高性能三維納米結(jié)構(gòu)SERS芯片設計、批量制備與痕量汞離子檢測

黃 輝，田 毅，張夢蝶，徐陶然，牟 達，陳佩佩, 3*，褚衛(wèi)國, 3*

1. 長春理工大學光電工程學院，吉林 長春 130022 2. 中國科學院納米光子材料與器件重點實驗室，中國科學院納米科學卓越創(chuàng)新中心，國家納米科學中心納米加工實驗室，北京 100190 3. 中國科學院大學材料與光電研究中心，北京 100049

引 言

重金屬汞(Hg)離子，是現(xiàn)代工業(yè)中劇毒污染物之一，通過飲用水或食物攝入人體后會破壞中樞神經(jīng)系統(tǒng)被造成，嚴重損害身體健康，各國對此都制定了嚴格標準[1]。因此，高靈敏快速檢測水中Hg離子含量對于保護水資源及人類健康十分重要。表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)作為一種無損、高靈敏、快速表面分析檢測光譜技術，在農(nóng)藥殘留、炸藥和藥物等的痕量與特異檢測中具有很大應用潛力[2-3]。研究表明，SERS效應主要來源于表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)尤其是局域表面等離子體共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)產(chǎn)生的電磁場增強(electromagnetic enhancement, EM)[4]。此外，沿著金屬表面或金屬/介質(zhì)界面?zhèn)鞑サ谋砻娴入x子體激元(surface plasmon polaritons, SPPs)在一定條件下也會對電磁場增強作出顯著貢獻[7]。尤其對于特定三維納米結(jié)構(gòu), 如三維多支結(jié)構(gòu)[5]、納米網(wǎng)格[6]等，LSPR與SPP發(fā)生耦合作用，通過調(diào)控和優(yōu)化納米結(jié)構(gòu)圖案和尺寸，可顯著增強這種耦合作用，從而進一步增強局域電磁場，使SERS效應更為顯著，提升SERS芯片的性能。因此，除了通過減小等離激元金屬顆粒之間的間隙改善SERS性能的常規(guī)手段外，通過設計和制備特定三維納米結(jié)構(gòu)使得LSPR與SPP耦合作用最大化是提高SERS芯片性能的另一種重要的新方式和新途徑。

SERS芯片的實用化不僅要求高靈敏度，還要求檢測信號高均一、可重現(xiàn)以及穩(wěn)定并且可實現(xiàn)低成本制備等等。先進納米加工技術如電子束曝光、等離子體刻蝕等由于分辨率高和能夠可控制備均一納米結(jié)構(gòu)，因而是制備高性能SERS芯片三維納米結(jié)構(gòu)的有力手段，但有產(chǎn)率低、加工成本高等缺點。而納米壓印技術(nanoimprint lithography, NIL)不僅具有高分辨率而且可實現(xiàn)三維納米結(jié)構(gòu)的高效、低成本批量制備，是對傳統(tǒng)納米加工技術的重要補充，已成功應用于諸多納米結(jié)構(gòu)的加工制備，如超表面、衍射光學元件、寬帶偏振器件[7-8]等。但是納米壓印技術也存在一些缺點，如壓印時產(chǎn)生的應力分布不均勻和應力集中及脫模困難等往往導致難以實現(xiàn)大面積均勻納米結(jié)構(gòu)的批量制備等。

實際上，消除壓印過程中的應力集中及合理分配應力，可減小和有效控制脫模切應力，將大大降低脫模難度，是成功壓印大面積均一納米結(jié)構(gòu)的關鍵。目前，僅有通過仿真模擬壓印過程中壓印膠填充成型[9]、紫外曝光成型[10]、壓印膠氣泡分析[11]等的研究，而未見針對微區(qū)應力、動態(tài)應力與形變進行定量分析，開展對壓印模板設計的研究。過去通常認為施加于壓印模板上的壓力/壓強在整個模板范圍內(nèi)分布均勻，實際上由于制備過程帶來的壓印模板翹曲變形、模板表面附著物等因素致使模板平整度或起伏度很難控制在微小尺度(如數(shù)微米)范圍內(nèi)。以及施加壓印壓力過程中模板和襯底發(fā)生變形都會導致模板和壓印膠界面處的應力在微區(qū)分布產(chǎn)生數(shù)量級上的差異。因此，高精度控制與分化微區(qū)特別是納米尺度應力是納米結(jié)構(gòu)壓印成功與否的關鍵。

