基于閃耀光柵復(fù)型的SERS 基底制備及其在農(nóng)藥檢測中的應(yīng)用

臧俊飛，許美鳳，王超男

（南通大學(xué) 理學(xué)院，江蘇 南通 226019）

表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）光譜可以提供分子的指紋信息，被廣泛用于分子的檢測和識別。SERS 檢測技術(shù)具有無損、高靈敏度、特異性、不受水的影響等特點，在毒品檢測、生物醫(yī)學(xué)傳感及食品安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。目前普遍認為SERS 增強的主要機理是電磁場增強[5]。當(dāng)入射光頻率與金或銀納米結(jié)構(gòu)中自由電子的固有頻率相同或接近時，會發(fā)生強烈的局域表面等離子體共振（localized surface plasmon resonance，LSPR），在金或銀納米結(jié)構(gòu)表面形成極強的局域電場，從而增強表面吸附分子的拉曼散射信號。尤其是在納米間隙、尖銳的納米尖端和粗糙的表面，局域電場可被極大的增強，構(gòu)成所謂的“熱點”結(jié)構(gòu)[6-7]。因此，具有高密度熱點結(jié)構(gòu)SERS 基底的制備一直是SERS 研究的主要內(nèi)容之一。

高密度熱點結(jié)構(gòu)賦予基底良好的靈敏度，在實際檢測中基底的高均勻性是獲得可靠檢測結(jié)果的重要保障。利用電子束刻蝕、光刻等技術(shù)可以獲得有序結(jié)構(gòu)，從而制備高度均勻的SERS 基底，但其設(shè)備昂貴、成本高、操作時間長[8-9]。采用具有有序結(jié)構(gòu)的模板可以簡單、經(jīng)濟地制備SERS 基底。例如具有有序孔洞結(jié)構(gòu)的陽極氧化鋁[10-11]和具有周期條紋結(jié)構(gòu)的光盤[12]都是良好的模板材料。閃耀光柵是常用的光學(xué)器件，其表面具有大面積周期鋸齒狀納米結(jié)構(gòu)，是理想的SERS 襯底材料，但是閃耀光柵用于SERS 基底制備的研究鮮有報道。

另一方面，普通的SERS 基底常以剛性材料為襯底，對目標分子的檢測需要復(fù)雜的采集、制樣過程，最后滴加到剛性基底上進行信號檢測，導(dǎo)致檢測效率低，無法獲得原位信號，限制了SERS 技術(shù)的應(yīng)用。柔性透明的SERS 基底可以通過直接貼附的方式實現(xiàn)不規(guī)則固體被檢物表面目標分子的原位檢測，很好地解決了SERS 技術(shù)難以進行現(xiàn)場、原位檢測的問題。聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有高透明度、良好的柔韌性、穩(wěn)定、易制備等優(yōu)點，已被證明可用于魚、蘋果及櫻桃表面目標分子的原位檢測[13-15]。

本文以具有大面積周期鋸齒狀納米結(jié)構(gòu)的閃耀光柵為模板，通過簡單的PDMS 復(fù)制和蒸鍍的方法制備了具有良好SERS 活性的Ag/PDMS 柔性透明基底。該基底可以直接貼附于任意形狀固體待檢物的表面，實現(xiàn)目標分子的原位、快速及痕量檢測，在食品安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard 184），道康寧（中國）有限公司；福美雙（化學(xué)純度為97%），上海阿拉丁生化科技有限公司；結(jié)晶紫，上海潤捷化學(xué)試劑有限公司。實驗中所用的水均為超純水（電阻率≥18.25 MΩ·cm）。

