刘 博

(河南牧业经济学院， 郑州 450044)

由于银纳米颗粒具有较强的LSPR活性，且银的成本低，制备方式简单多样，这使得银成为了最受欢迎的SERS活性衬底材料之一。但是，在研究以银纳米颗粒为衬底的SERS应用时发现，在纳米材料的表面效应等因素的影响下，颗粒的化学稳定性较差，容易发生氧化和团聚，给衬底的制备和保存带来不便，且会影响银纳米颗粒的SERS活性。为了解决这一问题，必须对银纳米颗粒进行表面改性，其中常用且有效的方法就是在银纳米颗粒的表面均匀地包覆上一层无机材料形成核壳结构[1-4]。

目前，针对核壳型银纳米颗粒SERS衬底制备工艺的研究主要采用的是溶胶-凝胶法和反相微乳法等化学制备方法。通过化学法制备得到的核壳结构衬底多以溶胶的形式存在，不利于衬底的运输和保存，也很难实现与其他光学系统的集成，且衬底的均匀性及重现性较差，较难实现对物质的定量分析。因此制备稳定性好、一致性高，同时具有高灵敏度的固态SERS衬底具有重要的意义[5-8]。

现在针对银-无机材料核壳结构的制备以及研究多是在银纳米颗粒的表面包裹了一层二氧化硅薄膜制成银包二氧化硅(Ag@SiO2)拉曼探针。二氧化硅材料对银纳米颗粒衬底的稳定性和SERS活性均有很好的增强作用，但二氧化硅薄膜的亲水性和介孔结构不利于长时间的液体环境检测且衬底的可重复利用性差，限制了Ag@SiO2纳米结构衬底的应用。针对二氧化硅包覆材料存在的问题，采用聚氯代对二甲苯(Parylene-C)薄膜对银纳米颗粒进行包覆，阐述了包覆Parylene-C的银纳米颗粒(Ag@Parylene-C)衬底的制备工艺，并对衬底的形貌和SERS活性进行表征。接着将Ag@Parylene-C SERS衬底与微流体沟道集成，研究衬底在应用过程中的稳定性和可重复利用性。

1 实验材料与方法

1.1 Ag@Parylene-C纳米结构的制备与表征

由于Parylene-C薄膜具有优良的特性，常常被用来制作Ag@Parylene-C纳米结构。一般通过沉积的方法制备出Parylene-C薄膜，在薄膜的沉积过程中可以通过控制Parylene-C粉粒的量来控制Parylene-C薄膜的厚度，Parylene-C沉积厚度和粉粒质量的关系如表1所示。

表1 Parylene-C沉积厚度随添加的粉粒质量变化

Ag@Parylene-C核壳结构的制备流程如图1所示：首先是银纳米颗粒薄膜的溅射；然后是对银纳米颗粒薄膜进行退火处理；最后在银纳米颗粒衬底表面包覆Parylene-C薄膜，形成Ag@Parylene-C核壳结构。本研究制备的Ag@Parylene-C核壳结构膜厚分别为20 nm、50 nm、100 nm、400 nm、1 μm。

图1 Ag@Parylene-C核壳结构制备流程

采用FESEM系统观察不同厚度Parylene-C薄膜对银纳米颗粒衬底的包覆效果，如图2所示，(a)～(f)分别为膜厚为0 nm、20 nm、50 nm、100 nm、400 nm、1 μm的Ag@Parylene-C核壳结构表面形貌图。从图2中可以看出，当包覆的Parylene-C膜厚为20 nm和50 nm时，Ag@Parylene-C复合结构没有完全形成，Parylene-C薄膜不能把银纳米颗粒完全覆盖，起不到保护的作用。当Parylene-C薄膜的沉积厚度达100 nm时，薄膜的均匀性及一致性都很好，能够实现对银纳米颗粒衬底的完全包覆，且Parylene-C薄膜包覆下的银纳米颗粒的分布均匀，银纳米颗粒衬底的表面形貌没有因为Parylene-C薄膜的沉积而发生明显的变化，Parylene-C膜厚分别为100 nm、400 nm和1 μm的银纳米颗粒的截面图如图3。

