基于硅基微納結(jié)構(gòu)襯底的光操控-表面增強(qiáng)拉曼光譜方法研究

張 旭， 辛 坤， 史曉鳳， 馬 君

中國海洋大學(xué)青島市光學(xué)光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 青島 266100

引 言

表面增強(qiáng)拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering， SERS)是一種與粗糙金屬材料(如金、 銀等)相關(guān)的表面增強(qiáng)效應(yīng)， 可使拉曼信號最高增強(qiáng)約1014～1015倍。 表面增強(qiáng)拉曼光譜靈敏度高、 信息含量豐富， 作為一種獨(dú)立的檢測手段已被用于生物[1]、 化學(xué)[2]和食品[3]等各方面的檢測中。 由于SERS增強(qiáng)基底的制備是實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測的關(guān)鍵因素， 因此研制具有高靈敏度、 高穩(wěn)定性以及易制備的SERS活性基底一直是SERS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。 目前常見的SERS基底有： 溶液中的金屬納米粒子[4]、 化學(xué)刻蝕和化學(xué)沉積的活性基底[5]等。

利用光操控技術(shù)制備金屬納米粒子聚集體是SERS領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)， 2009年， Tong等[6]實(shí)現(xiàn)了光捕獲的吸附在微流體通道內(nèi)金納米粒子聚集體上的5×10-2mol·L-1的苯硫酚(TP)和2-萘硫醇(2-NT)的探測。 2012年Lin等[7]報(bào)道了一種特殊的捕獲銀納米粒子的實(shí)驗(yàn)裝置， 研究了光子晶體腔對銀納米粒子的捕獲作用， 檢測到1.0×10-8mol·L-1的PMA。 2016年， Wu等[8]將駐波光阱和拉曼技術(shù)結(jié)合， 利用駐波拉曼光鑷在光阱中捕獲80 nm金納米粒子簇， 并探測到了2.5×10-6mol·L-1羅丹明B的信號。 2017年， Spadaro等[9]研究了等離子體硅-金復(fù)合結(jié)構(gòu)的光學(xué)捕獲效應(yīng)及其在拉曼光鑷中作為SERS探針的應(yīng)用， 研究發(fā)現(xiàn)多孔硅殼內(nèi)壁嵌入金納米球的復(fù)合結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)光捕獲效率。

目前， 基于光操控的SERS技術(shù)主要是利用光梯度力作用捕獲金屬納米顆粒， 該方法可以監(jiān)測捕獲的粒子數(shù)， 提高SERS檢測靈敏度。 但僅基于光梯度力捕獲金屬納米粒子捕獲率低， 且需要捕獲光和激發(fā)光兩束激光， 實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜。 本文將首次應(yīng)用一束激光同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬納米粒子捕獲和SERS信號激發(fā)， 在金納米溶膠中加入具有微納線狀結(jié)構(gòu)的硅襯底(silicon-based micro-nanostructure substrate， SiMS)， 并將激光對焦在襯底狹槽內(nèi)， 利用光輻射壓力和光梯度力的共同作用在狹槽內(nèi)捕獲金屬納米粒子， 形成金納米顆粒聚集體， 從而產(chǎn)生更多的“熱點(diǎn)”， 提高了金納米粒子的捕獲效率， 也極大地提高SERS探測的靈敏度。 同時(shí)， 本文以芘分子為探針分子， 定量研究了該方法的檢測靈敏度和硅襯底的重復(fù)性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與材料

實(shí)驗(yàn)儀器： Ocean Optics 公司的便攜式QE65000系列拉曼光譜儀， 分辨率為6 cm-1， 光譜范圍0～1 800 cm-1； 上海熙隆光電科技有限公司生產(chǎn)的FC-785-500-MM型窄線寬半導(dǎo)體激光器， 激發(fā)波長為785 nm， 激光器耦合入光纖的功率可調(diào)， 最大為500 mW； InPhotonics公司生產(chǎn)的785 nm RPB型號的Y形反射式光纖探頭； 日立集團(tuán)的S4800掃描電子顯微鏡。

實(shí)驗(yàn)試劑： 檸檬酸三鈉、 氯金酸(HAuCl4·4H2O)、 甲醇均購于國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司、 芘購于美國Sigma-Aldrich公司。

1.2 樣品的制備

在配置芘標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)， 先將芘固體溶解于甲醇溶劑， 再用超純水稀釋至(2.0～500)×10-9mol·L-1的不同濃度。 所有稀釋后溶液中甲醇的含量低于1%。

