有序金納米柱SERS基底制備及蘇丹Ⅱ的拉曼光譜

孫維鑫，王家正，金 磊，張 維，周劍章，楊防祖，周勇亮，吳德印

(廈門大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 固體表面國家重點實驗室，福建 廈門 361005)

蘇丹Ⅰ～Ⅳ染料分子在可見光波段有吸收，可產(chǎn)生色澤鮮艷的顏色，被用于食品的染色[1-2]。然而，國際癌癥研究署認(rèn)定該類物質(zhì)為第三類致癌物，潛在危害人類身體健康[3-4]，其致癌機制主要是代謝出的活性中間體如芳香胺可以與DNA成鍵[4]。雖然這類化合物被禁止在食物中使用，但該類化合物可以改變食品的品相，因此仍時常作為添加劑被非法使用于食物中。為了更好地防止在食品中加入非法添加劑，人們已發(fā)展了不同的食品檢測方法，如質(zhì)譜方法、色譜方法、光譜方法和電化學(xué)方法檢測[5]，這些方法的聯(lián)合運用也發(fā)展出不同的先進方法，其中電化學(xué)方法和拉曼光譜方法結(jié)合極為重要，如電化學(xué)表面增強拉曼光譜具有很高的檢測靈敏度，已成為快檢的重要方法之一[6]。

表面增強拉曼光譜(SERS)是基于貴金屬表面自由集體激發(fā)產(chǎn)生的表面增強拉曼散射(SERS)效應(yīng)，這是1974年英國科學(xué)家Fleischmann等[7]、Jeanmaire等[8]在研究吡啶分子吸附在粗糙銀電極上拉曼光譜時首次發(fā)現(xiàn)的。這種增強效應(yīng)主要來自兩種機制——電磁增強機制和化學(xué)增強機制[9]。電磁場增強效應(yīng)是獲得表面吸附分子拉曼信號的主要來源，但是如果與氣相、固體或溶液中分子的拉曼光譜比較，分子與表面吸附作用常會顯著改變拉曼光譜線形，從而提供更豐富分子的化學(xué)指紋信息。

本文中，為了獲取穩(wěn)定和可重現(xiàn)的SERS光譜分析，筆者首先制備有序金納米柱陣列結(jié)構(gòu)，并以此為拉曼光譜增強基底，用于蘇丹Ⅱ的SERS光譜測量；然后從電磁場增強機制和化學(xué)增強機制出發(fā)，結(jié)合有限元方法和密度泛函理論計算，分析有序金納米柱結(jié)構(gòu)和分子在表面可能的吸附結(jié)構(gòu)，以期研究其最優(yōu)化的實驗條件。

1 實驗和理論方法

1.1 有序金納米結(jié)構(gòu)SERS基底的制備

金納米柱陣列結(jié)構(gòu)的制備采用了納米壓印的方法[10]。制作過程如圖1所示。首先在鎳模板上加軟模板，利用電子束蒸發(fā)儀FC2000(Temescal，美國)在鋼化玻璃一側(cè)氣相蒸鍍一層100 nm的金鍍層，在鍍層表面旋涂壓印光刻膠，使用納米壓印的方法制備有序納米孔洞陣列結(jié)構(gòu)，除去表面殘膠，露出金導(dǎo)電層后采用電化學(xué)沉積法制備了有序金柱結(jié)構(gòu)。這里采用鎳模板的大小2英寸，有序周期450 nm，孔洞上沿直徑250 nm，孔洞下沿直徑190 nm，孔洞深度200 nm。

圖1 金納米柱陣列結(jié)構(gòu)制備流程

納米壓印的方法分為熱納米壓印和紫外納米壓印。鋼化玻璃的前處理主要包括四步，即玻璃清洗、金屬層蒸鍍、玻璃前烘和活化、納米壓印膠旋涂。根據(jù)模板的長深比計算占空比，確定壓印膠旋涂厚度，選擇適合該厚度的納米壓印膠，通過轉(zhuǎn)速和膠厚的關(guān)系來選擇適合的轉(zhuǎn)速和時間。最后，利用反應(yīng)離子刻蝕機(RIE)除去納米壓印殘膠，其中RIE 參數(shù)設(shè)定為壓力150 mTorr，O2流量40 sccm(氣體流量單位，表示每分鐘的氣體體積，cm3)，RF為40 W。