图2 不同膜厚的Ag@Parylene-C纳米结构形貌表征

1.2 Ag@Parylene-C纳米结构衬底SERS性能的表征

本研究主要围绕Parylene-C薄膜包覆厚度为100 nm以上的Ag@Parylene-C衬底的SERS活性和稳定性开展研究。

本文采用结晶紫分子为探针检测制备的Ag@Parylene-C纳米结构衬底的SERS性能。取定量配备好的摩尔浓度为10-6M的结晶紫溶液分别滴到Parylene-C薄膜厚度为0 nm、100 nm、400 nm、1 μm的Ag@Parylene-C纳米结构衬底上，利用拉曼光谱仪收集不同衬底上结晶紫的拉曼光谱，测试结果如图4所示。

图3 Ag@Parylene-C膜厚分别为(a)100 nm(b)400 nm(c)1 μm的纳米颗粒衬底的截面图

图4 不同包覆厚度的Ag@Parylene-C纳米结构衬底上结晶紫的拉曼谱线

对比图中不同膜厚的Ag@Parylene-C纳米结构衬底对拉曼信号的增强效果可以发现，随着包覆厚度的增加，结晶紫的拉曼信号强度在不断减小。当银纳米颗粒衬底上Parylene-C薄膜的包覆厚度为100 nm时，衬底上测得的拉曼信号强度明显低于未包覆的银纳米颗粒衬底，并且拉曼信号底噪变大，这说明Ag@Parylene-C纳米结构衬底的SERS活性有所降低。当银纳米颗粒衬底上Parylene-C薄膜的包覆厚度增加到400 nm，检测到的结晶紫的拉曼信号很弱，但仍能辨认出结晶紫的拉曼特征峰。当Ag@Parylene-C纳米结构的膜厚继续增加到1 μm时，已经检测不到结晶紫分子的拉曼信号，包覆在银纳米颗粒上的Parylene-C薄膜把银纳米颗粒衬底的SERS活性完全掩盖，Ag@Parylene-C纳米结构衬底对拉曼信号的增强作用消失。这是由银纳米颗粒表面电磁场的高度局域性造成的，Parylene-C薄膜厚度的不断增加使结晶紫分子距离银纳米颗粒表面越来越远，分子周围的表面电磁场强度呈指数衰减，不能对结晶紫的拉曼信号产生有效的增强，因此拉曼信号强度随着膜厚的增加急剧减小。

通过对不同包覆厚度的Ag@Parylene-C纳米结构衬底的表面形貌以及SERS活性的表征，通过对比发现当Parylene-C薄膜的包覆厚度为100 nm时，其不但具有较好的包覆效果，并且SERS活性也能达到2×104，远远满足其SERS在实际应用中的活性强度(实际应用中SERS活性强度达到1×104即可具有较好的效果)，综合以上情况，Parylene-C薄膜的包覆厚度为100 nm时的包覆效果及SERS活性强度最符合实际应用的需求。

1.3 Ag@Parylene-C纳米结构衬底的稳定性分析

由于Parylene-C薄膜具有很强的疏水性能，能够很大程度地改善银纳米颗粒衬底在液体环境检测过程中的稳定性，很好地解决了微流体沟道中流动液体对衬底破坏性较大的问题，同时不会让待检测溶液对衬底产生污染，提高了衬底的可重复利用性[11-12]。

将制备的Ag@Parylene-C纳米结构衬底与微流体沟道集成，实现对沟道中通过的溶液的检测，同时测试衬底在应用过程中的稳定性。

微流体沟道的制备及与Ag@Parylene-C纳米结构SERS衬底的集成示意图如图5所示。其中倒模所用的材料为聚二甲基硅氧烷前聚体(PDMS)，PDMS薄膜具有强疏水和优良的光学透明性，适用于微流体结构的制备。通过倒模得到的微流体结构如图5(b)所示。