本工作通過有限元分析對壓印力平衡狀態(tài)下的微區(qū)應力分布進行模擬，對模板的結(jié)構(gòu)和尺寸進行設計，發(fā)展出一種具有應力分化功能的納米壓印模板，實現(xiàn)了大面積高均一納米結(jié)構(gòu)SERS芯片的壓印制備。該SERS芯片具有檢測高靈敏度和信號高均一性，并且可低成本制備。對羅丹明6G(R6G)分子的檢測極限為2.08×10-12mol·L-1，增強因子達3×108，檢測均一性標準偏差(RSD)僅為8.07%。對水中Hg離子的可探測最低濃度為5.0×10-11mol·L-1(10 ppt)，工作曲線線性范圍為5.0×10-11～5.0×10-5mol·L-1，跨度達6個數(shù)量級，在目前汞離子檢測技術中具有顯著優(yōu)勢。這種低成本批量制備納米結(jié)構(gòu)的通用方法及制備的高性能SERS芯片對于推動痕量物質(zhì)的高靈敏快速檢測具有重要的實用價值。

1 實驗部分

1.1 納米壓印模板設計

采用有限元(FEA)方法對納米壓印過程進行模擬。建立硅模板和石英襯底的壓印模型。對已接觸及將要接觸的模板/襯底界面區(qū)域設置接觸對。選用正四面體單元剖分，提取模板圖案表面等效節(jié)點力，計算壓印過程中此區(qū)域微區(qū)應力分布，對模板的結(jié)構(gòu)和尺寸進行設計。

1.2 納米壓印模板制備

壓印模板的圖案區(qū)域納米結(jié)構(gòu)由電子束曝光系統(tǒng)(Vistec EBPG 5000 plus ES, Raith公司, 德國)和高密度等離子體刻蝕機(SI 500, SENTECH公司, 德國)制備。紫外光刻機(MA6，SUSS公司，德國)和等離子體刻蝕機用來制備模板的應力分化區(qū)臺階結(jié)構(gòu)。掃描電子顯微鏡(NOVA NanoSEM 430, FEI公司, 美國)用來對制備過程中的納米結(jié)構(gòu)進行表征。

1.3 SERS芯片制備

使用1H, 2H, 2H, 2H-全氟辛基三氯硅烷(阿法埃莎公司，中國)對壓印模板進行鈍化處理3 h。將模板置于納米壓印機(HEX-01，Zwick/Roell公司，德國)樣品腔室內(nèi)的載物臺上，涂覆有納米壓印膠(GD-PS01，光舵微納有限公司)的石英襯底固定于樣品腔室頂部基板[圖1(a)]。抽取樣品腔室真空，控制頂部基板帶動石英襯底以150 N壓力對硅模板進行壓合100 s，開啟紫外光照射3 min[圖1(b)]使壓印膠固化。抬離樣品腔室頂部基板，分離硅模板與石英襯底，在壓印膠上得到壓印圖形[圖1(c)]。

圖1 納米壓印工藝流程圖(a)： 固定模板和襯底； (b)： 壓合和固化壓印膠； (c)： 模板和襯底分離實現(xiàn)脫模Fig.1 Flow chart of NIL(a)： Immobilization of template and substrate； (b)：Pressing and curing NIL resist；(c)： Template-substrate separation for demolding

使用電子束蒸發(fā)鍍膜系統(tǒng)(OHMIKER-50B, Cello-Tech 公司, 臺灣, 中國)，設置樣品腔室真空度<1×10-7Torr，采用10 kV高壓和11 nA電子束束流，在石英襯底的壓印膠納米結(jié)構(gòu)上沉積厚度為30 nm的Au薄膜。

1.4 R6G分子和Hg離子檢測

分別采用濃度為1×10-11, 1×10-10，1×10-8和1×10-6mol·L-1的R6G溶液(阿拉丁化學試劑公司)修飾芯片12 h。使用拉曼光譜儀(Renishaw in Via, Renishaw公司, 英國)使用632.8 nm波長和1 mW功率的激光、100倍物鏡(數(shù)值孔徑為0.75)和10 s積分時間，分別對四個芯片表面圖案區(qū)5個不同位置進行拉曼譜圖采集。再對R6G分子的1 360 cm-1特征峰進行擬合，取5個譜峰強度的平均值為此濃度R6G分子的SERS信號強度值。

