表面增強拉曼散射活性基底制備的研究進展＊

李 貞，徐維平，吳亞東，徐婷娟，金勤玉

(1.安徽中醫藥大學，安徽 合肥 230031;2.安徽省立醫院，安徽 合肥 230026)

近年來，隨著社會經濟的迅速發展，人們生活水平的逐步提高，環境污染問題越來越受到重視。農業中有機農藥殘留，工業中多氯聯苯及多芳烴類化合物都對土壤、內陸水環境和海洋環境造成了持續性污染，食品安全領域的三聚氰胺、塑化劑、地溝油等對人體健康造成了極大危害。這些污染物大都難以降解，且會在環境及生物體內蓄積，即使環境中的痕量存在也不容忽視[1]。目前，檢測這些化合物的常用手段主要是色譜法[2]、超高效液相色譜法[3]、熒光分光光度法[4]、色譜－質譜聯用[5]等，盡管對某些化合物的檢測具有較高的靈敏度，但由于樣本的前處理與檢測過程過于復雜、耗時，并且需要昂貴精密的檢測儀器，以及對操作人員的要求極高，多方面因素制約了監管部門的快速檢查和監控。

1 表面增強拉曼散射

1928年，印度科學家C.V.Raman在研究苯的光散射時，首次發現了光的非彈性散射現象，即拉曼散射效應。在非彈性散射過程中，由于分子的振動和轉動能引起了入射光和散射光頻率的變化，因此拉曼光譜可以用來確定分子的結構信息。拉曼光譜具有對樣品無損傷、無需前處理的特點，適合液體樣品的快速、簡便分析，自誕生以來受到科學工作者極大的關注。

1974年，Fleischman等[6]發現，吡啶分子吸附在經粗糙化處理的銀電極表面后，拉曼信號得到了5～6個數量級的提高，這種與表面粗糙程度相關的增強效應稱為表面增強拉曼效應(surface－enhanced Raman spectroscopy，SERS)。隨著納米技術的快速發展，表面增強拉曼技術也取得了巨大的突破，SERS檢測幾乎達到了單分子級的水平[7－8]。SERS光譜不僅具有拉曼光譜幾乎所有的優點，而且其檢測靈敏度遠高于普通的拉曼檢測，熒光干擾得到極大的抑制。目前，SERS在環境檢測、疾病診斷、化學化工領域有著廣泛的應用[9]。

SERS活性基底的制備是獲得較高拉曼增強信號的前提條件。不同的增強基底對樣品的增強效果差別很大，SERS活性基底的材料、納米顆粒的形狀及尺寸、探測物在活性基底上的吸附量和距離等[10－11]因素都會影響SERS的增強效果。目前，有多種常用的SERS活性基底，主要包括金屬電極活性基底、金屬溶膠基底、金屬島膜基底、金屬薄膜基底等，而不同的方法優缺點各異，在實際應用中應根據需求來選擇相應的方法。

2 SERS活性基底的制備

2.1 金屬電極活性基底

金屬電極活性基底一般是在電解質溶液(如KCl溶液)中經過一次或多次電化學氧化－還原循環而獲得的。Fleischman等[6]的試驗就是利用電化學方法在銀電極上完成的:在氧化階段，電極上的銀被氧化成銀離子;在還原階段，銀離子被還原，重新沉積在電極表面;如此循環后，即可獲得表面有一定粗糙度(25～500 nm)的SERS活性基底。隨著技術的不斷發展和研究的逐步深入，電化學法也越來越成熟。Mai等[12]通過電化學沉積－溶出循環(deposition－dissolution cycles，DDC)，精確調控陽極過電位，制備了50 nm的金納米顆粒，在對羅丹明6G(Rhodamine 6G，R6G)溶液的檢測中展現了極強的增強效果，R6G的極限濃度為2×10－12mol/L，增強因子(enhancement factor，EF)達到了 5.8 × 107。

電化學法制備SERS基底的優點在于簡便、迅速，缺陷是穩定性和可重復性較差，大面積均勻地蝕刻生長更是難以完成，這勢必會使SERS光譜檢測的重現性差，極大地限制了該方法的應用[13]。

