基于LSPR效應的高活性SERS基底研究進展

張倩，蘇碧云，黃劍

(西安石油大學 化學化工學院，陜西 西安 710065)

表面增強拉曼散射(SERS)是指吸附于粗糙貴金屬表面的探針分子在入射激光的照射下，其拉曼散射信號獲得顯著增強的光學現(xiàn)象。利用高活性的SERS基底，人們可以獲得顯著增強的拉曼散射信號。SERS光譜的散射峰窄、分辨率高，且能廣泛應用于復雜條件下多組分物質(zhì)的分析檢測。近年來，科學家們一直致力于制備各類SERS基底，并探索不同微觀結構、不同材料類型、不同組成等因素對散射信號的增強效應。例如，單一的貴金屬SERS基底可改性或復合成性能更加優(yōu)異的高活性復合SERS基底，進而極大地推動了SERS檢測技術的發(fā)展與應用。本文總結了常用SERS基底的類型并進行簡單的分析論述。

1 SERS發(fā)展歷程及增強機理

1.1 SERS發(fā)展歷程

1928年，印度物理學家C.V.Raman在利用汞燈照射液體苯時，首次觀察到了光的非彈性散射，并稱之為拉曼散射或拉曼效應。由于拉曼散射極其微弱，且存在強烈的瑞利散射干擾，受限于當時的基礎理論和技術水平，關于(針對)拉曼散射的研究進展較為緩慢。1974年，F(xiàn)leischmann[1]意外地發(fā)現(xiàn)了粗糙Ag電極表面吡啶分子顯著增強的拉曼信號(被認為是比表面積增大導致吸附了更多的探針分子，進而引發(fā)信號增強)。1977年，Van Duyne[2]和Campion兩個研究小組通過嚴密實驗和精確計算發(fā)現(xiàn)粗糙Ag電極表面吡啶分子的拉曼散射信號增強了約6個數(shù)量級。這類強烈的信號增強不僅與表面粗糙度有關，而且涉及到全新的表面增強機制，并將其最終定義為SERS效應。進一步的研究表明[3]，SERS效應不僅存在于Ag表面，金、銅、鎳等金屬表面也同樣存在一定的SERS增強效應。隨后，半導體材料、過渡金屬等材料的SERS效應陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)或證實。

1.2 SERS增強機理

SERS效應有效地改善了常規(guī)拉曼散射信號微弱的難題，同時在分子水平上給出了分析物的指紋信息，具有較高的檢測靈敏度及光譜選擇性等優(yōu)勢。然而，關于SERS效應的增強機理，目前尚無統(tǒng)一的理論解釋。經(jīng)過多年探索，科學家們建立了數(shù)類模型，提出了多種增強理論，其中獲得廣泛認可的有兩種，分別為電磁增強(EM)和化學增強(CT)。

電磁增強(EM)機制是指在一定波長入射激光的激發(fā)下，金屬表面自由電子發(fā)生集體振蕩與電場耦合，進而產(chǎn)生局域表面等離子體共振(LSPR)，導致探針分子的散射信號被顯著放大(歸因于分子附近較強的電磁場)。化學增強(CT)機制是指在特定頻率激光照射下，探針分子和增強基底之間相互作用并發(fā)生電荷轉移，導致分子極化率增大，也隨即增大了拉曼散射截面，進而使得散射信號較大提升。研究表明，化學增強的貢獻比電磁增強小很多，其增強能力一般在10～103內(nèi)[4]。此外，化學增強屬于短程作用，主要作用于埃米范圍內(nèi)，且要求分子直接吸附于基底表面。如分子離開基底表面，將導致SERS信號逐漸衰減。

總的來看，SERS效應的增強機制十分復雜，通常是兩種增強機制同時存在，共同實現(xiàn)SERS基底的整體增強。其中，LSPR在SERS增強機制中占主導地位(可達104～105)，但也不能忽略化學增強的貢獻。此外，SERS基底自身的特性、微觀形貌、基底間的作用情況、激光的波長與入射功率等都與增強效應密切相關。