1.3 SERS基底的制備及SERS光譜探測

1.3.1 金納米溶膠的制備

金納米顆粒的制備參考Frens法， 以檸檬酸鈉作為還原劑加熱還原氯金酸， 制備好的金納米顆粒呈紫紅色， 冷卻待用， 金納米顆粒的平均粒徑約為55 nm， 根據(jù)消光光譜， 金納米顆粒溶膠在534 nm處有明顯的吸收峰， 吸收峰的半高寬約為56 nm， 表明金納米顆粒粒徑分布較為均勻[10]。

1.3.2 微納硅基襯底的制備

微納硅基襯底的制備利用飛秒激光濕法刻蝕技術(shù)， 使用脈沖激光， 控制脈沖激光的激光功率、 脈寬以及激光焦點(diǎn)處聚焦光斑大小分別在不同硅片表面的5 mm×5 mm范圍內(nèi)刻蝕橫截面積(寬度×深度)為10 μm×7 μm, 30 μm×12 μm, 60 μm×15 μm, 70 μm×19 μm和90 μm×21 μm的狹槽線陣， 制備線寬和深度不同的微納硅基襯底， 其中使用脈沖激光在基底表面加工線陣列圖形示意圖如圖1所示。

1.3.3 基于微納硅基襯底的SERS探測

在高度聚焦的激光束的照射下， 金納米溶膠中的金納米粒子會受到光輻射壓力和光梯度力的作用。 由于金納米粒子的典型特性是對光有很高的反射率和吸收率， 所以光輻射壓力通常大于光梯度力， 故粒子所受合力沿光束的傳播方向[12]。 將光束聚焦至硅基微納結(jié)構(gòu)狹槽處， 金納米粒子在光梯度力的作用下， 沿垂直光傳播方向向光束中心移動， 光束內(nèi)的納米顆粒同時(shí)又受到光輻射壓力的作用， 沿光傳播方向運(yùn)動， 最終聚集于微納硅基襯底的狹槽內(nèi)， 形成金納米粒子聚集體。

圖1 微納硅基襯底表面線陣狹槽加工示意圖(左上為70 μm×19 μm襯底顯微鏡圖)

Fig.1 Schematic diagram of processing a line array on the surface of Si substrate using a pulsed laser (the top left is the micrograph of the substrate(70 μm×19 μm))

探測過程如圖2所示， 探測物溶液與金溶膠溶液按3∶1比例混合于比色皿中， 靜置使探針分子-芘充分吸附到金納米顆粒上； 將微納硅基襯底置于比色皿中， 將比色皿放置在探測系統(tǒng)調(diào)節(jié)臺中； 調(diào)節(jié)使激光通過拉曼光纖探頭后聚焦到微納結(jié)構(gòu)表面的狹槽內(nèi)， 并開始采集光譜。 探測時(shí)到達(dá)樣品的功率為160 mW， 聚焦光斑大小約為200 μm， 積分時(shí)間為10 s， 每隔2～5 min采集一次數(shù)據(jù)， 直到信號達(dá)到穩(wěn)定， 此時(shí)狹槽內(nèi)的金納米粒子達(dá)到平衡狀態(tài)。 數(shù)據(jù)處理采用Origin軟件。

圖2 基于微納硅基襯底的SERS探測原理圖

2 結(jié)果與討論

2.1 微納硅基襯底的SERS效應(yīng)

以5×10-7mol·L-1的芘溶液為探測分子， 狹槽截面積為70 μm×19 μm的微納硅基襯底為例， 圖3對比研究了基于光操控技術(shù)的微納硅基襯底SERS基底的性能。 相較于金溶膠溶液， 加入微納硅基襯底時(shí)， 芘在588 cm-1(C—C—C bending)、 1 060 cm-1(C—C stretching, C—H rocking)、 1 234 cm-1(C—C stretching)、 1 400 cm-1(C—C stretching)、 1 615 cm-1(C—C stretching)等處特征峰[12]的SERS信號強(qiáng)度皆有明顯增強(qiáng)， 其中588 cm-1處信號強(qiáng)度提高約100倍。 產(chǎn)生如此顯著增強(qiáng)效果的可能原因有兩個： 首先在光合力的作用下， 金納米粒子在襯底表面的狹槽內(nèi)產(chǎn)生聚集， 聚集體中相鄰金屬納米顆粒的納米尺寸間隙處(nanogap)存在強(qiáng)度非常大的局域電磁場。 相比金溶膠體系， 單位探測體積內(nèi)的金納米顆粒密度大大增加， 有效縮小了顆粒間間距， 調(diào)節(jié)了金納米顆粒在空間位置上的耦合作用， 從而形成更多的拉曼信號“熱點(diǎn)” 。 提高SERS靈敏度； 其次微納硅基襯底有一定的縱深， 對吸附了探測物的金納米顆粒有著較好的保留效果， 起到了穩(wěn)定的富集作用， 這兩個因素的綜合效果造就了其SERS增強(qiáng)效果的進(jìn)一步提高。 光操控金納米粒子聚集是一個逐漸累積的過程， 聚集時(shí)間在35～110 mins范圍內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定探測狀態(tài)， 狹槽截面積越大、 探測物濃度越低， 所需時(shí)間越長[8]。 此外還可能受表面張力的影響， 不同狹槽形貌、 不同基底材料的表面張力不同， 進(jìn)而影響納米粒子的聚集效率。