1.2 具有周期性光柵結(jié)構(gòu)的PDMS 薄膜的制備

以閃耀光柵為模板，用PDMS 復(fù)制閃耀光柵表面的周期性光柵結(jié)構(gòu)。首先，將閃耀光柵用超純水超聲清洗10 min，去除其表面雜質(zhì)，并用氮氣吹干。其次，將PDMS 單體與固化劑按質(zhì)量比為10∶1 混合，攪拌5 min 后放入真空箱，抽真空脫氣20 min，然后將其倒在干凈的閃耀光柵表面，再次抽真空脫氣30 min，使得PDMS 在固化過程中可以更好地貼合在閃耀光柵表面。脫氣完成后，將其放在60 ℃的烘箱中持續(xù)固化4 h。最后，將固化的PDMS 從閃耀光柵表面剝離，得到具有周期性光柵結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜。

1.3 Ag/PDMS 基底的制備

采用真空蒸鍍法在具有周期光柵結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜表面蒸鍍Ag 納米結(jié)構(gòu)。蒸鍍在8 × 10-4Pa 的真空下進行，速率為0.3 ?/s，蒸鍍時間分別設(shè)置為10、30、50 和70 min。

1.4 測試與表征

采用場發(fā)射掃描電子顯微鏡（Gemini 300）對光柵模板、復(fù)制了光柵結(jié)構(gòu)的PDMS 薄膜襯底和Ag/PDMS 基底的形貌進行觀測。以結(jié)晶紫為探針分子，對不同蒸鍍時間下制備的Ag/PDMS 基底的增強性能進行表征。將濃度為10-4mol/L 的結(jié)晶紫滴在待測基底表面，真空干燥后使用拉曼光譜儀（Advantage 785，DeltaNu）收集結(jié)晶紫的拉曼信號，所用激光波長為785 nm，輸出功率為36 mW。采用OEM 型拉曼光譜儀對蘋果表面的不同濃度的福美雙分子進行原位檢測，所用激光波長也為785 nm，激光功率為255 mW。所有光譜的積分時間均為10 s。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 閃耀光柵模板及復(fù)制得到的PDMS 薄膜的表面形貌

圖1 是閃耀光柵模板及復(fù)制得到的PDMS 薄膜表面的SEM 形貌圖。由圖1（a）和（b）可見，光柵表面具有周期性的鋸齒狀陣列結(jié)構(gòu)，周期約為850 nm。鋸齒下粗上窄，其頂端較為平滑尖銳。圖1（c）和（d）是復(fù)制得到的PDMS 薄膜的表面形貌圖。與閃耀光柵中的鋸齒狀結(jié)構(gòu)相比，其鋸齒狀結(jié)構(gòu)的頂端變鈍，且變得相對不平整。這可能是由于PDMS 的前驅(qū)混合溶液無法流到光柵模板狹窄的底部縫隙處導(dǎo)致的。

圖1 閃耀光柵和復(fù)制得到的PDMS 薄膜的SEM 形貌圖Fig.1 SEM images of the blazed grating and the PDMS film copying the structure of blazed grating

2.2 蒸鍍時間對Ag/PDMS 基底形貌結(jié)構(gòu)的影響

通過熱蒸鍍的方法在具有周期鋸齒結(jié)構(gòu)的PDMS 表面生長Ag 納米結(jié)構(gòu)，從而獲得具有SERS活性的Ag/PDMS 基底。圖2 是在不同蒸鍍時間下制備的Ag/PDMS 基底的表面形貌圖。當(dāng)蒸鍍時間為10 min 時，Ag 納米顆粒呈島狀均勻生長在PDMS薄膜表面（圖2（a）和（b）），顆粒大小約為30 nm（圖2（c）），顆粒間隙約為20 nm。

圖2 不同蒸鍍時間下制備的Ag/PDMS 基底的SEM 圖及其納米顆粒的粒徑統(tǒng)計直方分布圖Fig.2 SEM images of Ag/PDMS substrates prepared with different deposition times and the histograms of nanoparticle size

