张紫瑞, 汪燕青, 马自明, 马英剑, 李小龙

(宁夏大学 物理与电子电气工程学院,宁夏 银川 750021)

表面增强拉曼散射(SERS)是一种利用金属纳米结构放大吸附其表面物质拉曼散射信号的效应．该效应由Fleishmann等于1974年发现,他们检测到粗糙银电极表面吸附了吡啶分子的拉曼散射信号强度比在溶液中的增大百万倍[1—2].这一发现立刻掀起了学者对SERS效应的研究,克服了传统拉曼散射信号弱且难以应用的困境.目前,SERS已应用于食品安全、环境安全、生命科学、物证鉴别等领域[3—5].在当前的SERS技术发展中,亟需解决一个核心问题,即拉曼活性基底的制备，这是因为理想的SERS活性基底具有高灵敏度、可重复性、高均匀性、高性价比、高稳定性等性能[6—7].目前,常用的拉曼活性基底制备方法主要有化学合成法、自组装及纳米微球蚀刻法、能量束蚀刻法和物理退火法等.其中,物理退火法的制备成本低廉,工艺简单,制备的基底具有相对较好的均匀性和稳定性.喷金仪(离子溅射镀膜仪)是实验室用于扫描电镜观察的常用设备,能在数分钟内溅射出几纳米到几百纳米厚的金膜.而且,喷金仪通过改造,也可溅射银、铂等多种贵金属薄膜.因此，喷金仪结合退火工艺可制备出纳米金基底用于SERS检测.笔者通过该方法，在光滑石英表面制备出纳米金SERS基底,并用于罗丹明B和罗丹明6G的快速检测.

1 实验

1.1 原料

罗丹明B(天津市风船化学试剂科技有限公司,分析纯);罗丹明6G(上海麦克林生物化学科技有限公司,分析纯);耐高温石英片(JGS2,w(SiO2)=99.999%,尺寸为10 mm×10 mm×2 mm).

1.2 仪器

RTP-1200真空快速退火炉(韩国ECOPIA公司);MCM-100离子溅射镀膜机(韩国赛可有限公司);AL204电子天平(瑞士梅特勒-托利多集团);共聚焦激光显微拉曼光谱仪(美国赛默飞集团);SEC-SNE4500小型台式扫描电镜(韩国赛可科技有限公司).

1.3 实验步骤

1)实验前，用酒精和去离子水超声清洗石英片.

2)石英片自然晾干后，置于离子溅射镀膜机中喷金12 s,在石英片上溅射约5 nm厚的金膜.

3)将溅射金膜后的石英片转移至真空快速退火炉中,以升温速度为25 ℃/s升至900 ℃,保温退火5 min.自然冷却至室温后取出,再溅射5 nm厚金膜增强反射,即制得SERS基底.

4)将罗丹明B和罗丹明6G依次配置成10-3,10-4,10-5,10-6,10-7,10-8mol/L的水溶液.

5)将制备好的SERS基底浸入罗丹明水溶液中2 h,使基底纳米级粗糙表面尽可能吸附罗丹明分子,以保证最佳检测效果.

6)通过拉曼光谱仪检测基底上罗丹明分子的表面增强拉曼光谱.测试条件,激发波长为780 nm,功率为10 mW,时间为15 s.

1.4 实验原理

实验中,金膜的厚度主要由溅射时间控制.常见的离子溅射镀膜仪的膜厚(d)与电压(V)和电流(I)以及溅射时间(t)成正比的函数关系:

d=kIVt,

式中：k取决于溅射金属和所充气体的系数.

仪器理想镀膜速度为30 nm/min.由于镀膜机受靶材毒化、真空设备老化等因素影响,实际镀膜速度可能存在变化.用电子天平称量多次镀膜后的质量,计算得到实际的镀膜速度为24.5 nm/min.因此，溅射12 s即可得到厚约5 nm的金膜.

制备纳米金SERS基底的基本原理:由于金膜与石英表面的接触面积大,表面能较高,系统处于亚稳态.当温度足够高时(实验测定，石英表面上5 nm金膜的热激活温度为400～500 ℃),金原子通过表面扩散、体扩散、蒸发再凝聚等多种形式向优先形核位置转移,从而实现形核长大,转变成自由能较低的纳米金颗粒.该实验中,金膜厚度、退火温度、退火时间等因素对纳米金的粒径影响较大.

2 分析与讨论

2.1 SERS基底的微观结构

纳米金SERS基底在不同制备阶段的扫描电镜见图1.图1中,a是超声清洗后的石英片;b是溅射5 nm金膜后的照片(因金膜极薄时也可透光,但对不同波长的光存在选择性吸收,所以呈浅蓝色);c是金膜退火后的石英片(此时金膜转变为金纳米颗粒,由于存在局域表面等离激元光学效应,基底呈粉红色);d为再次溅射5 nm厚金膜后制备的基底;e为吸附罗丹明6G分子后的基底(颜色进一步加深).

