基于納米錐森林結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射透明器件研究

趙 倩，楊宇東，桂 博，毛海央，2，3*，李銳銳，陳大鵬，2，3

1. 中國(guó)科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，北京 100029 2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 無(wú)錫物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 無(wú)錫 214135

引 言

自20世紀(jì)70年代表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，因其具有超靈敏、無(wú)損和實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，如DNA測(cè)序、農(nóng)藥殘留測(cè)試、環(huán)境監(jiān)測(cè)等[1-3]。

目前，針對(duì)SERS的大部分研究都圍繞著非透明基底的器件展開，比如硅基SERS器件，石墨烯基SERS器件等等[4-7]。 然而，此類非透明SERS器件在應(yīng)用時(shí)，激光只能從正面入射，即試劑分子與入射激光束位于同一側(cè)。 在這種情況下，可能存在以下幾個(gè)問題： (1)當(dāng)被測(cè)試劑分子濃度較高或者體積較大時(shí)，入射激光需要穿透試劑分子層才能到達(dá)下面的金屬納米結(jié)構(gòu)表面，而試劑分子層會(huì)吸收一部分激光能量甚至完全遮擋激光穿透，所以用于激發(fā)金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振(SPR)的激光能量被減弱，相應(yīng)地，收集的SERS光譜信號(hào)也被減弱，甚至完全無(wú)法檢測(cè)到SERS光譜信號(hào)[8]。 (2)當(dāng)此類非透明SERS器件被進(jìn)一步集成到微流控芯片上時(shí)，流體層以及蓋片層對(duì)入射激光以及SERS光譜信號(hào)將有進(jìn)一步干擾[6]。 相比之下，如果使用透明的SERS器件，使用時(shí)，將被測(cè)試劑分子置于器件正面，拉曼激光從背面入射，此時(shí)試劑分子層、液體層、蓋片層對(duì)入射激光和散射的SERS光譜信號(hào)干擾最小。 這種情況下，只要器件的透明基底對(duì)入射激光的透過率足夠高，絕大多數(shù)入射激光就可以在金屬納米結(jié)構(gòu)表面激發(fā)SPR，而且返回電荷耦合元件(CCD)的SERS信號(hào)也只需要經(jīng)過透明基底，從而得到較好的檢測(cè)效果。

為了實(shí)現(xiàn)SERS透明器件，已有研究采用PDMS、玻璃、石英[8-10]等材料作為器件的基底。 相比不夠耐高溫的PDMS和透明度有限的玻璃，石英既具有耐高溫的特點(diǎn)，也具有優(yōu)良的透光率。 可見，石英是一種具備優(yōu)良潛力的SERS透明器件的基底材料。 然而，基于石英基底的透明納米結(jié)構(gòu)的制備卻存在各種挑戰(zhàn)。 例如，利用氣-液-固(VLS)化學(xué)合成生長(zhǎng)法，可以獲得二氧化硅納米線，配合銀鏡反應(yīng)可以在納米線上附著大密度的金屬顆粒，然而，VLS方法在使用過程中通常需要設(shè)置金屬催化層，進(jìn)而增加了工藝的復(fù)雜程度[8]。 多孔陽(yáng)極氧化鋁(AAO)模板法是一種可用于制備大面積納米結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單、廉價(jià)、有效的方法，但存在制備周期長(zhǎng)的問題[11]。 納米小球刻蝕(NSL)技術(shù)可制備出高度有序、致密、可重復(fù)性高且結(jié)構(gòu)可控的納米陣列結(jié)構(gòu)[12]。 然而，NSL技術(shù)的實(shí)施首先需要實(shí)現(xiàn)納米小球的大面積單層分布，這在操作中有一定困難。

針對(duì)以上問題，本文基于一種常規(guī)干法去膠工藝提出了一種可用于制備石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的新型工藝方法。 通過在所制備的石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上濺射金屬納米顆粒，獲得了開放式的SERS透明器件。 為了研究SERS透明器件的實(shí)際檢測(cè)能力，將不同濃度的羅丹明6G(R6G)液滴滴在SERS透明器件的正面上，使液滴在器件表面自然擴(kuò)散并且溶劑完全蒸發(fā)。 然后，激光分別從正面和背面入射，進(jìn)行測(cè)量。 對(duì)于所制備的這種SERS透明器件，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面入射的結(jié)果優(yōu)于正面入射，這擴(kuò)展了SERS這一技術(shù)在較高濃度分析物檢測(cè)中的應(yīng)用。 此外，本文進(jìn)一步研究了該SERS透明器件背面檢測(cè)的一致性，得到了良好的結(jié)果，證明了其在實(shí)際生化檢測(cè)中的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料儀器