隨著蒸鍍時間的延長，越來越多的Ag 原子沉積到光柵結(jié)構(gòu)PDMS 襯底的表面。當(dāng)蒸鍍時間達到30 min 時，Ag 納米顆粒增大至47 nm 左右（圖2（f）），同時顆粒間隙減小至7 nm 左右。由圖2（e）可見，Ag 納米顆粒致密地分布在鋸齒狀結(jié)構(gòu)的頂端及側(cè)面，形成了大量均勻分布的熱點結(jié)構(gòu)。同時，由于頂端位置相對較高，蒸發(fā)的Ag 原子更容易沉積于此，使得鋸齒的頂部變得更鈍，即頂部尖銳處變得更寬。

當(dāng)蒸鍍時間增加到50 min 時，Ag 納米顆粒增大至70 nm 左右（圖2（i））。由圖2（h）可見，鋸齒結(jié)構(gòu)頂端的尖銳部分變得更加平坦。當(dāng)蒸鍍時間延長到70 min 時，由于Ag 原子的大量沉積，鋸齒頂端的尖銳部分幾乎消失，光柵結(jié)構(gòu)幾乎被覆蓋（圖2（j）），Ag 納米顆粒已經(jīng)生長為連續(xù)膜（圖2（k））。

2.3 蒸鍍時間對Ag/PDMS 基底增強性能的影響

以結(jié)晶紫為探針分子，對不同蒸鍍時間下制備Ag/PDMS 基底的SERS 增強性能進行表征。圖3（a）是10-4mol/L 結(jié)晶紫在不同基底表面測得的拉曼光譜圖，由圖可見，蒸鍍時間由10 min 延長至30 min時，Ag/PDMS 基底的增強性能逐漸提高。這是由于隨著蒸鍍時間的增加，Ag 納米顆粒逐漸長大，并且顆粒間的縫隙由20 nm 減小為7 nm。基于LSPR 耦合效應(yīng)，Ag 納米顆粒之間的納米級縫隙是高效的熱點結(jié)構(gòu)?？p隙越小，可以形成越強的局域電場，從而具有更強的增強性能[16]。當(dāng)蒸鍍時間為50 min 時，雖然顆粒繼續(xù)長大，進而縫隙也繼續(xù)減小，但是在光斑照射范圍內(nèi)的Ag 顆粒數(shù)量及相應(yīng)縫隙的數(shù)量減少，即起作用的熱點數(shù)量減少，從而使得相應(yīng)Ag/PDMS 基底的增強性能輕微的減弱。當(dāng)蒸鍍時間為70 min 時，Ag 納米顆粒連接成膜，表面粗糙度明顯下降，SERS 增強性能隨之顯著下降。由此可見，蒸鍍時間為30 min 時所制備的基底增強性能最佳，為了方便描述將該基底命名為Ag-30/PDMS。

圖3 10-4 mol/L 結(jié)晶紫在不同蒸鍍時間下制備的Ag/PDMS基底上的拉曼光譜圖和平整硅片表面蒸鍍30 min制備所得基底的SEM 圖Fig.3 Raman spectra of 10-4 mol/L crystal violet on the Ag/PDMS substrates prepared with different deposition times and SEM image of the substrate prepared by thermal deposition on plat Si wafer for 30 min

圖3（b）是在與制備Ag-30/PDMS 基底完全相同的實驗條件下，以表面平整的硅片為襯底制備得到SERS 基底的形貌圖?？梢?，蒸鍍Ag 之后其表面也是平整的。該基底的增強性能如圖3（a）中的黑線所示，其SERS 活性明顯低于Ag-30/PDMS 基底，證實了PDMS 襯底中的光柵結(jié)構(gòu)對基底增強性能的貢獻。立體的鋸齒狀結(jié)構(gòu)具有比平整表面更大的表面積，從而可以提供更多的熱點區(qū)域，呈現(xiàn)更好的增強性能。