2 SERS活性基底

2.1 簡單SERS基底

2.1.1 貴金屬溶膠SERS基底 貴金屬納米溶膠SERS基底是目前最常見、且使用最方便的一類活性SERS基底。通常，以硝酸銀或氯金酸溶液為前驅體，以檸檬酸鈉、硼氫化鈉或抗壞血酸等為還原劑，通過化學還原法即可成功制備金、銀溶膠SERS基底。雖然化學還原法能夠快速簡單制得貴金屬納米溶膠，卻難以精確控制納米顆粒的尺寸與形貌。針對上述問題，科研人員探索了不同反應因素對納米顆粒的控制影響，通過還原劑篩選、還原劑濃度優(yōu)化、反應時間控制，可實現(xiàn)貴金屬納米顆粒的有效調(diào)控。此外，表面活性劑的引入，也有利于納米顆粒形貌的精確控制。通過不同類型表面活性劑的使用，研究人員獲得了形狀各異的貴金屬納米顆粒，例如，納米棒[5]、納米立方體[5-6]、納米板[5-7]、納米線[5，7]、納米三角[5，7-9]、納米球[5，8-9]以及納米星[5，8]等。

2.1.2 貴金屬電極SERS基底 Fleishmann于1974年在粗糙Ag電極表面首次發(fā)現(xiàn)了SERS效應，粗糙Ag電極SERS基底備受關注，應運而生。除Ag電極之外，其他金屬電極也具有類似的增強效應，因此，金屬電極SERS基底的制備與應用逐漸成為該領域的研究熱點。制備貴金屬電極SERS基底最常用的方法是循環(huán)伏安法，它包含兩個基本過程，一是金屬電極被氧化成離子進入電解質(zhì)溶液(通常為KCl溶液)；二是電解質(zhì)中的金屬離子被還原沉積于電極表面。如此循環(huán)往復即可獲得具有粗糙表面的金屬電極SERS基底，其粗糙度一般為25～500 nm[10]。雖然利用循環(huán)伏安法制備貴金屬電極SERS基底速度快、易操作，但電勢的變化極易影響電極表面的粗糙度，常導致電極SERS基底檢測重現(xiàn)性較差，更無法大面積生產(chǎn)制備。

2.1.3 金屬薄膜SERS基底 金屬薄膜基底通常以硬質(zhì)基材為支撐，利用旋涂法、自組裝法或模板法在其表面涂覆一層或多層具有SERS增強效應的微納米金屬薄膜。其中，旋涂法主要是利用勻膠機在支撐基底表面涂覆一層納米溶膠，隨即形成穩(wěn)定的金屬薄膜。該方法周期短、易操作，且旋涂的金屬膜層穩(wěn)定性好，不易脫落。而自組裝法則以交聯(lián)劑為紐帶，通過交聯(lián)劑連接金屬納米顆粒和功能化硬質(zhì)基材，進而形成金屬薄膜SERS基底。模板法依賴自身的形狀，將金屬納米顆粒均勻沉積在其表面，在模板腐蝕后即可形成具有特定形貌的金屬薄膜SERS基底。例如，Wang等[11]以多孔氧化鋁(AAO)為模板，通過電子束蒸鍍法成功制備出了厚度可控、且具有精美圖案的多孔Ag膜SERS基底，并利用時域有限差分法(FDTD)模擬計算了薄膜SERS基底的局域電場強度及空間分布。

2.2 復合SERS基底

2.2.1 雙金屬復合SERS基底 大量研究表明，Ag基SERS基底大多具有良好的SERS增強特性。然而Ag基底在存儲或使用過程中極易被氧化，進而導致其增強效應顯著衰退。為了解決Ag基SERS基底穩(wěn)定性差、易被氧化的難題，科學家們逐漸將目光轉至雙金屬復合SERS基底。王利華等[12]利用兩步增長法，合成了具有核殼結構的Au@Ag雙金屬復合SERS基底(該方法先以檸檬酸、檸檬酸鈉混合液為還原劑快速還原氯金酸得到Au納米核，隨后再加入檸檬酸鈉、抗壞血酸、硝酸銀溶液，通過二次生長形成Ag殼)。溫馨等[13]通過電沉積法電解氯金酸和氯化銅溶液，實現(xiàn)了硅陣列表面金銅合金的共同沉積，進而得到了有序的金銅合金納米陣列(通過調(diào)節(jié)電壓或改變氯金酸與氯化銅的摩爾比，可獲得不同金銅比例的雙金屬復合SERS基底)。進一步的研究顯示，上述兩類雙金屬復合SERS基底均具有良好的SERS增強特性(其中金銅雙金屬復合SERS基底對R6G分子的檢測限低至10-14mol/L)，且其增強效應顯著優(yōu)于單一組分的貴金屬SERS基底。