實(shí)驗(yàn)中用到的四寸雙拋石英片JGS2購(gòu)置于上海高施光電有限公司，厚度為500 μm。 聚酰亞胺(PI)光刻膠ZKPI-5400來自于北京波米科技有限公司。 R6G購(gòu)自北京百靈威科技有限公司，分子式為 C28H31N2O3Cl，分子量為479.01。 熱板PHP-8和勻膠機(jī)RC-150購(gòu)置于蘇州美圖半導(dǎo)體技術(shù)有限公司。 反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE-100由中國(guó)科學(xué)院微電子研究所研制。 高分辨率掃描電子顯微鏡S-5500(8寸)來自于日本HITACHI公司。 磁控濺射臺(tái)JPGF-400D來自于北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司。 紫外-可見-近紅外分光光度計(jì)Cary 5000來自美國(guó)Varian公司。 SERS信號(hào)測(cè)試采用的共焦顯微拉曼光譜儀inVia-Reflex來自于英國(guó) Renishaw 公司。 在633 nm激光和50×物鏡下獲得了拉曼光譜。 使用WIRE 3.0 控制軟件進(jìn)行界面編輯和數(shù)據(jù)后處理。

1.2 樣品制備

本文所涉及的這種新型納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)由常規(guī)干法去膠工藝發(fā)展而來。 根據(jù)我們前期的研究工作，利用等離子體轟擊光刻膠，能夠形成大面積的納米纖維森林結(jié)構(gòu)[6-7, 13-14]。 基于這種現(xiàn)象，圖1給出了石英納米錐森林結(jié)構(gòu)和SERS透明器件的制備工藝流程。 首先，在石英襯底[圖1(a)]上旋涂約為7 μm厚的PI層[如圖1(b)所示]。 之后，采用氧等離子體對(duì)PI層進(jìn)行轟擊，轟擊過程中氧氣流量為50 sccm，腔體壓強(qiáng)為5 Pa，腔體功率為200 W，時(shí)間持續(xù)40 min。 這一步驟之后在石英襯底上得到了分布密集的納米纖維森林結(jié)構(gòu)[如圖1(c)所示]，該森林結(jié)構(gòu)由大量直立于襯底上的納米纖維構(gòu)成。 可作為干法刻蝕的納米掩模。 采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法對(duì)石英襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，形成納米纖維-石英納米錐雙層森林結(jié)構(gòu)[如圖1(d)所示]。 RIE工藝過程中混合氣體及其流量為SF6/CHF3/He： 5/32/150 sccm，射頻功率為200 W，腔體壓力為1 850 mTorr，刻蝕時(shí)間6 min。 隨后，在室溫下利用NH4F∶HF為7∶1的氧化腐蝕緩沖劑(BOE)，對(duì)納米纖維森林結(jié)構(gòu)漂洗5 s，使之完全去除，即可得到石英納米錐森林結(jié)構(gòu)[如圖1(e)]。 最后，通過磁控濺射工藝，在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上制備約5 nm厚的銀納米顆粒層，進(jìn)而得到基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SERS透明器件[如圖1(f)]。 濺射過程中，保持功率為50 W，腔體真空度穩(wěn)定在6×10-4Pa。

圖1 基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SERS透明器件制備工藝流程

1.3 測(cè)試過程

首先，以去離子水為溶劑，通過梯度稀釋法配制不同濃度的R6G溶液。 然后，采用滴定蒸發(fā)法使被測(cè)試劑中的分子分布在所制備的 SERS器件上，即用移液槍吸取待測(cè)溶液3 μL，滴于裂片后約1 cm×1 cm 的開放式SERS透明器件的表面，然后在室溫下靜置約半個(gè)小時(shí)，直至溶液中的溶劑完全蒸發(fā)，被測(cè)試劑分子被固定在SERS器件的表面上。 最后，將器件置于拉曼光譜儀載物臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。

