靜電紡絲法制備柔性SERS基底及性能研究

陳 穎，吳振剛，魏恒勇，劉燕梅，王學(xué)沛，裴 媛，靖亞菲，曹吉林

(1.河北工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，天津 200120；2.華北理工大學(xué)分析測試中心，唐山 063210；3.華北理工大學(xué)藥學(xué)院，唐山 063210； 4.華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，唐山 063210)

0 引 言

表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)可顯著增強(qiáng)分子的拉曼散射信號(hào)，極大地提升拉曼測試的靈敏度，不僅能分析樣品中痕量成分，還可以分析該成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)[1-2]。目前SERS基底制備常用的貴金屬中，銀納米粒子(AgNPs)顯示出優(yōu)異的表面拉曼增強(qiáng)性能，主要?dú)w因于局域表面等離子體共振效應(yīng)(LSPR)[3-4]。同時(shí)研究發(fā)現(xiàn)制約銀納米粒子廣泛應(yīng)用的因素主要是空間利用率低、成本高、穩(wěn)定性差等[5-6]。靜電紡絲纖維膜具有高比表面積、高孔隙率、三維結(jié)構(gòu)，作為載體一方面可以解決納米粒子聚集的問題，另一方面也可以使更多的納米粒子與檢測分子結(jié)合，得到更強(qiáng)的拉曼信號(hào)[7-8]。聚乙烯醇(PVA)是一種典型的無毒水溶性高聚物，具有生物相容性和可降解性，可作為金屬和半導(dǎo)體的主體材料，適合用作復(fù)合電紡納米纖維的基體[9-12]。本文利用靜電紡絲技術(shù)制備了PVA/Ag高活性SERS柔性基底。將硝酸銀、聚乙烯醇按照一定比例混合配置紡絲溶液，紡絲成膜后采用紫外光照射還原法[13]得到SERS基底。將此基底應(yīng)用于煙酸藥品的拉曼光譜檢測，為生物藥品檢測提出了新的方法。且柔性基底與剛性材料(玻璃片、硅片等)為支撐的基底相比，輕薄柔韌、可任意裁剪、方便攜帶、可隨待測物體發(fā)生形變，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜表面的殘留物進(jìn)行檢測[14]。制備工藝簡單綠色環(huán)保，比傳統(tǒng)方法，比如采用NaBH4化學(xué)還原法[15]更快、更簡單、更節(jié)約，具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑

聚乙烯醇(1799，醇解度98-99)，十二烷基磺酸鈉(SDS)(AR,98.0%)，硝酸銀(分析純)，無水乙醇(分析純)，羅丹明6G (R6G)，煙酸生化試劑 BR，以上試劑均從上海阿拉丁試劑網(wǎng)購買。

1.2 SERS基底的制備

1.2.1 紡絲液的制備

取4.8 g PVA與0.012 g十二烷基磺酸鈉溶于60 mL去離子水中， 98 ℃水浴加熱溶解攪拌1 h后冷卻至室溫。取一定量的硝酸銀溶于少量去離子水中，緩慢滴加到PVA溶液中，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0%、4%、8%、12%、16%、20%，攪拌均勻得到紡絲液。

1.2.2 靜電紡絲的制備

將紡絲液注入注射器中，并將其固定在微型注射泵上，在直流高壓電壓下啟動(dòng)紡絲裝備，用錫箔紙收集納米纖維。紡絲工藝參數(shù)為：電壓強(qiáng)度為15 kV、接收距離15 cm、注射速度1 mL/h。

1.2.3 柔性SERS基底的制備

將電紡纖維膜在紫外光源下照射，光源功率為400 W,得到柔性SERS基底。

1.3 SERS基底的性能測試

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡(S-4800型，日本日立公司)對(duì)薄膜的表面形貌進(jìn)行表征；采用透射電子顯微鏡(JEM-2800型，日本電子株式會(huì)社)對(duì)銀納米顆粒進(jìn)行表征；采用紫外可見近紅外光譜儀(Lambda 750 S型，美國珀金埃爾默公司)對(duì)薄膜的光學(xué)性能進(jìn)行測試；采用傅里葉紅外光譜儀(VERTEX 70，德國布魯克公司)對(duì)薄膜進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)表征；采用激光拉曼光譜儀(DXR型，美國熱電公司)進(jìn)行拉曼光譜測試，激發(fā)波長633 nm，功率為3 mW。選取羅丹明6G作為探針分子，配制羅丹明6G溶液(10-2mol·L-1)，將納米纖維基底剪切成10 mm×10 mm，浸泡羅丹明6G溶液6 h晾干后，進(jìn)行拉曼測試。

1.4 SERS基底的在藥物分析中的應(yīng)用

配置煙酸溶液(10-2mol·L-1、10-3mol·L-1、10-4mol·L-1、10-5mol·L-1)，將基底浸泡到溶液6 h后晾干，測試?yán)庾V，對(duì)基底拉曼增強(qiáng)性能進(jìn)行表征。