2.2 金屬溶膠基底

貴金屬(如Au，Ag，Cu等)溶膠是納米尺寸金屬的溶液，待測分子與其直接混合后吸附在其表面，便于進行檢測。金屬溶膠基底的制備過程簡單、增強效果較好，尤其是銀納米溶膠，是表面增強拉曼光譜檢測中最常用的SERS活性基底。劉文涵等[14]以硼氫化鈉為還原劑制備了黃色透明的銀溶膠，與 L－苯丙氨酸溶液混合，研究不同激發光源下(514.42，632.81，785.18 nm)不同濃度、pH對 L－苯丙氨酸溶液的表面增強拉曼光譜，并對比常規拉曼光譜得到最佳的檢測條件。盡管不斷有新的制備手段和新的還原劑出現并被運用到銀溶膠的制備過程中，經典的銀納米溶膠制備方法至今仍經常使用[15]。

目前，研究人員不僅將目光局限于零維的納米粒上，納米線、立方體、八面體、星形、籠狀、管狀、樹枝狀等形式的金屬溶膠基底也被運用到SERS的檢測中，展示了良好的增強效果。但金屬溶膠SERS活性基底也存在著突出的問題:金屬溶膠與待測分子混合轉移到固體基片上進行光譜檢測時，容易產生再聚集和沉淀[16]。因此，只有克服金屬溶膠基底穩定性差的缺點，才能在SERS檢測與后續數據處理、定量計算和分析中使其達到實際運用的要求。

2.3 金屬島膜基底

金屬島膜的制備通常又分為真空蒸鍍和低溫沉積兩種方法。真空蒸鍍是在真空的條件下，在固體基片表面如玻璃片、硅片或石英片等濺射或噴鍍1層厚度為5～15 nm的金屬層，金屬層表面的晶核先以孤立的島狀形式存在，隨著不斷的沉積，晶核生長成連續的島狀薄膜[17]。低溫沉積是將經高溫汽化的金屬沉積于低于120 K的基片上，可以大大降低金屬顆粒在基片上的流動性，從而制備出原子級別粗糙度的基底[18]。金屬島膜活性基底的可重復性高、背景干擾少，但其對實驗的工藝和設備要求高，且粗糙度無法滿足大部分實驗的需求。

2.4 金屬薄膜基底

金屬薄膜基底是在固體基片的表面覆蓋1層或多層納米尺寸的金屬薄層制成的基底，制備方法有多種，包括旋涂法、模板法及組裝法等。

旋涂法(spin－coating):旋涂也稱勻膠，是將液體溶膠滴加于基片表面，利用勻膠機低速和高速旋轉兩個過程鋪展成均勻的薄層，再干燥除去多余的溶劑，最后得到穩定的薄膜[19]。旋涂法操作簡單，制作周期短，所制備的金屬薄膜基底經固化后，金屬膜不易脫落，且具有很高的表面增強活性。Polavarapu等[20]在油胺－甲苯體系中制備了3～5 nm尺寸的墨水狀金、銀溶膠，利用旋涂法，經退火處理得到了穩定的金與銀薄膜。Mueller等[21]合成了星狀表面修飾了聚－N－異丙基丙烯酰胺(poly－N－isopropylacrylamide，pNIPAM)核殼結構的Au@pNIPAM，將其旋涂在聚二甲氧硅烷處理的玻璃片上，得到了整齊排列的Au@pNIPAM顆粒，這種方法能夠得到大面積均勻的陣列，且有著極強的增強效果，這對SERS領域來說是個很大的突破性成果。

模板法:是利用模板孔的限制作用，通過調整孔徑的大小、孔隙的距離，實現納米點陣、納米柱等有序納米結構的制備。陽極氧化鋁膜(anodic aluminum oxide，AAO)是最常用的模板。AAO模板具有規則、有序排列的六邊形多孔結構，結構穩定，孔徑均一，孔間距一致，排列密集有序[22]。基于上述優點，AAO模板在SERS基底膜的制備中發揮著重要的作用。Wang等[23]通過兩步陽極氧化法、階梯降壓過程制備了AAO模板，精確調控銀沉積在AAO孔道的厚度，得到了孔間距為5 nm、直徑為100 nm的銀納米顆粒，在R6G的檢測中增強因子達到4.5×107。