2 結(jié)果與分析

2.1 SERS透明器件的制備

圖2給出了SERS透明器件工藝流程中不同步驟對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的SEM照片。 圖2(a)所示為石英襯底上PI層經(jīng)過氧等離子體轟擊后形成的納米纖維森林結(jié)構(gòu)，單根納米纖維的高度約為5.8 μm，直徑約為50 nm。 幾十根相鄰的納米纖維集成納米纖維束，纖維束間距約為500 nm。 以此納米纖維森林結(jié)構(gòu)為掩模，RIE刻蝕石英襯底，之后采用BOE工藝去除掩模后，得到密集的石英納米錐森林結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。 可以看到，石英錐高度并不均勻，其在100～600 nm之間分布，這是由于作為掩模的納米纖維的直徑并不均勻，所以當(dāng)用RIE刻蝕時(shí)，在直徑稍粗的纖維掩模下方形成的納米結(jié)構(gòu)比在直徑稍細(xì)的纖維掩模下方形成的結(jié)構(gòu)更高更粗。 在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上濺射5 nm的Ag顆粒后，得到如圖2(c)所示的SERS活性基底(也即，SERS透明器件)，圖中可以清晰地看到Ag納米顆粒隨機(jī)離散地附著在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上，形成豐富密集的熱點(diǎn)。

2.2 石英納米錐森林透過率測(cè)試

圖3給出了石英納米錐森林結(jié)構(gòu)在500～800 nm這一波段下的透射率光譜。 從圖中可以看出，此結(jié)構(gòu)透射率優(yōu)良，特別是在波長(zhǎng)較長(zhǎng)處。 而在SERS檢測(cè)常用的三個(gè)激發(fā)波長(zhǎng)514, 633和785 nm處，其透射率分別為85%，90%和93%。 這表明石英納米錐森林結(jié)構(gòu)在制備透明SERS器件這一方向具有極大的應(yīng)用價(jià)值。

2.3 SERS透明器件性能測(cè)試

為了驗(yàn)證所制備的SERS透明器件的性能，分別在此器件的正面和背面開展SERS光譜信號(hào)的測(cè)試。 圖4(a)和圖4(b)分別是這兩種測(cè)試方式下被測(cè)試劑分子和激光相互作用的示意圖。 激光從器件正面上方入射到器件表面時(shí)，入射激光先經(jīng)過被測(cè)試劑分子，再照射到被測(cè)試劑分子下方附著于石英錐納米森林結(jié)構(gòu)表面的金屬納米顆粒上激發(fā)SPR。 當(dāng)激光經(jīng)過被測(cè)試劑分子時(shí)會(huì)被這層分子吸收、反射、散射掉一部分能量，導(dǎo)致拉曼光譜信號(hào)被減弱，且被測(cè)試劑分子濃度越高，信號(hào)強(qiáng)度減弱越嚴(yán)重[8]。 然而，當(dāng)拉曼激光從器件背面入射到SERS器件上時(shí)，此時(shí)被測(cè)試劑分子的厚度對(duì)入射激光和散射的SERS光譜信號(hào)干擾都最小。 另外，在測(cè)試所用波長(zhǎng)(633 nm)處石英納米錐森林結(jié)構(gòu)對(duì)入射激光的透過率為90%，因此入射激光很容易穿透石英襯底，在器件正面，被測(cè)試劑分子下面的金屬納米結(jié)構(gòu)表面激發(fā)SPR。 此外，拉曼光譜信號(hào)在返回信號(hào)收集器的路徑上也沒有被測(cè)試劑分子對(duì)其的阻擋和吸收，從而可以得到較好的檢測(cè)效果。

圖2 (a)納米纖維森林結(jié)構(gòu)的SEM照片，(b)石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SEM照片，(c)SERS透明器件的SEM照片

Fig.2(a)SEMimageofthenanofiberforests, (b)SEMimageofquartznanoconeforests, (c)SEMimageofstructuresonaSERStransparentdevice