2.4 Ag-30/PDMS 基底的性能表征

為了進一步表征Ag-30/PDMS 基底的檢測靈敏度，以其為基底測量了10-4～10-8mol/L 結(jié)晶紫的拉曼光譜，結(jié)果如圖4（a）所示。隨著結(jié)晶紫濃度的降低，被測分子數(shù)量減少，其拉曼散射信號也逐漸減弱。但是當(dāng)結(jié)晶紫濃度降為10-8mol/L 時，仍可以清晰地探測到其特征拉曼峰的信號，表明Ag-30/PDMS基底具有較高的靈敏度。圖4（b）顯示了結(jié)晶紫1 162 cm-1處拉曼峰強度與其濃度之間的關(guān)系，擬合得到校準曲線的相關(guān)系數(shù)（R2）為0.997，表明Ag-30/PDMS 基底具有良好的定量分析能力。

圖4 10-4～10-8 mol/L 的結(jié)晶紫在Ag-30/PDMS 基底表面的拉曼光譜圖和1 162 cm-1 峰強與結(jié)晶紫濃度之間的校準曲線Fig.4 Raman spectra of 10-4-10-8 mol/L crystal violet on the Ag-30/PDMS substrate and the calibration curve between the peak intensity at 1 162 cm-1 and concentration of crystal violet

為了定量表征Ag-30/PDMS 基底的SERS 增強性能，通過以下公式計算了Ag-30/PDMS 基底的增強因子（EF）[17]：

其中，ISERS和IRS分別是在完全相同的實驗條件下測得的Ag-30/PDMS 基底上濃度為CSERS和硅片上濃度為CRS的結(jié)晶紫1 162 cm-1特征峰的強度。圖5是Ag-30/PDMS 基底上濃度為10-6mol/L 和硅片上濃度為10-1mol/L 結(jié)晶紫的拉曼光譜圖，測得ISERS和IRS分別為13 637 和183。計算得到Ag-30/PDMS基底的EF 約為7.45 × 106，與商用Klarite 芯片的增強因子（約1 × 106）[18]相當(dāng)，表明該SERS 基底具有良好的增強性能。

圖5 Ag-30/PDMS 基底上10-6 mol/L 結(jié)晶紫及硅片上10-1 mol/L 結(jié)晶紫的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of 10-6 mol/L crystal violet on the Ag-30/PDMS substrate and 10-1 mol/L crystal violet on the Si wafer

除了靈敏度，均勻性和穩(wěn)定性也是衡量SERS基底實際應(yīng)用性能的重要指標。在Ag-30/PDMS 基底表面隨機選擇30 個不同位置采集10-4mol/L 結(jié)晶紫的拉曼光譜，結(jié)果如圖6（a）所示。圖6（b）是圖6（a）中1 162 cm-1拉曼峰的峰值強度分布圖，通過計算得到其相對標準偏差（RSD）約為4.24%，遠高于實際檢測中RSD 要小于20%的要求，表明該基底具有極好的均勻性。這主要歸因于基底表面周期的鋸齒狀結(jié)構(gòu)及Ag 納米顆粒在鋸齒結(jié)構(gòu)表面的均勻致密分布。圖6（c）是10 d 內(nèi)在Ag-30/PDMS 基底上測得10-4mol/L 結(jié)晶紫1 162 cm-1峰強度的變化圖，每次測量5 個不同位置處的拉曼光譜，每次測完后基底都保存在密閉性良好的干燥器中。隨著保存時間的延長，由于Ag 的氧化，基底的SERS 活性逐漸減弱。但從結(jié)晶紫1 162 cm-1拉曼峰的強度可見，10 d 后測得其強度約為初始時的91%，Ag-30/PDMS 基底仍有較強的增強性能，表明在妥善保存的情況下，該Ag-30/PDMS 基底具有較好的穩(wěn)定性。

圖6 隨機在Ag-30/PDMS 基底的30 個位置采集的10-4 mol/L 結(jié)晶紫的拉曼光譜及對應(yīng)1 162 cm-1 拉曼峰強度的分布圖和10 d 內(nèi)在Ag-30/PDMS 基底上測得10-4 mol/L 結(jié)晶紫的1 162 cm-1 拉曼峰的強度變化圖Fig.6 Raman spectra of 10-4 mol/L crystal violet randomly collected from 30 points of an Ag-30/PDMS substrate，the distribution of 1 162 cm-1 peak intensity and variation of 1 162 cm-1 peak of 10-4 mol/L CV on the Ag-30/PDMS substrate within 10 days