采用1×10-6mol·L-1濃度的4,4’-聯(lián)吡啶(Bpy)(99.8%，北京伊諾凱科技有限公司)乙醇溶液修飾芯片4 h。然后，分別滴加35 μL濃度為5×10-11，5×10-9，5×10-7和5×10-5mol·L-1的Hg離子溶液(由1 000 μg·mL-1的Hg離子標準溶液配制，國家有色金屬及電子材料分析測試中心)至芯片表面，保持10 min后去除溶液。拉曼信號測試與分析方法同上述R6G分子。同時，檢測空白水樣的拉曼信號作為對照。

2 結(jié)果與討論

2.1 高性能SERS芯片的三維納米結(jié)構(gòu)

調(diào)控和優(yōu)化三維納米結(jié)構(gòu)圖案和尺寸，使得LSPR與SPP耦合作用增強甚至最大化，從而進一步增強局域電磁場，是提高SERS芯片性能的一種重要的新途徑。我們設計了由六邊形納米孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)和等離激元金屬納米顆粒組成的SERS芯片，并對納米結(jié)構(gòu)的橫向、縱向尺寸、對稱性和等離激元金屬粗糙度等參數(shù)進行優(yōu)化。圖2為SERS芯片的納米結(jié)構(gòu)示意圖，其中六邊形結(jié)構(gòu)單元對邊距L為300 nm，孔間距D為200 nm，孔深度H為300 nm[圖2(a)]。在入射光的照射激發(fā)下[圖2(b)]周期納米孔結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生多種提高SERS性能的電磁場增強效應： 側(cè)壁金屬/空氣及金屬/介質(zhì)界面產(chǎn)生的SPP以及粗糙金納米顆粒產(chǎn)生的LSPR； 底平面金屬/空氣界面產(chǎn)生的SPP和粗糙金納米顆粒產(chǎn)生的LSPR； 此外，由于底平面金屬對入射光的反射在側(cè)壁產(chǎn)生駐波激發(fā)產(chǎn)生LSPR。在側(cè)壁和底平面產(chǎn)生的SPP還可以作為二次激發(fā)波進一步與LSPR產(chǎn)生耦合，提高SERS性能。

圖2 (a)帶有尺寸標注的六邊形納米孔/Au顆粒結(jié)構(gòu)的三維等距示意圖(L=300 nm, D=200 nm, H=300 nm)； (b)單元結(jié)構(gòu)(側(cè)剖)中LSPR與SPP效應示意圖Fig.2 (a) 3D isometric view of hexagonal nanopore/Au particle models (L=300 nm, D=200 nm, H=300 nm)； (b) Schematic illustration (section view) of LSPR and SPP effects existing in each unit cell

2.2 壓印模板設計

采用納米壓印制備以上特征尺寸納米結(jié)構(gòu)SERS芯片。為了分化微區(qū)應力，實現(xiàn)大面積均一納米結(jié)構(gòu)壓印，我們采用有限元(FEA)方法對壓印過程達到力平衡時圖案區(qū)域的微區(qū)應力進行模擬，通過調(diào)控模板縱向結(jié)構(gòu)和整體尺寸減小應力差異度，提高微區(qū)應力均勻性。

2.2.1 模板縱向結(jié)構(gòu)設計

模板制備過程中的壓印模板翹曲變形、模板表面附著物等因素致使模板平整度或縱向起伏度難以控制在數(shù)微米量級。因此，增加壓印過程中模板/襯底界面的變形能力是分化應力進而減小應力差異的一種有效方式。然而，常規(guī)硬質(zhì)模板圖案結(jié)構(gòu)高度僅為幾納米至幾百納米，通過模板縱向變形進行應力分化的能力很弱。為了增加壓印過程中模板形變?nèi)菰S度，我們提出一種雙層結(jié)構(gòu)模板，即在圖案周圍設置應力分化結(jié)構(gòu)。通過有限元方法模擬相同尺寸單層和雙層模板壓印過程中達到力學平衡時界面微區(qū)應力。