2 結(jié)果與討論

2.1 形貌分析

為了研究不同硝酸銀濃度復(fù)合納米纖維膜的形貌變化，對(duì)樣品進(jìn)行了SEM分析。

圖1為復(fù)合纖維膜SEM照片，當(dāng)硝酸銀含量為0%，4%，8%，12%，16%時(shí)，纖維表面光滑、直徑均一，純PVA纖維膜平均直徑為340 nm，加入硝酸銀后，纖維直徑減小，纖維直徑大約在230～260 nm之間。當(dāng)硝酸銀含量達(dá)到20%時(shí)，圖1(f)中顯示出串珠樣纖維，纖維直徑增大到360 nm，且分布不均。這是由于加入硝酸銀，溶液中的銀離子與聚乙烯醇發(fā)生絡(luò)合，氫鍵斷開，減少了溶液中各分子的相互作用，從而使紡絲溶液的粘度降低，纖維平均直徑有減小趨勢；但同時(shí)硝酸銀的加入量增大，紡絲液電導(dǎo)率增加，當(dāng)液滴在電場中所受電場力增大到一定程度，細(xì)流未經(jīng)完全拉伸下落到接收板上，形成串珠狀纖維。

圖2 16%硝酸銀復(fù)合電紡纖維TEM照片及EDS掃描圖Fig.2 TEM image of electrospun nanofiber(16%AgNO3) and EDS scanning

圖2為電紡纖維透射電鏡圖及EDS掃描圖，可觀察到銀納米粒子大部分均勻地分布在纖維中，個(gè)別顆粒出現(xiàn)了團(tuán)聚，銀納米顆粒呈球形，粒徑小于10 nm，這是因?yàn)榧徑z后照射紫外光還原，銀納米粒子失去了自由流動(dòng)的環(huán)境，降低了繼續(xù)增長和聚集的幾率，此外，EDS分析表明纖維TEM照片中顆粒為銀。

2.2 紫外可見光譜分析

圖3為硝酸銀含量為16%的PVA復(fù)合纖維基底，分別經(jīng)紫外光照射0 h、1 h、2 h、3 h、4 h后的紫外可見吸收光譜圖。

圖3中a顯示復(fù)合納米纖維膜基底未經(jīng)紫外光照射時(shí)，在400～800 nm區(qū)域幾乎沒有吸收，b，c，d，e顯示復(fù)合纖維膜經(jīng)過紫外光照射后，在428 nm左右有特征共振吸收峰，這是由納米銀顆粒的表面等離子體共振吸收引起的。紫外光照射時(shí)間增加，納米銀粒子等離子共振吸收峰強(qiáng)度增強(qiáng)，這是因?yàn)樽贤夤庹丈湓诩{米復(fù)合材料中引起光化學(xué)反應(yīng)，通過從聚乙烯醇鏈上釋放電子[16]，使剩余的離子進(jìn)一步還原為金屬銀(Ag+— Ag0)，從而增加了納米銀顆粒的濃度，空間分布密度增大，有利于形成更多的“熱點(diǎn)”。紫外光照射時(shí)間繼續(xù)增加到4 h，等離子體共振吸收峰的最大吸收波長略微紅移到433 nm，這表明納米顆粒的尺寸和尺寸分布寬度增加[17]。將紫外照射時(shí)間設(shè)置為3 h，納米銀的成核和生長反應(yīng)可在這段時(shí)間內(nèi)達(dá)到性能相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)[18]。

2.3 紅外光譜分析

圖4為純PVA膜與含16%硝酸銀的PVA復(fù)合纖維膜紫外光照射前后的 FT-IR 譜圖，純PVA 在3 325 cm-1，2 941 cm-1和1 714 cm-1處的峰分別為O-H的伸縮振動(dòng)，C-H的伸縮振動(dòng)和殘留的醋酸酯鏈結(jié)構(gòu)的C=O的伸縮振動(dòng)峰；1 332 cm-1處的吸收峰為O-H振動(dòng)與在1 423 cm-1處C-H振動(dòng)的耦合峰(CH-OH)。1 332 cm-1、1 423 cm-1處，譜圖4b，4c與4a相比，1 332 cm-1較1 423 cm-1處伸縮振動(dòng)峰較強(qiáng)度增大，這是由于O-H與Ag之間作用，對(duì)O-H和C-H伸縮振動(dòng)峰產(chǎn)生了解耦作用[19]。

圖3 不同紫外照射時(shí)間電紡纖維 基底的紫外可見光譜圖Fig.3 UV-Vis spectra of electrospun fiber substrates with different UV irradiation time