图5 Ag@Parylene C纳米结构衬底与微流体沟道的制备粘合示意图

制备的微流体沟道有3个入口，一个出口，入口1用来通入待测液体，入口2用来通入无水乙醇，入口3用来通入去离子水，去离子水和无水乙醇的作用是清洗沟道内残留的检测溶液。

将一定浓度的结晶紫溶液通入微流体沟道，检测SERS基底对通入液体的拉曼信号的增强效果。为了检测Ag@Parylene-C纳米结构衬底的可重复利用性，本文通过荧光显微镜记录了液体通入过程和清洗过程的荧光显微镜图片。如图6所示，图6(a)、图6(b)为结晶紫溶液通入沟道内时拍到的图片，图片中荧光信号很强，图6(c)为通入无水乙醇几秒钟后的采集到的图片，无水乙醇的作用是溶解沟道内残留的结晶紫分子，并将其带出，可以观察到图中的荧光信号减弱。图6(d)是通入去离子水时沟道的显微镜图片，图中收集不到荧光信号，说明微流体沟道内的结晶紫溶液已经被清洗干净，不会对接下来的测试产生影响。图6(e)为通入液体前后测得的拉曼信号图，其中左上角的插图是对原图中重合曲线的放大，曲线1为通入液体之前微流体沟道的谱线，可以看到没有测到任何物质的拉曼信号，说明上一次的测试不会对后续实验产生影响；曲线2是通入结晶紫溶液时测得的拉曼光谱，拉曼信号很强，说明与微流体结构集成的Ag@Parylene-C纳米结构衬底可以实现对通入微流体沟道内液体的拉曼信号的有效增强，同时说明该集成结构具有实用性；曲线3和曲线4分别为通入无水乙醇和去离子水时测得的谱线，结晶紫的拉曼信号先是减弱，说明此时沟道内仍有残留的结晶紫分子，最后结晶紫的拉曼信号完全消失，说明经无水乙醇和去离子水的清洗衬底上不存在残留的结晶紫溶液，从图7可以看出Ag@Parylene-C纳米结构衬底具有很好的可重复利用性。

图6 在微流体沟道通入(a)、(b)结晶紫溶液；(c)无水乙醇；(d)去离子水的荧光显微镜图。(e)曲线1-4分别为在通入结晶紫溶液之前，通入结晶紫溶液时，通入无水乙醇以及通入去离子水时收集到的拉曼信号

然后将摩尔浓度为10-7M、10-8M、10-9M、10-10M的结晶紫溶液分别注入到微流体沟道，测试与微流体沟道集成的Ag@Parylene-C纳米结构SERS衬底的检测极限。每次注入液体后分三点采集通入液体的拉曼信号，所得的拉曼谱线如图7所示。图7(a)为不同摩尔浓度的结晶紫溶液的拉曼光谱，为增加数据的可靠性，对每一种浓度测试了3组数据。本文将3组数据求平均后，根据波峰1 620 cm-1处拉曼信号强度随浓度的变化情况绘制成点图，如图7(b)所示。从图7中可以看出，每一浓度下测得的3组数据相差较小，说明衬底具有很好的均匀性和重复性。随着结晶紫溶液浓度的降低，收集到的拉曼信强度也迅速减小，当结晶紫溶液浓度为10-10M时，结晶紫的拉曼特征峰，变得不明显，说明与微流体结构集成的Ag@Parylene-C纳米结构SERS衬底对结晶紫溶液的检测限为10-10M。