纳米金基底的扫描电镜照片见图2.由于石英片的导电性差,图像的分辨率不高.由图2可知,纳米金颗粒的边界清晰,分散性和结晶度均较好,故退火效果理想.由图像推断金颗粒的生长过程:在退火开始阶段,金膜以优先形核位置为中心,由不规则形状逐渐收缩为球冠状.随着退火程度逐渐深入,金颗粒的结晶生长速度差异较大,金颗粒从球形向柱状转变.因此,金颗粒的形貌近似球冠状,且不完全规则.实际计算金颗粒的粒径时,先通过软件测量出金颗粒的面积,再换算为圆面积和相应直径.经计算,金颗粒的平均粒径为(79.9±24.5)nm.同时,还必须考虑纳米金颗粒的分布密度和间距,以衡量拉曼增强 “热点”的数量与强度.通过换算得出,金颗粒的分布密度为77个/μm2,金颗粒的平均间距为34 nm.因此该实验方法制备的纳米金基底是粒径合理、分布均匀、分散性良好、热点较多的表面增强拉曼基底.

图1 纳米金SERS基底在不同制备阶段的扫描电镜照片

图2 纳米金SERS基底的扫描电镜照片

2.2 罗丹明B的SERS检测

过去罗丹明B(C28H31ClN2O3)被用做食品添加剂,目前仍然用于造纸业、纺织印染业及烟花爆竹生产制造中.罗丹明B分子的荧光激发波长为540 nm,该实验中激光波长为780 nm,有效降低了荧光峰的干扰.实验测得的结果见图3．由图3可知,在σ=500～1 800 cm-1,10-4，10-5，10-6mol/L溶液的主要增强拉曼峰均清晰可辨认,且存在相互对应,表明该实验制备的纳米金基底可满足10-6mol/L罗丹明B的痕量检测.通过软件寻峰,将其中强度较高的6个拉曼散射峰归属于氧杂蒽环、苯环等结构的拉曼活性振动(表1).与密度泛函数的计算结果对比[8],该实验计算得到的增强拉曼峰的波数相对较低(最大相差9 cm-1),这可能是激光对基底存在微区加热导致(石英的导热性差).而对于不同浓度散射峰之间微小的差异,可能存在多种复杂原因.

图3 不同浓度罗丹明B表面增强拉曼光谱

在10-7mol/L溶液的表面增强拉曼光谱中,虽然有少量峰,但有些散射峰并不属于罗丹明B.这可能是由于物质的质量低,当激光照射纳米金基底时,发生了分解反应.改进实验降低了激光功率，减少了测试时间,抑制了分解，可将检测限降低至10-7mol/L.当c=10-8mol/L时,溶液的拉曼峰极弱，与空白样的拉曼峰无差别,无法检出.

表1 不同浓度罗丹明B溶液的表面增强拉曼散射峰

2.3 罗丹明6G的SERS检测

罗丹明6G(C28H31N2O3Cl)又称玫瑰红6G,激发波长为525 nm.罗丹明6G与罗丹明B虽然同属于氧杂蒽环合成染料,且相对分子质量相同,但分子结构存在差异.文献显示,罗丹明6G会导致皮下组织生肉瘤,为致癌物.

由2.2可知,纳米金SERS基底能检测最低浓度为10-6mol/L的罗丹明B,因此对罗丹明6G的检测直接从10-6mol/L开始,实验结果如图4所示.由图4可知,当σ=600～1 800 cm-1,在10-6mol/L罗丹明6G的拉曼散射光谱中可清晰分辨出8个特征峰.其中,602,764,1 502 cm-1归属于罗丹明6G分子中氧杂蒽环的面内振动;1 561 cm-1归属于苯环的面内振动;1 589 cm-1归属于苯环的面外振动. Watanabe 等对罗丹明6G分子进行第一性原理计算并指认了相应拉曼峰的归属[9],结果显示,在σ=0 ～1 716 cm-1内存在多达103个分子振动模式对应的拉曼散射峰.文献[10]报道,这8个可辨认拉曼峰的位置,与DFT的计算结果、普通拉曼光谱相比,存在波数红移的情况(最多相差13 cm-1,表2).主要原因可能是,在基底上存在微区加热,纳米金颗粒对激光有较强吸收,导致谱峰出现偏移.也可能是，罗丹明分子在金基底表面存在独特吸附构象,造成分子振动模式改变.但总体看,这不影响对罗丹明6G的物质鉴定和检测.

图4 不同浓度罗丹明6G表面增强拉曼光谱

当c=10-7mol/L时,拉曼光谱中已无法找到罗丹明6G的特征峰.因此,该实验所制备的纳米金SERS基底可用于c=10-6mol/L罗丹明6G的痕量检测.

表2 罗丹明6G的DFT理论计算拉曼、普通拉曼与10-6 mol/L增强拉曼散射峰的比较

3 结论

通过对石英表面金膜进行真空快速退火实验,制备能检测c=10-6mol/L的纳米金石英SERS基底．该基底的均匀性好,热点密集,稳定性强,且经过洗涤清洁可重复使用,在检测中具有一定的应用价值．