圖3 石英納米錐森林結(jié)構(gòu)透射率光譜

對(duì)濃度為10-3～10-6mol·L-1的R6G分子的SERS光譜信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，其結(jié)果如圖5(a)—(d)所示。 為了更好對(duì)比兩種方法得到的SERS光譜信號(hào)強(qiáng)度，取1 360和1 510 cm-1波數(shù)處的光譜信號(hào)強(qiáng)度值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5(e)和(f)所示。 從圖中可明顯看到，采用背面入射檢測(cè)方式時(shí)，SERS光譜信號(hào)強(qiáng)度(黑色曲線)隨著R6G分子濃度的下降而單調(diào)降低，且線性度較好。 而對(duì)于正面檢測(cè)情況，SERS光譜信號(hào)(紅色曲線)強(qiáng)度隨著R6G分子濃度的下降先上升后下降，在被測(cè)試劑分子濃度較高時(shí)其強(qiáng)度反而較低(如10-3mol·L-1)，這正是由于高濃度被測(cè)試劑分子形成了較厚的分子層，對(duì)入射光具有遮擋作用。 而當(dāng)濃度降低時(shí)，分子對(duì)激光的遮擋作用在減弱，信號(hào)強(qiáng)度增大，隨后，當(dāng)分子濃度進(jìn)一步減小時(shí)，由濃度減小造成的信號(hào)變?nèi)踹@一作用成為影響信號(hào)強(qiáng)度的主要因素。 而且更為重要的是，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面檢測(cè)所得信號(hào)強(qiáng)度都高于正面檢測(cè)所得信號(hào)強(qiáng)度，在被測(cè)試劑分子濃度較高的時(shí)候，相差更大； 當(dāng)分子濃度逐步降低時(shí)，隨著被測(cè)試劑分子數(shù)量的減少，分子對(duì)光傳播過程的影響變小，表現(xiàn)為兩種檢測(cè)方式下信號(hào)強(qiáng)度差距也在逐步減小。 以10-3mol·L-1的R6G試劑檢測(cè)結(jié)果為例，背面檢測(cè)所得的信號(hào)強(qiáng)度約是正面檢測(cè)信號(hào)的5倍。 而對(duì)于10-6mol·L-1的R6G分子，正面檢測(cè)所得的信號(hào)強(qiáng)度接近背面檢測(cè)所得的信號(hào)強(qiáng)度。

圖4 SERS器件測(cè)試過程中激光、被測(cè)試劑分子與SERS透明器件表面的金屬納米結(jié)構(gòu)之間的作用關(guān)系示意圖

Fig.4Schematicdiagramoftheinteractionbetweenthelaser,themoleculesandthemetalnanostructuresonthesurfaceoftheSERStransparentdeviceduringtheSERSdevicetest

(a)： Laser incident from the front-side； (b)： Laser incident from the back-side

圖5 (a)—(d) SERS透明器件上不同濃度R6G分子(10-3～10-6mol·L-1)正反面檢測(cè)所得SERS信號(hào)，以及(e)和(f) SERS信號(hào)在1 360和1 510 cm-1峰的強(qiáng)度隨分子濃度的變化，激光波長(zhǎng)為633 nm

Fig.5(a)—(d)SERSspectraofR6Gmoleculeswithdifferentconcentrations(10-3～10-6mol·L-1)detectedfromthefront-sideandback-sideonaSERStransparentdevice; (e), (f)IntensitiesofSERSspectraat1360and1510cm-1peaksasafunctionofmolecularconcentrations,thewavelengthofthelaseris633nm

圖6 (a)SERS透明器件上10個(gè)不同位置處背面檢測(cè)所得的SERS光譜信號(hào)，激光波長(zhǎng)為633 nm

Fig.6(a)SERSspectraobtainedfromtheback-sideofthetransparentdeviceat10differentlocations,thewavelengthofthelaseris633nm

為了進(jìn)一步研究該SERS透明器件背面檢測(cè)方法的檢測(cè)一致性，使用10-6mol·L-1的R6G試劑通過背面檢測(cè)的辦法在該器件表面測(cè)量了10個(gè)不同位置處的SERS信號(hào)，所得SERS譜線如圖 6所示。 通過對(duì)SERS譜線中1 510和1 360 cm-1的峰值強(qiáng)度進(jìn)行相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)的計(jì)算，得到該器件在這兩個(gè)峰值處的RSD分別為16.7%和15.6%。 這一結(jié)果表明所制備的 SERS透明器件具有較好的檢測(cè)一致性。

3 結(jié) 論

提出了一種制備石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的新型工藝方法，并基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種制備SERS透明器件的辦法。 對(duì)于這種SERS透明器件，在測(cè)試過程中，拉曼激光可從器件的正面以及背面分別入射。 測(cè)試結(jié)果表明，對(duì)于R6G試劑，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面入射所得SERS譜線信號(hào)強(qiáng)度要好于正面入射的結(jié)果。 另外，該SERS透明器件背面檢測(cè)的一致性較好，證明了其在實(shí)際生化檢測(cè)中的可行性。 這一工作有望擴(kuò)展SERS在分析物檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。