圖3 兩種基底上芘溶液的SERS光譜圖

2.2 狹槽截面積對SERS效應(yīng)的影響

微納硅基襯底能使金納米粒子產(chǎn)生富集的效果， 而硅基襯底的狹槽截面積會影響金納米粒子的收集效率。 為了研究狹槽截面積對SERS增強(qiáng)效果的影響， 分別對不同截面積的微納硅基襯底進(jìn)行了研究， 圖4(a)為不同參數(shù)襯底下金納米粒子聚集后獲得的芘溶液SERS譜。

圖4 (a)芘溶液在不同截面積微納硅基襯底上的SERS譜；(b)芘溶液的SERS信號強(qiáng)度與截面積的關(guān)系曲線

Fig.4 (a) SERS spectrum of pyrene obtained with SiMS in different scale； (b) Dependence of SERS intensity of pyreneon scale of SiMS

a： 10 μm×7 μm；b： 30 μm×12 μm；c： 60 μm×15 μm；

d： 70 μm×19 μm；e： 90 μm×21 μm

芘在588和1 234 cm-1處特征峰強(qiáng)度與狹槽截面積的關(guān)系曲線如圖4(b)所示。 隨著狹槽截面積的增加， SERS信號逐漸增強(qiáng)， 狹槽截面積為70 μm×19 μm時(shí)達(dá)到最強(qiáng)， 超過該截面積后， 拉曼信號強(qiáng)度開始降低。 分析原因可能是： 金納米顆粒的3D“熱點(diǎn)”效應(yīng)隨聚集狀態(tài)的提高而升高[13]， 截面積較小時(shí)， 深度也相對較淺， 不利于吸附了探測物的金納米顆粒的聚集， 形成的金納米顆粒聚集體較小， 增強(qiáng)效應(yīng)較低； 隨著截面積的增加， 粒子聚集更多， 形成更多的納米顆粒聚集體， SERS效應(yīng)也逐漸增強(qiáng)。 當(dāng)狹槽截面積增大到一定值時(shí)(本實(shí)驗(yàn)條件下為70 μm×19 μm)， 狹槽內(nèi)逐漸累積形成穩(wěn)定的金納米顆粒聚集體， 既能增強(qiáng)三維結(jié)構(gòu)效應(yīng)， 又能使吸收峰發(fā)生紅移[10]， 聚集體的共振頻率更加接近激發(fā)光頻率， 使得狹槽內(nèi)形成穩(wěn)定的增強(qiáng)效應(yīng)。 當(dāng)狹槽截面積繼續(xù)增加時(shí)， 粒子聚集空間更大， 可能造成金納米顆粒聚集體過大， 過大的聚集體也不利于SERS增強(qiáng)效應(yīng)[13]。

2.3 微納硅基襯底的重復(fù)性分析

基底的重復(fù)性也是SERS基底的一個重要指標(biāo)。 為了研究微納結(jié)構(gòu)襯底的重復(fù)性， 對狹槽截面積為70 μm×19 μm的微納襯底進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)， 每次完成實(shí)驗(yàn)后， 關(guān)掉激光器， 待激光的作用力消失， 狹槽內(nèi)聚集的金納米粒子重新分散在溶液中后， 進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)過程中隨機(jī)選取微納襯底8個不同位置， 每個位置重復(fù)三次實(shí)驗(yàn)。 以芘在588和1 234 cm-1處特征峰峰強(qiáng)為依據(jù)進(jìn)行重復(fù)性分析， 如圖5所示， error bar為每個位置三次實(shí)驗(yàn)峰強(qiáng)的方差， 結(jié)果表明， 襯底具有較好的重復(fù)性。 虛線為8組探測結(jié)果的平均值， 不同位置芘的588和1 234 cm-1兩個特征峰峰強(qiáng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)分別為9.9%和2.0%。 由此可見， 在此微納硅基襯底SERS基底上的RSD比較低， 說明其對SERS探測具有較好的重復(fù)性。