設置單層模板模型為邊長7 mm、厚度500 μm的硅平板[圖3(a)]。模板表面納米結(jié)構(gòu)高度為350 nm，與硅模板厚度500 μm相比可以忽略。邊長2 cm的石英襯底置于模板上方，厚度300 nm的壓印膠可以忽略。建立雙層模板模型[圖3(b)]，設置模板為邊長7 mm、圖案區(qū)域邊長3 mm的正方形平臺。應力分化結(jié)構(gòu)環(huán)繞圖案，為深度20 μm、寬度2 mm的臺階。兩個壓印模型中，150N的力載荷施加于石英襯底頂部，固定約束置于模板底部。

圖案區(qū)域的微區(qū)應力模擬結(jié)果如圖3(c)和(d)所示，單層模板的界面應力[圖3(c)]自圖案區(qū)域中心向邊緣迅速增加，最小值為3.275×106Pa位于圖案中心，在圖案邊緣頂角處達到最大值4.975×106Pa。而雙層模板的界面應力[圖3(d)]從圖案中心的3.458×106Pa向周邊先增加到最大值4.98×106Pa然后迅速降低，在圖案邊緣降到最低值1.72×106Pa。這是由于在壓印過程中，石英襯底中心區(qū)域首先與模板圖案中心區(qū)域接觸，而未接觸的部分繼續(xù)產(chǎn)生縱向形變直到接觸模板的應力分化結(jié)構(gòu)。高應力區(qū)占圖案～72%的面積，其應力均勻性比單層模板提升17%； 由圖3(d)得出界面微區(qū)應力從圖案中心向周邊呈增加趨勢的正方形區(qū)域(2.55 mm×2.55 mm)為高應力區(qū)，占整個圖案面積的～72%[圖3(g)高應力區(qū)]，應力均值為3.8 MPa，應力值在3.5～5.0 MPa的比例為78%[圖3(h)左側(cè)柱狀圖]。而單層模板在此區(qū)域[圖3(h)右側(cè)柱狀圖]的應力均值為3.7 MPa，應力值在3.5～5.0 MPa的比例為61%[圖3(h)左側(cè)柱狀圖]。可見，雙層模板的高應力區(qū)平均應力比單層模板高0.1 MPa，應力值在3.5～5.0 MPa區(qū)域多17%，應力差異性小、均勻性高，說明雙層模板具有應力分化能力，將顯著提升大面積壓印結(jié)構(gòu)均勻性。此外，雙層模板設計還會在圖案邊緣～28%的區(qū)域產(chǎn)生低應力區(qū)[圖3(d)和(g)]，減小脫模切應力，大大提升脫模成功率。

圖3 模板縱向結(jié)構(gòu)對微區(qū)應力分布的影響(a)： 單層硅模板壓印模型示意圖； (b)： 雙層硅模板(具有微米深度臺階的應力分化區(qū))壓印模型示意圖； (c)： 單層硅模板圖案區(qū)域表面應力分布； (d)： 雙層硅模板圖案區(qū)域表面應力分布； (e)： 單層硅模板中心72%圖案區(qū)域的表面應力分布； (f)： 雙層硅模板中心72%圖案區(qū)域—高應力區(qū)的表面應力分布； (g)： 雙層模板中心高應力區(qū)與邊緣低應力區(qū)分布示意圖； (h)： 兩種模板中心72%圖案區(qū)域的應力值百分比柱狀圖Fig.3 The effect of vertical configuration on the stress distribation(a): 3D model of monolayer template； (b): 3D model of dual-layer template with a stress-homogenized zone； (c): Equivalent stress distribution on patterned area of monolayer template calculated by FEA method； (d): Equivalent stress distribution on patterned area of dual-layer template calculated by FEA method； (e): Equivalent stress distribution on 72% patterned area of monolayer template； (f): Equivalent stress distribution on 72% patterned area of dual-layer template； (g): Distribution diagram of low and high stress areas over patterns of the template； (h): Percentage stacked histogram of stress values of two models