金的沉積所采用的電鍍液為Na2SO3體系，以鉑片為陽極，飽和甘汞電極為參比電極，去除納米壓印殘膠的玻璃為陰極，即工作電極，使用 CHI660e 電化學(xué)工作站測量亞硫酸金鈉體系的循環(huán)伏安曲線，確定金沉積條件。在恒電流模式下電沉積金，通過改變電流密度和電沉積時間，優(yōu)化最佳的沉積條件。沉積完成后可采用剝離技術(shù)去除表面的納米壓印膠(浸泡于冷卻后的體積比為3∶ 1的98%濃H2SO4與H2O2混合溶液)，從而比較不同環(huán)境介質(zhì)對該結(jié)構(gòu)的影響。

利用掃描電鏡觀察納米壓印膠結(jié)構(gòu)狀態(tài)、表征不同電流密度和時間對電沉積金形貌的影響。結(jié)構(gòu)表征采用S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Hitachi，日本)和ZEISS Sigma電子顯微鏡(Sigma，美國)。Cary 5000型分光光度計(Varian，美國)用于金納米柱陣列結(jié)構(gòu)的反射光譜測定。

1.2 拉曼光譜測量

所用主要實驗試劑包括無水乙醇(CH3COOH，國藥集團化學(xué)試劑有限公司)和Sudan Ⅱ(蘇丹Ⅱ，Acros)，水為二次蒸餾水。拉曼光譜測量采用Xplora共聚焦拉曼儀(Horiba，法國)，激光波長分別為785 nm。激光斑點的直徑約為1 m，到達樣品表面的激光功率15.31 mW/cm2。采集拉曼光譜的積分時間為10 s，拉曼光譜的數(shù)值孔徑為0.55。

1.3 有限元方法計算

對于金納米結(jié)構(gòu)柱陣列結(jié)構(gòu)的電磁波響應(yīng)計算，采用有限元方法劃分網(wǎng)格，并基于一定的初始條件和邊界條件，數(shù)值求解每個網(wǎng)格內(nèi)的麥克斯韋方程組，即可以得到整個SPR結(jié)構(gòu)對電磁波的響應(yīng)[11-12]。這里用了COMSOL Multiphysics計算軟件的波動光學(xué)模塊。通過設(shè)置端口邊界條件模擬電磁波的入射，對模型中各個不同的材料設(shè)置相應(yīng)的折射率，調(diào)用穩(wěn)態(tài)頻域或波長域研究接口進行計算，得到反射率、吸收率、納米結(jié)構(gòu)內(nèi)部的電場強度分布、功率損耗分布等相關(guān)的電磁場信息。對于二維陣列的SPR結(jié)構(gòu)，對陣列結(jié)構(gòu)的基元建模，并結(jié)合周期性邊界條件將模型延伸至整個平面，從而求解陣列整體的電磁波響應(yīng)。金的折射率來自于實驗值[13]，其余參數(shù)細(xì)節(jié)如圖2所示。

圖2 COMSOL數(shù)值模型示意

1.4 密度泛函理論方法(DFT)計算結(jié)構(gòu)和拉曼光譜方法

2 結(jié)果與討論

2.1 金柱狀有序納米結(jié)構(gòu)的制備和光學(xué)吸收

在玻璃表面進行電化學(xué)沉積金時可以明顯觀察到沉積表面顏色隨著時間的變化，筆者通過控制沉積時間得到不同高度的金納米柱狀結(jié)構(gòu)，并測量這些結(jié)構(gòu)的吸收光譜。圖3給出恒電流沉積下制備填滿孔洞的納米金柱陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖和吸收光譜。由圖3可知，單一柱狀結(jié)構(gòu)的直徑約為200 nm。對于該結(jié)構(gòu)，未剝離膠的有序金納米柱狀陣列有3個吸收峰，分別在490、590和710 nm。吸收光譜短波長處有一個寬的490 nm吸收峰，其可歸屬為金d→sp的帶間躍遷吸收[13]。在590 和710 nm處的2個吸收峰均為SPR峰，其主要由金納米柱底與金鍍層的耦合及金納米柱頂部的耦合構(gòu)成。

圖3 恒電流沉積下填滿孔洞的納米金柱陣列結(jié)構(gòu)的SEM圖(a)和吸收光譜(b)