圖5 微納硅基襯底SERS基底不同位置對芘溶液的探測結(jié)果

2.4 微納硅基襯底的SERS靈敏度

為了研究基于光操控技術(shù)的SERS基底靈敏度， 以狹槽截面積為70 μm×19 μm的微納硅基襯底為例， 探測了不同濃度芘的SERS光譜， 如圖6(a)。 在硅基微納結(jié)構(gòu)襯底上， 濃度低至5.0×10-9mol·L-1的芘仍能探測到588 cm-1處的拉曼信號。 對芘進(jìn)行定量分析， 圖6(b)所示為芘位于588和1 234 cm-1處特征峰強(qiáng)與濃度的關(guān)系曲線(由于襯底重復(fù)性較好， 因此圖中error bar不明顯)， 在低濃度范圍內(nèi)(5.0～100×10-9mol·L-1)， 對其特征峰強(qiáng)度與濃度關(guān)系進(jìn)行線性擬合， 呈現(xiàn)較好的線性相關(guān)性， 其擬合方程及線性相關(guān)系數(shù)見表1。

表1 低濃度范圍內(nèi)(5.0×10-9～1.0×10-7mol·L-1)， 芘的SERS峰強(qiáng)度與濃度間的線性擬合方程及相關(guān)系數(shù)

Table 1 Regression equations between SERS intensities and concentrations of Pyrene (5.0×10-9～1.0×10-7mol·L-1) and their correlation coefficients

PAHRamanband/cm-1RegressionequationCorrelationcoefficientPyrene(Pyr)5881 234I=39.0C-116.8I=3.9C+89.8R2=0.992R2=0.971

3 結(jié) 論

基于光操控技術(shù)應(yīng)用一束激光同時(shí)實(shí)現(xiàn)金屬納米粒子捕獲和SERS信號激發(fā)， 在金納米溶膠中加入具有微納線狀結(jié)構(gòu)的硅襯底， 并將激光對焦在襯底狹槽內(nèi)， 利用光輻射壓力和光梯度力的共同作用在狹槽內(nèi)捕獲金屬納米粒子， 形成金納米顆粒聚集體， 提高了金納米粒子的捕獲效率， 也極大地提高SERS探測的靈敏度。 SiMS狹槽截面積會對金納米顆粒的聚集產(chǎn)生影響， 在本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中， 狹槽截面積為70 μm×19 μm左右時(shí)能達(dá)到最好的效果， 相對于僅以金溶膠為SERS增強(qiáng)基底， 5×10-7mol·L-1芘的信號強(qiáng)度提高了兩個數(shù)量級， 并且在襯底不同探測位置芘的SERS峰強(qiáng)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差在2.0%～9.9%范圍內(nèi)， 表明其對SERS探測具有較好的重復(fù)性， 且經(jīng)過清洗之后可以重復(fù)使用。 金納米顆粒在狹槽內(nèi)的聚集過程隨時(shí)間逐漸增多， 最后達(dá)到一個穩(wěn)定的狀態(tài)， 應(yīng)用該硅基微納結(jié)構(gòu)襯底的SESR基底對芘進(jìn)行了定量分析， 在低濃度范圍內(nèi)， 其特征峰強(qiáng)度與濃度之間具有較好的線性關(guān)系， 得到其最低檢測濃度為5.0×10-9mol·L-1。 與僅使用金溶膠相比， 該方法保留了金納米顆粒重復(fù)性好的優(yōu)勢， 同時(shí)具有更高的增強(qiáng)效應(yīng)和襯底經(jīng)清洗可重復(fù)使用的優(yōu)點(diǎn)。 研究表明， 基于硅基微納結(jié)構(gòu)襯底的SERS基底， 是一種新型的提高SERS靈敏度的方法， 在化學(xué)和生物學(xué)等領(lǐng)域的物質(zhì)檢測分析方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 (a)基于SiMS(70 μm×19 μm)的不同濃度芘溶液的SERS光譜； (b) 峰強(qiáng)與濃度的關(guān)系曲線， 內(nèi)插圖為低濃度范圍內(nèi)關(guān)系曲線

a: 5.0×10-9mol·L-1；b: 2.0×10-8mol·L-1；c: 5.0×10-8mol·L-1；d: 2.0×10-7mol·L-1

Fig.6 (a)SERS spectra of different concentrations of pyrene solutions based on SiMS (70 μm×19 μm)； (b) Dependence of SERS intensity on concentration of pyrene, the inset is the dependence in low concentration

a: 5.0×10-9mol·L-1；b: 2.0×10-8mol·L-1；c: 5.0×10-8mol·L-1；d: 2.0×10-7mol·L-1