2.2.2 模板整體尺寸設計

除縱向結(jié)構(gòu)之外，調(diào)控模板整體尺寸是增加模板/襯底界面變形能力，進行分化應力的另一種方式。為了研究模板尺寸對界面應力分布的影響，我們建立了正方形模板尺寸分別為7，11和15 mm，圖案區(qū)域均為尺寸3 mm正方形平臺的三種雙層模板模型[圖4(a)—(c)]。圖案周圍設置應力分化結(jié)構(gòu)，深度為20 μm，寬度分別為2，4和6 mm。其他模型設置參數(shù)與上述相同。圖4(d)—(f)微區(qū)應力分布結(jié)果表明，隨著模板整體尺寸從7，11 mm增加到15 mm，圖案中心區(qū)界面應力分別銳減～106，～105和～103Pa量級。邊長7 mm的模板界面應力分布在1.72×106～4.98×106Pa之間。邊長11和15 mm的模板界面應力分別分布于2.85×105～1.23×106和8×103～3.65×105Pa，圖案區(qū)域界面應力差異分別達一個和兩個數(shù)量級?？梢?，使用邊長11和15 mm的壓印模板，在低界面應力(<105Pa)對應的石英襯底受壓位置將無法得到高質(zhì)量結(jié)構(gòu)甚至無結(jié)構(gòu)產(chǎn)生。

圖4 (a—c) 雙層模板壓印模型示意圖，其中模板邊長分別為(a) 7 mm，(b) 11 mm，(c) 15 mm；(d—f) 各模型整體圖案的表面應力分布，其中模板邊長為(d) 7 mm，(e) 11 mm，(f) 15 mmFig.4 (a—c) Schematic diagrams of dual-layer template with the size of (a) 7 mm, (b) 11 mm and (c) 15 mm；and their stress distributions (d—f) derived from FEA calculation, respectively

綜合以上模擬結(jié)果，邊長7 mm的雙層模板將有效提升壓印界面平均應力，并減小應力差異，意味著在實際壓印過程中可施加更小的壓力得到均勻性更高的大面積納米結(jié)構(gòu)； 還會在圖案邊緣四周產(chǎn)生低應力區(qū)，減小脫模切應力，大大降低脫模難度。

2.3 納米壓印模板制備

依據(jù)以上模擬結(jié)果確定模板尺寸，然后制備壓印模板。如圖5(a)模板制備流程圖所示，在硅襯底上涂覆電子束膠，通過電子束曝光得到納米孔電子束膠結(jié)構(gòu)。沉積80 nm厚金屬鉻(Cr)薄膜，通過剝離工藝得到與電子束膠結(jié)構(gòu)互補的Cr薄膜圖案。以Cr為掩膜刻蝕硅，之后去除Cr薄膜得到硅納米柱結(jié)構(gòu)。再通過紫外光刻、等離子體刻蝕和去膠等步驟在圖案區(qū)周圍制作深度為20 μm的應力分化區(qū)臺階結(jié)構(gòu)[圖5(b)]，完成硅壓印模板制備。掃描電鏡圖[圖5(c)—(e)]表明，制備的模板圖案與SERS芯片所需的納米孔結(jié)構(gòu)互補，為對邊距～300 nm，間距～200 nm，高度～350 nm的六邊形納米柱陣列結(jié)構(gòu)。

圖5 模板制備過程和制備得到的模板結(jié)構(gòu)(a)： 制備模板圖案區(qū)納米結(jié)構(gòu)流程圖； (b)： 制備模板應力分化區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖；(c)—(e)： 制備得到六邊形納米柱結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖Fig.5 Fabrication process and structure of template(a): Three-dimensional flow chart of nanostructures convex on silicon template prepared by electron beam lithography, plasma enhanced reactive ion etching, lift-off process, etc； (b): Schematic diagram of the stress-homogenized zone on silicon template； (c)—(e): SEM images of hexagonal nanostructures of template

根據(jù)模擬結(jié)果，我們制備了四種模板用以開展壓印對比實驗： 其中三種雙層模板，邊長分別為7，11和15 mm，圖案均為邊長3 mm的正方形區(qū)域，應力分化結(jié)構(gòu)為深度20 μm，寬度分別為2，4和6 mm的臺階； 一種邊長3 mm正方形圖案區(qū)域、模板整體尺寸7 mm的單層模板(無應力分化結(jié)構(gòu))。

