底具有很好的可重復(fù)利用性。

圖6 在微流體溝道通入(a)、(b)結(jié)晶紫溶液；(c)無水乙醇；(d)去離子水的熒光顯微鏡圖。(e)曲線1-4分別為在通入結(jié)晶紫溶液之前，通入結(jié)晶紫溶液時(shí)，通入無水乙醇以及通入去離子水時(shí)收集到的拉曼信號(hào)

然后將摩爾濃度為10-7M、10-8M、10-9M、10-10M的結(jié)晶紫溶液分別注入到微流體溝道，測試與微流體溝道集成的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)SERS襯底的檢測極限。每次注入液體后分三點(diǎn)采集通入液體的拉曼信號(hào)，所得的拉曼譜線如圖7所示。圖7(a)為不同摩爾濃度的結(jié)晶紫溶液的拉曼光譜，為增加數(shù)據(jù)的可靠性，對(duì)每一種濃度測試了3組數(shù)據(jù)。本文將3組數(shù)據(jù)求平均后，根據(jù)波峰1 620 cm-1處拉曼信號(hào)強(qiáng)度隨濃度的變化情況繪制成點(diǎn)圖，如圖7(b)所示。從圖7中可以看出，每一濃度下測得的3組數(shù)據(jù)相差較小，說明襯底具有很好的均勻性和重復(fù)性。隨著結(jié)晶紫溶液濃度的降低，收集到的拉曼信強(qiáng)度也迅速減小，當(dāng)結(jié)晶紫溶液濃度為10-10M時(shí)，結(jié)晶紫的拉曼特征峰，變得不明顯，說明與微流體結(jié)構(gòu)集成的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)SERS襯底對(duì)結(jié)晶紫溶液的檢測限為10-10M。

圖7 與微流體溝道相結(jié)合的Ag@Parylene C納米結(jié)構(gòu)SERS襯底的檢測極限測試不同濃度的結(jié)晶紫溶液的拉曼譜線

通過多次重復(fù)通入待測液體和清洗這一實(shí)驗(yàn)過程來檢測Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)SERS襯底的穩(wěn)定性。將包覆了100 nm Parylene-C薄膜的銀納米顆粒陣列和未包覆的銀納米顆粒陣列分別與微流體溝道集成，然后通入10-6M的結(jié)晶紫溶液，每重復(fù)五次測試一下銀納米顆粒襯底和Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的表面形貌和溝道內(nèi)結(jié)晶紫溶液的拉曼信號(hào)。隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，與微流體溝道集成的銀納米顆粒襯底的表面形貌變化情況如圖8所示，(a)～(f)分別為實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為0次、20次、35次、45次、50次、55次的銀納米顆粒襯底表面形貌的FESEM圖，從圖中可以觀察到，當(dāng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)20次后，部分銀納米顆粒已經(jīng)從硅片上脫落，在重復(fù)次數(shù)為35次時(shí)銀納米顆粒襯底上顆粒數(shù)目已經(jīng)少了近一半，當(dāng)重復(fù)50次后，襯底上的顆粒數(shù)目僅為最初的十分之一，當(dāng)重復(fù)次數(shù)為55次時(shí)，襯底上的納米顆粒幾乎全部消失。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在微流體溝道內(nèi)流動(dòng)的液體會(huì)使襯底上的銀納米顆粒不斷脫離基底表面，銀納米顆粒襯底在應(yīng)用過程中的穩(wěn)定性較差。

隨著實(shí)驗(yàn)次數(shù)的增加，與微流體溝道集成的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的表面形貌變化情況如圖9所示，(a)～(f)分別為選取的重復(fù)次數(shù)為0次、20次、50次、100次、200次、500次時(shí)Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底表面形貌的FESEM圖。從圖中可以看到，當(dāng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為50次時(shí)，襯底上的銀納米顆粒的形貌和密度一直保持不變，Parylene-C薄膜的連續(xù)性也沒有發(fā)生明顯變化；繼續(xù)增加實(shí)驗(yàn)的重復(fù)次數(shù)至200次時(shí)，Parylene-C薄膜出現(xiàn)了沒有銀納米顆粒的縫條，而薄膜完整處的銀納米顆粒分布沒有受到很大影響；當(dāng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)500次時(shí)，Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底表面出現(xiàn)的沒有銀納米顆粒的縫條增多不明顯。

圖8 與微流體溝道集成的銀納米顆粒襯底隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加的表面形貌表征

利用Smile View軟件對(duì)兩種襯底FESEM圖中顆粒的密度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖8中FESEM圖的標(biāo)尺為100 nm，圖9中FESEM圖的標(biāo)尺為200 nm，所得的顆粒密度隨實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)的變化情況如圖10(a)所示。通過對(duì)比兩種襯底上顆粒密度的變化情況可以發(fā)現(xiàn)，包覆了100 nm Parylene-C薄膜的銀納米顆粒襯底的穩(wěn)定性得到了很大的提高，與微流體溝道集成后，襯底的重復(fù)利用次數(shù)由20次增加到了500次，當(dāng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)為500次時(shí)，Ag@Parylene-C襯底上銀納米顆粒的密度的變化在10%以內(nèi)，說明襯底在這一實(shí)驗(yàn)過程中沒有受到具大程度的損壞。

圖9 與微流體溝道集成的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底隨實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加的表面形貌表征

圖10(b)為兩種襯底在重復(fù)通入10-6M結(jié)晶紫溶液的第1次、10次、20次、30次、40次、50次、120次、200次、300次、400次、500次時(shí)拉曼信號(hào)強(qiáng)度的變化圖。從圖10(b)中可以看到，在第一次通入結(jié)晶紫溶液時(shí)，銀納米顆粒襯底的SERS活性明顯強(qiáng)于Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底，但隨著通入結(jié)晶紫溶液然后沖洗這一過程重復(fù)次數(shù)的增加，銀納米顆粒襯底的SERS活性迅速降低。而Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的SERS活性一直保持穩(wěn)定，當(dāng)實(shí)驗(yàn)重復(fù)次數(shù)達(dá)到500次，Ag@Parylene-C基底對(duì)拉曼信號(hào)的增強(qiáng)效果仍很明顯，基底的SERS活性衰減幅度小于10%，這說明比起銀納米顆?；?，Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)基底SERS活性的穩(wěn)定性好，基底的可重復(fù)利用性高。

圖10 (a)兩種襯底的密度變化統(tǒng)計(jì)圖(b)兩種襯底上結(jié)晶紫分子的拉曼信號(hào)強(qiáng)度變化圖

2 結(jié)論

1) 通過對(duì)不同包覆厚度的Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底的表面形貌以及SERS活性的表征對(duì)比得出包覆Parylene-C薄膜的厚度為100 nm時(shí)的效果最好且SERS活性相對(duì)較強(qiáng)。

2) 實(shí)驗(yàn)表明了Parylene-C薄膜的包覆大大提升了銀納米顆粒襯底穩(wěn)定性，與微流體溝道集成后，將襯底的重復(fù)利用次數(shù)由20次增加到了500次，且Ag@Parylene-C納米結(jié)構(gòu)襯底SERS活性的衰減幅度小于10%，大大提高了襯底的可重復(fù)利用性。