2.2.2 氧化物復合SERS基底 眾所周知，增強基底的SERS檢測憑借其良好的選擇性、較高的靈敏度、且能提供單分子水平的特征指紋等優(yōu)點，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、醫(yī)療診斷等領域受到了廣泛的關注。然而，在SERS檢測的實際應用中人們所面臨的首要挑戰(zhàn)便是設計并構筑一類價格低廉、合成簡便、重現(xiàn)性好且性能穩(wěn)定的高活性SERS基底。Au、Ag等貴金屬SERS基底雖增強效應良好，應用廣泛，但卻存在價格昂貴、重現(xiàn)性低、穩(wěn)定性差等缺點，不適合于大規(guī)模的推廣應用。而氧化物或半導體納米材料大多成本較低且化學性能穩(wěn)定，但其SERS增強效應嚴重不足。綜合上述難題，科學家們將貴金屬微納結構與氧化物或半導體納米材料有機復合，充分協(xié)調(diào)貴金屬微納結構表面的電磁增強機制及各界面的電荷轉移與化學增強機制，有望構筑出SERS增強效應顯著的高性能復合SERS基底。迄今為止，大量氧化物或半導體納米材料已被實驗證實可用于構筑復合型SERS增強基底，如TiO2[14]、ZnO[15]、CdTe[16]、Fe3O4[17]、WO3[18]、CuO[19]、石墨烯[20]等。Zhao等[21]通過光還原沉積法成功在TiO2納米線表面負載了高密度的Au納米顆粒，進而實現(xiàn)了Au/TiO2復合SERS基底的制備。復合后的SERS基底展現(xiàn)出痕量R6G分子的完整特征散射，其增強效應相比未復合的Au納米顆粒顯著提高。

2.2.3 柔性材料復合SERS基底 大量研究表明，SERS分析檢測的靈敏度主要取決于SERS基底的增強效應，因此制備重現(xiàn)性好、增強因子高的SERS基底是當前超靈敏分析領域的研究熱點之一。然而，由于目前大部分SERS基底都是硬質(zhì)基底，固體硬質(zhì)基底堅硬易碎，且不透光，在實際應用過程中往往需要使用溶劑將待測組份從被測物體表面萃取后轉移至SERS基底上進行分析檢測，該過程十分復雜、耗時，嚴重影響分析檢測效率。此外，實際物體表面結構的各異性，限制了硬質(zhì)基底在實物表面的原位檢測。因此，發(fā)展一種可直接在物體表面原位檢測待測組份的SERS方法迫在眉睫，而實現(xiàn)原位快速SERS檢測的關鍵是制備增強性能良好的可透光柔性SERS基底。

常見的柔性SERS基底主要有金屬納米薄膜類、基于貴金屬納米顆粒修飾的柔性支撐材料，如紙張[22]、纖維織物[23]、柔性高分子[24]、軟生物質(zhì)[25]等。Kumar等[26]將Ag納米棒嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)聚合物薄膜中，成功制備出Ag納米棒/高分子柔性SERS基底。該基底具有較高的檢測靈敏度，且重現(xiàn)性良好，能直接貼附于果皮表面，實現(xiàn)農(nóng)藥殘留的提取與高靈敏分析。趙文寧[23]合成了Au納米顆粒/聚合物柔性SERS基底和Ag納米顆粒/碳布柔性SERS基底，在經(jīng)過約200次的彎折試驗后，上述柔性基底的SERS增強特性仍保持穩(wěn)定，且對R6G的檢測極限依然低至10-14mol/L。與常規(guī)固體SERS基底相比較，柔性SERS基底不僅具有可折疊、重量輕、成本低等優(yōu)點，而且極大地增強了SERS基底的便攜性和使用范圍，有利于復雜表面低濃度待測組份的快速識別與分析。