2.5 納米材料的有序組裝

自組裝法:自組裝是指納米尺寸的材料在特殊條件下形成有序結構的一種現象。自組裝法首先需要制備合成尺寸適宜的納米金屬溶膠，之后通過對玻璃(或石英、金屬等)的表面修飾交聯劑，使其表面增加1層對金屬溶膠具有吸附功能的功能團，如氰基(—CN)、氨基(—NH2)、巰基(—SH)等，通過非共價鍵(氫鍵、范德華力、靜電吸附等)與金屬溶膠間的相互作用，使得納米顆粒自發、有序地組裝在表面。交聯劑的一端固定在經羥基化處理后的玻璃(或石英、金屬等)表面，另一端則通過非共價鍵的作用結合與吸附金屬納米粒子。由于溶膠通常情況下以水為溶劑，所以自組裝法不需要復雜的裝置和設備。1995年，Natan課題組[24]首次報道了基于這種單層納米顆粒組裝技術后，自組裝法被越來越多地運用到SERS活性基底的制備當中。

Shi等[25]基于自組裝法，通過精確控制吸附到石英片表面吸附的3－氨丙基－三甲氧基硅烷(APTMS)的量，調節自組裝到石英片上的金納米顆粒個數，可根據激發波長的不同來制備增強效果最佳的SERS活性基底;通過比較標準溶液的SERS光譜，確定了各種活性基底在檢測多芳烴(PAHs)時的最佳參數。

Langmuir－Blodgett(LB)技術:不相容的液體的表面活性物質會在另一種液體的表面形成單分子層，通過增加液面的壓力可使分子緊密排列成類固體層，用合適的基片將其轉移，可形成LB膜。與自組裝法制備的薄膜相比，LB膜更加有序、易于調控。筆者將合成的一定長徑比的納米銀線，溶解于DMF－氯仿中，利用LB技術制備了多層有序的納米銀線自支持薄膜，SERS增強效果極好，能夠對10－15mol/L，甚至濃度更低的R6G溶液進行檢測，且重復性良好，有望實現定量檢測。

3 展望

SERS發展至今，已在眾多領域中被廣泛應用。隨著理論研究的不斷深入和實驗方法改進與完善，SERS在痕量分析與單分子檢測中發揮著重要的作用。穩定的SERS基底，要求在一段時間內其增強能力保持不變，且測試性能應該有所保證，信號偏差不能過大。這樣的高靈敏的基底，才是SERS檢測中所追求的。相信隨著技術的不斷發展和成熟，理想的SERS基底能夠獲得，運用表面增強拉曼散射實現對有機痕量污染物簡單、快速地定量檢測將得以實現。

[1]Xie XY，Wang ZW，Zhou XM，et al.Study on the interaction of phthalate esters to human serum albumin by steady－state and time－resolved fluorescence and circular dichroism spectroscopy[J].Journal of Hazardous Materials，2011，192:1 291 －1 298.

[2]Jandera P.Stationary and mobile phases in hydrophilic interaction chromatography:a review[J].Analytica Chimica Acta，2011，692(1 － 2):1 －25.

[3]冼燕萍，郭新東，羅海英，等.超高效液相色譜分離測定洗滌用品中4種熒光增白劑[J].色譜，2013，31(2):162－169.

[4]李 琳，常 輝，趙燦方，等.熒光分光光度法與直接分光度法測定飲用水中揮發酚[J].中國衛生檢驗雜志，2012，22(9):2 048－2 051.

[5]Ana－ Perez R，Albero B，Luis－Tadeo J，et al.Determination of PAHs in soil leachates by magnetic solid－phase extraction using nanoparticles and gas chromatography － tandem mass spectrometry[J].Anal Methods，2014，6:1 941－1 950.

[6]Fleischmann M，Hendra PJ，McQuillan AJ.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode[J].Chem Phys Lett，1974，26(2):163 －166.