2.4 SERS芯片制備

用四種模板進行壓印制備SERS芯片的三維納米結(jié)構(gòu)。壓印過程包括襯底處理(清洗和鈍化)、壓印膠涂覆、模板-襯底對準壓合、壓印膠固化、脫模等。我們對襯底處理過程、壓印膠性能和結(jié)構(gòu)、對準壓合過程(微氣泡去除方法等)、載荷(施壓大小、速率等)、固化和脫模方式等多個工藝參數(shù)進行了優(yōu)化。在邊長2 cm的石英襯底上得到的壓印結(jié)果如圖6所示，對于雙層模板，模板邊長為15 mm時只有少量結(jié)構(gòu)被成功壓印到石英襯底[圖6(a)]。隨模板邊長減小，得到的壓印圖形面積增加[圖6(b)]。7 mm雙層模板使邊長3 mm圖案區(qū)域的納米結(jié)構(gòu)全部成功壓印至石英襯底[圖6(c)]。而7 mm單層模板產(chǎn)生極小面積的壓印圖形[圖6(d)]。此實驗結(jié)果與模擬結(jié)果完全一致。7 mm雙層模板壓印結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖(圖7)表明，壓印膠納米孔結(jié)構(gòu)具有高均一性[圖7(a)]，壓印膠納米孔結(jié)構(gòu)的特征尺寸為對邊距～300 nm，間距200 nm[圖7(b)]，深度300 nm[圖7(c)]。在壓印膠結(jié)構(gòu)上沉積30 nm厚的金納米顆粒薄膜[圖7(d)]，得到由壓印膠納米結(jié)構(gòu)和Au納米顆粒組成的介質(zhì)材料/金屬三維納米結(jié)構(gòu)SERS芯片。

圖6 使用邊長分別為(a) 15 mm，(b) 11 mm和(c) 7 mm的雙層模板進行納米壓印后受壓石英襯底表面照片； (d)邊長為7 mm的單層模板進行納米壓印后受壓石英襯底表面照片； 各圖右下角為使用的模板尺寸和結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The photos of the quartz substrate surfaces after NIL using dual-layer templates with a size of (a) 15 mm, (b) 11 mm, (c) 7 mm and (d) using monolayer template with 7 mm side length； The lower right corner of each figure is the schematic diagram of executing template

圖7 使用邊長7 mm的雙層模板，通過納米壓印在石英襯底上制備得到六邊形納米孔陣列壓印膠結(jié)構(gòu)的電鏡圖(a)側(cè)視，(b)俯視； (c)剖面； (d)蒸鍍Au納米顆粒后的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖Fig.7 SEM images of hexagonal nanopore arrays with imprint resist on surface of a quartz substrate obtained by dual-layer template with a size of 7 mm(a): Side view; (b): Vertical view; (c): Section view; (d): Side view after depositing Au nanoparticles

2.5 SERS芯片的痕量物質(zhì)檢測

2.5.1 痕量R6G分子檢測

使用該SERS芯片對多個不同濃度R6G進行檢測，圖8(a)為濃度1×10-11，1×10-10，1×10-8和1×10-6mol·L-1的拉曼峰位移與強度譜圖?？梢?，隨濃度降低，拉曼譜峰總體強度下降。濃度為1×10-11mol·L-1時，R6G的譜峰信號依然清晰可見。選取R6G分子的特征峰1 360 cm-1進行定量分析，圖8(b)此特征峰強度和濃度對數(shù)工作曲線呈現(xiàn)良好的線性關系(R2=0.971)?；诖斯ぷ髑€，依據(jù)檢測極限定義——信噪比為3時對應的濃度，推算出檢測極限為2.08×10-12mol·L-1。使用以下公式估算該SERS芯片的增強因子(enhancement factor, EF)

其中，ISERS和I0分別為低濃度分子在SERS芯片上及高濃度分子在平坦金屬膜上測得的拉曼特征峰強度，cSERS及c0分別是低濃度和高濃度值。這里cSERS取值1×10-11mol·L-1，計算得到EF為3×108，優(yōu)于許多報道的同類SERS芯片[12-13]，另外，拉曼譜峰強度-分子濃度對數(shù)工作曲線呈良好的線性關系[圖8(b)]，表明此SERS芯片在寬濃度范圍具有優(yōu)異的定量檢測性能。

使用1×10-5mol·L-1的R6G修飾SERS芯片開展信號均一性測試。在邊長3 mm正方形圖案區(qū)域隨機選取80個位置進行拉曼測試，統(tǒng)計分析得到特征峰強度的相對標準偏差(RSD)僅為8.07%[圖8(c)]，表明該SERS芯片上的高均一納米結(jié)構(gòu)帶來檢測信號的高均一性。