2.3 多功能SERS基底

2.3.1 可循環(huán)再用的SERS基底 SERS基底通常以貴金屬納米材料為主，由于大量使用昂貴的貴金屬組分，使得SERS基底的制備及相應的分析檢測成本居高不下，嚴重阻礙了SERS技術的快速發(fā)展及商業(yè)應用。近年來，科研人員致力于發(fā)展具有自清潔效應，且可循環(huán)利用的多功能SERS基底。待測組分或污染物能在基底表面直接催化分解，避免造成二次污染或環(huán)境污染?；谆厥詹⒀h(huán)利用，則可顯著降低檢測成本，實現(xiàn)綠色循環(huán)經(jīng)濟。

TiO2因其化學性質(zhì)穩(wěn)定、氧化還原性強、光照無損耗、高效降解、無毒等優(yōu)勢，是目前應用最為廣泛的一類光催化活性材料。最近研究表明，貴金屬/TiO2納米結構的基底在紫外光或可見光輻射下成功將吸附在其表面的有機物快速氧化為CO2、H2O等無機小分子。Zhang等[27]采用電化學法成功構筑了納米孔陣列，隨后，通過銀鏡反應快速將Ag納米顆粒修飾于TiO2納米孔陣列表面，最后包裹一層氧化石墨烯。所制備TiO2-Ag-GO復合SERS基底孔道排列整齊、孔徑均一(100 nm)，Ag納米顆粒均一地沉積在TiO2納米孔表面和內(nèi)部，氧化石墨烯包裹著Ag納米顆粒防止其氧化。測試基底的增強活性及自清潔能力，785 nm激光輻照一定時間，檢測發(fā)現(xiàn)，基底表面的探針分子(CV、MG、福美雙)被光催化降解。經(jīng)6個循環(huán)的吸附和分解后，實驗結果顯示TiO2-Ag-GO復合SERS基底的增強特性并無明顯降低，上述結果證明該基底具有較好的自清潔能力，在反復使用多次后，其增強性能不會降低。

此外，其他研究人員也成功設計并構建出具有自清潔功能的SERS基底，例如TiO2-Ag的核殼結構[28]、3D多孔ZnO/Ag復合結構[29]、Fe3O4@TiO2@Au復合結構[30]等。

2.3.2 磁性SERS基底 鐵氧化物/貴金屬納米復合SERS基底不僅具有磁學特性，且集成了高活性貴金屬納米顆粒的等離子增強特性，在醫(yī)療診斷[31]、生物傳感[32]、細胞分離[33]、工業(yè)催化[34-35]等領域應用廣泛?；诖判约{米材料的順磁性或超順磁性，磁性SERS基底在制備過程中通過磁誘導效應可精準調(diào)控貴金屬納米顆粒的聚集狀態(tài)，進而生成高密度的增強“熱點”，實現(xiàn)SERS信號的顯著增強。檢測完成后，僅需添加外置電場即可高效、快速實現(xiàn)復雜分析體系中磁性SERS基底的分離與循環(huán)利用[36]。近來，科學家們已設計并制備出各種鐵氧化物/貴金屬磁性SERS基底，例如Au、Ag負載濃度不同的Fe3O4@Au復合微球[17]、Fe3O4@SiO2@Ag納米紡錘體[17]、超順磁性 Fe3O4@Ag 核殼結構[37]等。特別的是，唐祥虎等[38]制備出了Au納米棒包裹的Fe3O4微納米球磁性SERS基底，首先采用溶劑熱法合成了Fe3O4磁性微納米球，然后通過聚丙烯酸鈉和聚乙烯亞胺功能化得到表面修飾有 —NH2官能團的Fe3O4磁性微納米球。Au納米棒因其表面吸附有聚乙烯吡咯烷酮(PVP)而呈負電性，在靜電引力的作用下自發(fā)地吸附于Fe3O4磁性微納米球表面。進一步SEES分析檢測結果表明，該磁性SERS基底具有良好的SERS活性及較強的化學穩(wěn)定性(對4-ATP的檢測極限低至1×10-7mol/L，且在放置3個月后仍然保持較高的SERS增強活性)。此外，由于該復合SERS基底具有一定的磁性，人們通過外加磁場即可實現(xiàn)復合納米顆粒的高密度富集，并可方便地從檢測溶液中提取出磁性復合SERS基底。