圖4是經(jīng)剝離后的實驗測量SEM圖和不同高度的金納米柱陣列結(jié)構(gòu)的吸收光譜。由圖4可知，剝離壓印光刻膠之后，有序金納米柱陣列結(jié)構(gòu)的吸收光譜發(fā)生明顯變化，峰型變尖，吸收峰強度變大。圖4(a)的SEM圖是金納米柱高為120 nm時的SEM圖。對于60 nm高金納米柱，在580 nm處有一個光吸收峰，而80 nm高金納米柱在600 nm有一個光吸收峰。這表明隨著金納米柱增高，吸收峰會紅移,但隨著金納米柱的生長，光吸收峰不再出現(xiàn)紅移的規(guī)律性，而是出現(xiàn)了明顯的藍移，且高度增高時，吸收峰向短波長移動。

圖4 經(jīng)剝離后120 nm的金納米柱陣列結(jié)構(gòu)SEM圖(a)和不同納米柱高度的吸收光譜(b)

2.2 模擬與金納米柱高度相關(guān)的SPR效應(yīng)

為了探究金柱陣列結(jié)構(gòu)的SPR峰與柱高度的關(guān)系，利用有限原方法模擬了該結(jié)構(gòu)的光學(xué)性質(zhì)。柱狀結(jié)構(gòu)單元參數(shù)分別為柱直徑d=200 nm、柱高度h=160 nm、周期為450 nm。介質(zhì)高分子模板層采用納米壓印膠的折射率n=1.5。理論模擬反射譜如圖5所示，與實驗結(jié)果相似，有3個光吸收峰，峰值分別為440、582和655 nm，且與長波長相比，短波段的峰型較寬。圖5(b)顯示短波段的吸收峰對應(yīng)于金本身的光學(xué)吸收，即金的帶間躍遷[14]。由圖5(b)可知：582 nm的吸收峰由金納米柱與金鍍膜層的耦合產(chǎn)生，該吸收峰與圖3(b)實驗值吻合較好；655 nm的吸收峰主要來自金納米柱頂端的SPR效應(yīng)，該峰較實驗值相比有一定藍移，且峰寬更窄，實驗值吸收譜峰較寬。這是由于本實驗中沉積的金納米柱表面分布有較小的納米金顆粒，進而影響到吸收譜峰線形。

圖5 模擬柱狀金電極的反射譜(a)及其電場分布(b)

為分析金納米柱高度對SPR性質(zhì)的影響，筆者模擬了剝離光刻膠后不同高度金納米柱陣列在空氣中的反射光譜，結(jié)果如圖6所示。圖6(a)是模擬30～90 nm金納米柱高度的反射譜。由圖6(a)可以看到，當(dāng)柱狀高度為30 nm時，在540 nm處有一個小的吸收峰出現(xiàn)，隨著柱體增高，該吸收峰逐漸紅移且強度增大。該現(xiàn)象到90 nm出現(xiàn)反轉(zhuǎn)，隨著金納米柱的高度繼續(xù)增大，570 nm吸收峰逐漸藍移且強度逐漸變低。當(dāng)金納米柱高度高于140 nm時，該峰逐漸并入在450～540 nm處的主吸收波段。為了解釋這種現(xiàn)象出現(xiàn)的原因，考察不同吸收峰的電場分布(圖6(b))。由圖6(a)可知，540 nm的吸收峰由納米柱頂端耦合貢獻，并且峰的紅移程度與高度呈正相關(guān)。由圖6(b)可知，當(dāng)金納米柱高超過90 nm時，由尖端耦合貢獻的峰逐漸藍移并且逐漸合并到450～540 nm附近的吸收峰，出現(xiàn)了一個極寬的主吸收峰，該吸收波段同時包括柱尖端、中部和底端與金鍍層的耦合以及金的帶間躍遷。

圖6 模擬30～90 nm柱狀金電極的反射譜(a)和COMSOL模擬100～200 nm柱狀金電極的反射譜(b)

2.3 蘇丹Ⅱ分子的SERS光譜

圖7是蘇丹Ⅱ固體拉曼光譜和不同濃度蘇丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光譜。由圖7(a)可知，固體蘇丹Ⅱ在低波數(shù)區(qū)主要有2個譜峰，714和985 cm-1，它們來自苯環(huán)的環(huán)外變形和苯氮伸縮振動[17]。在高波數(shù)區(qū)有,4個特征拉曼譜峰，如1 227、1 381、1 497和1 610 cm-1的拉曼譜峰。它們可依次指認(rèn)為苯環(huán)環(huán)內(nèi)變形、苯環(huán)—CH3伸縮振動、C—C伸縮振動、苯環(huán)骨架的伸縮振動[17]。圖7(b)是不同濃度的蘇丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光譜。這里采用120 nm金納米柱陣列結(jié)構(gòu)為SERS基底，將其浸入在不同濃度(1、0.5、0.2和0.05 mmol/L)的蘇丹Ⅱ乙醇溶液過夜，晾干后，采用785 nm波長的激光進行激發(fā)并采集拉曼光譜，功率51.2 mW，積分時間10 s。隨著蘇丹Ⅱ濃度的下降，其SERS信號也在不斷降低。當(dāng)其濃度為 0.05 mmol/L時，仍可觀察到位于1 227和1 382 cm-1處的振動峰，由此確定該結(jié)構(gòu)對蘇丹Ⅱ的最低檢測濃度為0.05 mmol/L。