圖4 電紡纖維基底的紅外光譜圖 (a)純PVA;(b) 未經(jīng)紫外照射16%硝酸銀復(fù)合膜;(c)紫外照射后 16%硝酸銀復(fù)合膜Fig.4 FT-IR spectra of electrospun fiber substrates (a)pure PVA;(b)electrospun nanofiber substrates(16%AgNO3) prepared without UV irradiation;(c)electrospun nanofiber substrates(16%AgNO3) prepared by UV irradiation

2.4 SERS性能分析

以羅丹明6G為探針分子，配制羅丹明6G溶液(10-2mol·L-1)，將納米纖維基底裁剪成10 mm×10 mm，浸泡羅丹明6G溶液6 h晾干后，進(jìn)行拉曼測試，圖5為不同硝酸銀含量的復(fù)合纖維膜基底拉曼光譜，插圖為硝酸銀含量16%的SERS基底照片。

圖5 不同硝酸銀含量的復(fù)合電紡纖維基底SERS光譜圖Fig.5 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different content of AgNO3

圖6 不同紫外照射時(shí)間的電紡纖維基底SERS光譜圖Fig.6 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different UV irradiation time

圖中位移1 652 cm-1,1 364 cm-1,1 314 cm-1處為苯環(huán)C-C鍵的伸縮振動(dòng)，C-H的彎曲振動(dòng)位移為1 184 cm-1，773 cm-1，以及C-C-C的伸縮振動(dòng)1 514 cm-1,620 cm-1位移。從圖5a可以看出，沒有添加硝酸銀的純PVA纖維膜檢測不到拉曼信號(hào)，圖5b，5c，5d，5e隨著硝酸銀含量的增加，羅丹明6G的拉曼增強(qiáng)效果明顯增強(qiáng)。其主要原因在于硝酸銀含量加大，生成的納米銀隨之增加，表面等離子體共振增強(qiáng)，拉曼增強(qiáng)效應(yīng)越來越顯著。結(jié)合掃描電鏡形貌圖，硝酸銀含量16%時(shí)纖維光滑均一，拉曼增強(qiáng)效應(yīng)顯著，且SERS基底具有良好的柔性特征，如圖5中插圖所示。

圖6為不同紫外光照射時(shí)間的納米纖維基底拉曼光譜圖，隨紫外光照射時(shí)間的增加，羅丹明6G的拉曼光譜信號(hào)增強(qiáng)，紫外光照射時(shí)間增加至4 h，拉曼檢測強(qiáng)度減弱，與圖3紫外可見光譜圖結(jié)果相符合，紫外照射時(shí)間3 h，基底性能相對(duì)穩(wěn)定。

2.5 在藥物分析方面的應(yīng)用

制備拉曼增強(qiáng)基底，硝酸銀含量16wt%，紫外光照射3 h，配置煙酸溶液，濃度分別為10-2mol·L-1、10-3mol·L-1、10-4mol·L-1、10-5mol·L-1，基底浸泡6 h晾干后，拉曼檢測結(jié)果如圖7和圖8所示。

圖7 電紡纖維基底上不同濃度煙酸的SERS光譜圖Fig.7 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different content of nicotinicacid

圖8 煙酸濃度對(duì)數(shù)與1 024 cm-1處的拉曼強(qiáng)度對(duì)數(shù)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between logarithm of nicotinic acid concentration and logarithm of Raman intensity at 1 024 cm-1

煙酸特征峰主要出現(xiàn)在837 cm-1、1 024 cm-1、1 375 cm-1、1 576 cm-1處，1 024 cm-1，1 576 cm-1對(duì)應(yīng)于煙酸結(jié)構(gòu)中吡啶環(huán)的呼吸振動(dòng)，837 cm-1位移處的特征峰是平面內(nèi)環(huán)變形，1 375 cm-1位移處對(duì)應(yīng)-COOH基團(tuán)對(duì)稱拉伸模式[20]。從圖7可以看出，隨著煙酸濃度的逐漸降低，拉曼檢測強(qiáng)度不斷減弱，檢測至10-5mol·L-1時(shí)，僅有微弱信號(hào)，因此拉曼增強(qiáng)基底對(duì)煙酸藥物的最低檢測限為10-5mol·L-1。圖8表明煙酸濃度的對(duì)數(shù)與1 024 cm-1處拉曼信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)數(shù)間呈一定的線性關(guān)系，標(biāo)準(zhǔn)曲線為Y=3.333+0.457X，相關(guān)系數(shù)R2為0.948。

3 結(jié) 論

本文利用靜電紡絲技術(shù)制備了聚乙烯醇/銀納米粒子高活性SERS柔性基底。紫外光照射還原后Ag納米顆粒均勻分布在納米纖維中，可產(chǎn)生大量熱點(diǎn)，具有優(yōu)異的SERS性能，可應(yīng)用于煙酸藥品檢測，檢測限可達(dá)10-5mol·L-1。柔性基底具有良好的柔韌性，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜表面殘留物的檢測。