[7]S Nie，Emory SR.Probing single Molecules and single nanoparticles by surface － enhanced raman scattering[J].Science，1997，275(5 303):1 102－1 106.

[8]Kneipp K，Wang Y，Kneipp H，et al.Single Molecule detection using surface － enhanced Raman scattering[J].Phys Rev Lett，1997，78(9):1 667－1 670.

[9]Willets KA.Super－resolution imaging of SERS hot spots[J].Chem Soc Rev，2014，43(11):3 854 － 3 864.

[10]Zhang HX，Lu HF，Ho HP，et al.Diffraction resonance with strong opticalfield enhancement from gain－assisted hybrid plasmonic structure[J].Appl Phys Lett，2010，100:161 904.

[11]Kleinman SL，Frontiera RR，Henry AI，et al.Creating，characterizing，and controlling chemistry with SERS hot spots[J].Phys Chem Chem Phys，2013，15(1):21 －36.

[12]Mai FD，Hsu TC，Liu YC，et al.A new strategy to prepare surface enhanced Raman scattering－active substrates by electrochemical pulse deposition of gold nanoparticles[J].Chem Commun，2011，47(10):2 958－2 960.

[13]Goodall BL，Robinson AM，Brosseau CL.Electrochemical－ surface enhanced Raman spectroscopy(E－SERS)of uric acid:a potential rapid diagnostic method for early preeclampsia detection[J].Phys Chem Chem Phys，2013，15(5):1 382 － 1 388.

[14]劉文涵，楊 未，張 丹.苯丙氨酸銀溶膠表面增強拉曼光譜的研究[J].光譜學和光譜分析，2008，28(2):343 －346.

[15]孔令策，左國民，劉廣強，等.表面增強拉曼光譜檢測水中微量的芬太尼[J].光散射學報，2010，22(1):34 －38.

[16]Motl NE，Smith AF，Desantis CJ，et al.Engineering plasmonic metal colloids through composition and structural design[J].Chem Soc Rev，2014，43(11):3 823－3 834.

[17]Li DN，Tai QL，Feng Q，et al.Highly reflective and adhesive surface of aluminized polyvinyl chloride fllm by vacuum evaporation[J].Applied Surface Science，2014，311:541 － 548.

[18]Liao W，Ekerdt JG.Effect of CO on Ru Nucleation and Ultra－Smooth thin film growth by chemical vapor deposition at low temperature[J].Chem Mater，2013，25(9):1 793 － 1 799.

[19]王 東，劉紅纓，賀軍輝，等.旋涂法制備功能薄膜的研究進展[J].影像科學與光化學，2012，30(2):91 － 101.

[20]Polavarapu L，Manga KK，Yu K，et al.Alkylamine capped metal nanoparticle“inks”for printable SERS substrates，electronics and broadband photodetectors[J].Nanoscale，2011，3(5):2 268 － 2 274.

[21]Mueller M，Tebbe M，Andreeva DV，et al.Large－Area Organization of pNIPAM－Coated Nanostars as SERS Platforms for Polycyclic Aromatic Hydrocarbons Sensing in Gas Phase[J].Langmuir，2012，28(24):9 168 －9 173.

[22]Fan MK，Andrade GF，Brolo AG.A review on the fabrication of substrates for surface enhanced Raman spectroscopy and their applications in analytical chemistry[J].Analytica Chimica Acta，2011，693:7 － 25.

[23]Wang J，Huang LQ，Yuan L，et al.Silver nanostructure arrays abundant in sub－5 nm gaps as highly Raman－enhancing substrates[J].Applied Surface Science，2012，258(8):3 519 － 3 523.

[24]Freeman RG，Grabar KC，Allison KJ，et al.Self Assembled Metal Colloid Monolayers:An Approach toSERS Substrates[J].Science，1995，267(5 204):1 629－1 632.

[25]Shi XF，Ma J，Zheng R，et al.An improved self－ assembly gold colloid film as surface－enhanced Raman substrate for detection of trace－level polycyclic aromatic hydrocarbons in aqueous solution[J].J Raman Spectroscopy，2012，43:1 354 － 1 359.