2.5 蘋果表面福美雙分子的原位檢測

由于PDMS 良好的柔韌性和透明度，所制備的Ag-30/PDMS 基底可以貼附在任意形狀固體被檢物的表面，實現(xiàn)目標分子的原位快速檢測。以檢測蘋果表面的福美雙分子為例，對Ag-30/PDMS 基底在實際應(yīng)用中的性能進行表征。福美雙是一種二硫代氨基甲酸酯類殺菌劑，被廣泛用于多種農(nóng)產(chǎn)品，如種子、水果、蔬菜等的真菌感染防治[19]，因此農(nóng)業(yè)食品上往往有福美雙分子的殘留。攝入過量的福美雙可能會對人和動物的器官，如腎臟、肝臟、腸道和血管等造成一系列不良影響[20]。

取10-3、10-4、10-5和10-6mol/L 的福美雙丙酮溶液各30 μL，分別滴在干凈的蘋果表面，待其在室溫下自然干燥后，噴灑微量丙酮到蘋果表面，然后將Ag-30/PDMS 基底中鍍Ag 的一面按壓在蘋果表面10 s，確保基底與蘋果表面完全貼合。激光從基底的背面入射，并使其在Ag 納米結(jié)構(gòu)與蘋果表面的交界處聚焦從而實現(xiàn)SERS 信號的收集。圖7（a）展示了蘋果表面利用基底的原位檢測得到的不同濃度福美雙的SERS 光譜圖，其中，557 cm-1處的拉曼峰來自S—S 鍵的對稱拉伸和CH3的反對稱變形，932 cm-1和1 148 cm-1處的拉曼峰來自C—N 的拉伸振動，位于1 373 cm-1和1 493 cm-1處的拉曼峰來自CH3的對稱變形和C—N 鍵的拉伸[21-22]。由圖7（a）可見，當(dāng)福美雙的濃度低至10-6mol/L 時，仍可以很容易地檢測到其特征拉曼峰，證實了Ag-30/PDMS 基底良好的實際檢測能力。圖7（b）是1 373 cm-1處的拉曼峰強與福美雙濃度之間的校準曲線，擬合得到其相關(guān)系數(shù)（R2）為0.991，表明該基底在實際檢測中也具有較好的定量分析能力。

圖7 在蘋果表面原位檢測10-3～10-6 mol/L 的福美雙得到的拉曼光譜圖和1 373 cm-1 處拉曼峰強度與福美雙濃度的校準曲線Fig.7 Raman spectra of 10-3-10-6 mol/L thiram detected in-situ on the apple surface and the calibration curve between the 1 373 cm-1 peak intensity and thiram concentration

3 結(jié)論

本文以閃耀光柵為模板，利用PDMS 復(fù)制其表面周期性納米鋸齒狀結(jié)構(gòu)，并通過蒸鍍的方法制備得到具有SERS 活性的Ag/PDMS 基底。蒸鍍時間為30 min 時所制備的Ag-30/PDMS 基底因具有立體的鋸齒結(jié)構(gòu)和適當(dāng)大小的Ag 納米顆粒在其表面致密分布而呈現(xiàn)出最佳的增強性能。以結(jié)晶紫為探針分子的SERS 光譜檢測結(jié)果表明，Ag-30/PDMS 基底具有良好的靈敏度和均勻性，其增強因子高達7.45 ×106，RSD 僅為4.24%。該Ag-30/PDMS 基底被成功用于蘋果表面低濃度福美雙分子的原位檢測，并呈現(xiàn)良好的定量分析能力。本文制備SERS 基底的方法簡單、成本低，得到的柔性透明基底可以通過貼附的方式用于果蔬等表面農(nóng)藥分子的原位檢測，在食品安全等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。