圖7 蘇丹Ⅱ分子的固體拉曼譜(a)和不同濃度蘇丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光譜(b)

2.4 密度泛函理論計算結(jié)構(gòu)和拉曼光譜結(jié)果

DFT計算考慮了蘇丹Ⅱ的4個低能構(gòu)型，如圖8(a)所示，筆者分別定義這4個構(gòu)型為反式NH(trans-NH)、反式OH(trans-OH)、順式NH(cis-NH)和順式OH(cis-OH)。短線前的反式trans和順式分別表示苯環(huán)上甲基與萘環(huán)上不與偶氮鍵相連的苯環(huán)的相對位置，如在偶氮的同側(cè)則用順式cis，相反則用反式trans。NH和OH表示活性氫連接偶氮的單原子和連接萘環(huán)上的氧原子。相對于trans-NH結(jié)構(gòu)的能量，其他3種異構(gòu)體的能量依次為2.25、2.59和4.69 kcal/mol。依據(jù)Boltzmann分布，4種結(jié)構(gòu)中主要是trans-NH結(jié)構(gòu)。

圖8(b)給出采用PW91PW91交換相關(guān)泛函計算反式NH結(jié)構(gòu)的拉曼光譜。圖8(b)中(i)和(ⅱ)分別是自由分子和考慮乙醇溶劑化后的計算拉曼光譜。首先溶劑化效應(yīng)對相對拉曼強度影響較小，但絕對強度因溶劑化效應(yīng)增大約4倍，這是溶劑場效應(yīng)的結(jié)果[14]。與圖7的較強拉曼譜峰相比，與N—N鍵伸縮相關(guān)的1 380 cm-1譜峰明顯較弱。因蘇丹Ⅱ分子在可見光產(chǎn)生吸收，采用TD-PW91PW91計算，在考慮乙醇溶劑化作用的條件下，其第一單重激發(fā)態(tài)S1躍遷能量為2.36 eV，其有一個大的躍遷振子強度0.619 0，表明該激發(fā)態(tài)時π→π*。第二電子激發(fā)S2為π→π*。躍遷能量為2.39 eV，振子強度僅為0.000 2。為此，筆者以785 nm為激發(fā)光，計算了預(yù)共振拉曼光譜，圖8(b)(ⅲ)。與其他3個原本較強的拉曼譜峰相比，譜峰1 380 cm-1明顯增強。這主要是該譜峰與N—N鍵伸縮振動相關(guān)，盡管在激發(fā)光能量與激發(fā)態(tài)能量相差加大的情況下，785 nm激發(fā)光仍明顯影響到該分子的拉曼光譜相對強度。

圖8 在PW91PW91/6-311+G**水平計算蘇丹Ⅱ在乙醇溶液中的構(gòu)象相對穩(wěn)定性(a)和模擬拉曼光譜(b)

3 結(jié)論

制備了有序金納米柱的SERS基底，并用于蘇丹Ⅱ的SERS光譜檢測，在120 nm高的金納米柱陣列結(jié)構(gòu)上，采用785 nm激光，激光功率15.31 mW/cm2，采集拉曼光譜的積分時間為10 s時，檢測限僅0.05 mmol/L。這不是目前最好的檢測限，主要是采用的激發(fā)波長并不是SPR共振最有效的位置。基于實驗測量和有限元方法計算，對于450 nm周期120 nm高的金柱陣列結(jié)構(gòu)，其SPR吸收峰主要位于550 nm處。基于密度泛函理論計算，首次確定了蘇丹Ⅱ的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)和其理論模擬拉曼光譜，采用PW91PW91廣義梯度泛函給出最優(yōu)的預(yù)共振拉曼光譜。上述實驗和理論研究為SERS檢測蘇丹Ⅱ提供了實驗基礎(chǔ)。