圖8 SERS芯片檢測R6G分子(a)： 不同濃度R6G分子的拉曼譜圖； (b)： R6G分子濃度-特征峰強度工作曲線； (c)： SERS芯片上80個測試點的拉曼特征峰強度柱狀圖Fig.8 Detection of R6G molecules by using SERS chips(a): Raman spectra of R6G molecules with concentrations ranging from 1×10-11 to 1×10-5 mol·L-1 decorated on the SERS chips, respectively； (b): The calibration curves of the intensity of the peak at 1 360 cm-1 versus the logarithmic concentration for R6G molecules detection； (c): Bar graph of Raman intensity at 80 test points on SERS chip

2.5.2 痕量Hg離子檢測

為了檢測水中重金屬Hg離子濃度，使用4,4’-聯(lián)吡啶(Bpy)分子修飾芯片。當Hg離子與Bpy接觸時，可與其形成強配位鍵，使Bpy分子遠離芯片結(jié)構(gòu)表面，造成拉曼峰強度降低，根據(jù)降低程度可定量檢測Hg離子濃度。我們用濃度1×10-5mol·L-1的Bpy修飾芯片，分別檢測濃度為5.0×10-11，5.0×10-9，5.0×10-7和5.0×10-5mol·L-1的Hg離子，積分時間均為10 s。選取Bpy分子1 610 cm-1拉曼特征峰進行定量分析。結(jié)果表明[圖9(a)]，隨著Hg離子濃度增加，特征峰強度逐漸降低。該芯片可檢測最低濃度為5.0×10-11mol·L-1(10 ppt)的汞離子，比美國飲用水標準(10 nmol·L-1，即2 000 ppt)低2個數(shù)量級。比許多報道的Hg離子SERS芯片具有更高的靈敏度[14-15]。計算各濃度Hg離子對應的Bpy特征峰強度相對于空白水樣的下降百分比，繪制特征峰強度變化百分比-Hg離子濃度工作曲線[圖9(b)]，其中I0表示空白水樣的特征峰值，I表示加入各濃度Hg離子后的特征峰值，其隨Hg離子濃度變化關系曲線呈現(xiàn)良好的線性關系，相關系數(shù)R2達0.966。以上結(jié)果表明，此SERS芯片能夠高靈敏、快速檢測濃度范圍為5.0×10-11～5.0×10-5mol·L-1的Hg離子，工作曲線濃度范圍跨度達6個數(shù)量級，將具有廣泛的實際應用場景。

圖9 修飾bpy的SERS芯片檢測Hg離子(a)： 不同濃度Hg離子的拉曼光譜；(b): 特征峰強度與Hg離子濃度關系Fig.9 Hg ions detection by the SERS chips modified with bpy(a)： Raman spectra of Hg ions with different concentrations； (b): The relationship between Raman signal intensity (at 1 610 cm-1) and concentration of Hg ions

3 結(jié) 論

發(fā)展了一種介質(zhì)三維納米結(jié)構(gòu)/等離激元金屬納米顆粒復合的高性能SERS芯片，三維納米結(jié)構(gòu)特征是單元結(jié)構(gòu)對邊距300 nm、間距200 nm、高度200 nm的六邊形周期陣列。此芯片對羅丹明6G分子的檢測極限為2.08×10-12mol·L-1，增強因子達3×108，檢測均一性RSD僅8.07%。該芯片的汞離子探測限濃度為10 ppt，且濃度線性工作范圍為5.0×10-11～5.0×10-5mol·L-1，跨度達6個數(shù)量級，在目前汞離子SERS芯片同類檢測技術中具有顯著優(yōu)勢。

采用與半導體平面工藝兼容的納米壓印技術制備芯片。為實現(xiàn)大面積均一納米結(jié)構(gòu)的壓印制備，采用有限元方法對壓印過程界面微區(qū)應力進行模擬，通過模板結(jié)構(gòu)和尺寸調(diào)控減小應力差異度，提高微區(qū)應力均勻性。利用此模板設計方法，提出一種具有高界面形變能力和應力分化功能的雙層壓印模板，實現(xiàn)了上述高性能SERS芯片的高質(zhì)量制備。這種三維納米結(jié)構(gòu)SERS芯片不僅適用于痕量重金屬離子檢測而且完全適用于其他痕量物質(zhì)檢測。基于雙層模板微區(qū)應力分化功能的納米壓印方法，是一種低成本批量制備納米結(jié)構(gòu)的通用方法，對于高性能SERS芯片的高效高質(zhì)量加工制備和實際應用具有重要意義。