2.3.3 新型高活性SERS基底 目前，常規(guī)SERS基底對于生化分子的分析檢測已具備靈敏高、特異性強、高效無損等特點。然而，常規(guī)SERS基底在實際應用過程中常常面臨攜帶不便且難以儲存的缺點，更無法實現(xiàn)微量生化試樣的高效、原位、超靈敏分析?；诖?，科學家們開發(fā)出新型的高活性SERS基底(如毛細管SERS基底、微流控芯片SERS基底等)，用以解決上述難題。秦素花等[39]利用3-胺丙基三甲氧基硅烷(APTMS)對毛細管內(nèi)壁進行表面修飾處理，使其內(nèi)壁氨基化且?guī)д姾?，隨后利用靜電引力吸附負電荷的啞鈴狀Au納米顆粒，所制備的毛細管SERS基底在實際分析檢測過程中具有良好的重現(xiàn)性及靈敏度，并實現(xiàn)了果皮表面農(nóng)藥殘留的提取及超靈敏分析。毛細管SERS基底的構建則主要是通過毛細管內(nèi)壁的表面修飾與嫁接技術，逐步實現(xiàn)毛細管內(nèi)壁微納結構的生長及貴金屬納米顆粒的原位負載。顯然，處于毛細管內(nèi)部的分級結構及金屬納米顆粒不受外界的干擾與污染，有利于毛細管SERS基底的儲存與應用。重要的是，在不借助外力的情況下，利用毛細管與生俱來的虹吸現(xiàn)象，微量的生化試樣溶液可自發(fā)吸附于毛細管SERS基底內(nèi)，有效地避免了取樣過程中的樣品損失，特別適用于微量生化試樣的采集與分析檢測。

利用微流控芯片的微米級孔道結構，科學家們實現(xiàn)了微孔通道中液態(tài)待測組分的可控流動，該過程不僅可操作性強，而且試樣消耗較小(皮升至納升級)[40]。微流控芯片SERS基底則是將化學反應集成于微米尺度芯片內(nèi)，且同時實現(xiàn)微量試樣反應與原位光譜檢測一體化的過程。這類基底通常可分為液態(tài)基底芯片和固態(tài)基底芯片[41]。液態(tài)基底芯片SERS基底通常是將貴金屬納米溶膠和探針分子直接通入微孔芯片通道中，通過電場[42]、磁場[43]來調(diào)控通道中納米顆粒的聚集狀態(tài)，進而獲得顯著增強的SERS信號。然而，待測組分與貴金屬納米顆粒的混合會造成分析物的污染，干擾隨后的檢測結果。此外，由于液體的流動性，納米顆粒的分布和聚集程度也會影響液態(tài)基底芯片SERS基底的增強特性。而固態(tài)基底芯片SERS基底則是將特定形貌的貴金屬納米顆粒陣列原位生長或預先構筑于微流控微米通道中，有序排列的納米間隙不僅提供了高密度的“熱點”，而且顯著改善了散射信號的均勻性。雖然固態(tài)基底芯片具有較大的比表面積，能吸附更多的待測組分，提高SERS基底的檢測靈敏性，但通道中用以提供活性位點的表面化學修飾常帶來額外的散射干擾，使得SERS圖譜會出現(xiàn)難以判斷的雜質(zhì)峰。目前，微流控芯片作為高活性SERS基底仍存在一些缺陷與不足，如何結合并發(fā)揮微流控SERS基底的優(yōu)勢，實現(xiàn)高效的一體化原位反應檢測，仍然需要進一步的探索與努力。

3 總結與展望

基于SERS基底的高效、靈敏的拉曼檢測，SERS技術已成為分析領域的研究熱點。如今，隨著納米科學領域的發(fā)展，滿足不同需求的高靈敏SERS復合基底不斷涌現(xiàn)，在痕量分析和單分子檢測方面發(fā)揮重要的作用。目前，面臨最大的挑戰(zhàn)是探尋一種可重復、均一、增強活性極佳的活性基底。相信隨著理論研究的不斷深入和實驗方法的完善，理想SERS基底結合SERS技術能夠實現(xiàn)在復雜環(huán)境中有機物的高效、定量檢測。