图7 与微流体沟道相结合的Ag@Parylene C纳米结构SERS衬底的检测极限测试不同浓度的结晶紫溶液的拉曼谱线

通过多次重复通入待测液体和清洗这一实验过程来检测Ag@Parylene-C纳米结构SERS衬底的稳定性。将包覆了100 nm Parylene-C薄膜的银纳米颗粒阵列和未包覆的银纳米颗粒阵列分别与微流体沟道集成，然后通入10-6M的结晶紫溶液，每重复五次测试一下银纳米颗粒衬底和Ag@Parylene-C纳米结构衬底的表面形貌和沟道内结晶紫溶液的拉曼信号。随着实验次数的增加，与微流体沟道集成的银纳米颗粒衬底的表面形貌变化情况如图8所示，(a)～(f)分别为实验重复次数为0次、20次、35次、45次、50次、55次的银纳米颗粒衬底表面形貌的FESEM图，从图中可以观察到，当实验重复次数达20次后，部分银纳米颗粒已经从硅片上脱落，在重复次数为35次时银纳米颗粒衬底上颗粒数目已经少了近一半，当重复50次后，衬底上的颗粒数目仅为最初的十分之一，当重复次数为55次时，衬底上的纳米颗粒几乎全部消失。实验结果表明在微流体沟道内流动的液体会使衬底上的银纳米颗粒不断脱离基底表面，银纳米颗粒衬底在应用过程中的稳定性较差。

随着实验次数的增加，与微流体沟道集成的Ag@Parylene-C纳米结构衬底的表面形貌变化情况如图9所示，(a)～(f)分别为选取的重复次数为0次、20次、50次、100次、200次、500次时Ag@Parylene-C纳米结构衬底表面形貌的FESEM图。从图中可以看到，当实验重复次数为50次时，衬底上的银纳米颗粒的形貌和密度一直保持不变，Parylene-C薄膜的连续性也没有发生明显变化；继续增加实验的重复次数至200次时，Parylene-C薄膜出现了没有银纳米颗粒的缝条，而薄膜完整处的银纳米颗粒分布没有受到很大影响；当实验重复次数达500次时，Ag@Parylene-C纳米结构衬底表面出现的没有银纳米颗粒的缝条增多不明显。

图8 与微流体沟道集成的银纳米颗粒衬底随实验次数增加的表面形貌表征

利用Smile View软件对两种衬底FESEM图中颗粒的密度进行统计，图8中FESEM图的标尺为100 nm，图9中FESEM图的标尺为200 nm，所得的颗粒密度随实验重复次数的变化情况如图10(a)所示。通过对比两种衬底上颗粒密度的变化情况可以发现，包覆了100 nm Parylene-C薄膜的银纳米颗粒衬底的稳定性得到了很大的提高，与微流体沟道集成后，衬底的重复利用次数由20次增加到了500次，当实验重复次数为500次时，Ag@Parylene-C衬底上银纳米颗粒的密度的变化在10%以内，说明衬底在这一实验过程中没有受到具大程度的损坏。

图9 与微流体沟道集成的Ag@Parylene-C纳米结构衬底随实验次数增加的表面形貌表征

图10(b)为两种衬底在重复通入10-6M结晶紫溶液的第1次、10次、20次、30次、40次、50次、120次、200次、300次、400次、500次时拉曼信号强度的变化图。从图10(b)中可以看到，在第一次通入结晶紫溶液时，银纳米颗粒衬底的SERS活性明显强于Ag@Parylene-C纳米结构衬底，但随着通入结晶紫溶液然后冲洗这一过程重复次数的增加，银纳米颗粒衬底的SERS活性迅速降低。而Ag@Parylene-C纳米结构衬底的SERS活性一直保持稳定，当实验重复次数达到500次，Ag@Parylene-C基底对拉曼信号的增强效果仍很明显，基底的SERS活性衰减幅度小于10%，这说明比起银纳米颗粒基底，Ag@Parylene-C纳米结构基底SERS活性的稳定性好，基底的可重复利用性高。

图10 (a)两种衬底的密度变化统计图(b)两种衬底上结晶紫分子的拉曼信号强度变化图

2 结论

1) 通过对不同包覆厚度的Ag@Parylene-C纳米结构衬底的表面形貌以及SERS活性的表征对比得出包覆Parylene-C薄膜的厚度为100 nm时的效果最好且SERS活性相对较强。

2) 实验表明了Parylene-C薄膜的包覆大大提升了银纳米颗粒衬底稳定性，与微流体沟道集成后，将衬底的重复利用次数由20次增加到了500次，且Ag@Parylene-C纳米结构衬底SERS活性的衰减幅度小于10%，大大提高了衬底的可重复利用性。