基于超疏水高黏附結構的痕量農藥分子現場檢測SERS基底研究

桂 博，楊宇東，趙 倩，石 夢，毛海央,3*，王瑋冰，陳大鵬,3

1. 中國科學院微電子研究所，北京 100029 2. 中國科學院大學，北京 100049 3.無錫物聯網創新中心有限公司，江蘇 無錫 214001

引 言

常見農藥，如孔雀石綠(MG)，具有致癌作用，但在漁業養殖中一直被不法商販使用。對痕量MG分子的檢測，傳統方法靈敏度有限，同時依賴于大型檢測設備，耗時長，無法完成即時快速的現場檢測，因而在水產市場等銷售終端無法被用作現場痕量檢測的手段以打擊使用MG的非法行為[1-2]。表面增強拉曼散射(SERS)作為一種光學檢測技術，由于其特異性好、 靈敏度高、 對水分子的散射極弱等顯著優點，在無損、 快速檢測領域越來越受到人們的關注[3-5]。近年來，隨著便攜式拉曼光譜儀的快速發展，SERS技術有望被用于實現對痕量農藥分子的現場檢測[6-8]。為了實現痕量分子的快速、 高靈敏度檢測，Wang等[9]以水為溶劑，將銀納米顆粒與待測痕量分子混合后滴在親水基底上，利用蒸發形成的咖啡環實現了混合物的濃縮富集，并獲得了高強度SERS光譜信號。該方法操作簡單、 檢測快速，但由于其所用的是親水基底，液滴在其表面會鋪展開，使待測分子被分散在一個較大的咖啡環上，使得單位面積內分子數量較少，富集效果并不好。為了降低檢測極限，Angelis等[10]制備了超疏水基底，使分子與金屬納米顆粒富集在一個極小的空間范圍內，進一步提升了痕量分子的檢測極限。然而所制備的超疏水基底滑動角小，要求蒸發時基底完全水平放置且穩定不動，否則液滴容易滾動掉落，直接導致這一類超疏水SERS基底難以在輕微抖動無法避免的環境中使用。

本研究提出了一種基于超疏水高黏附結構的SERS基底，可解決以往親水和超疏水基底存在的問題。基于該結構的超疏水性，分子與金屬納米顆粒混合物在結構表面呈液滴狀，接觸角達152°，接觸面積極小，蒸發后可實現混合物在極小尺寸咖啡環上的高效富集； 此外，基于結構的高黏附性，在混合物液滴滴落的瞬間，該結構即可牢固捕獲液滴，并在整個蒸發過程中保持液滴的位置固定不變，進而大大降低操作的難度，使之適用于惡劣的檢測環境。因而實現了一種SERS基底，可用于痕量農藥分子的現場快速檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與器材

實驗中所用4寸N型硅片購自蘇州研材微納科技有限公司； 聚酰亞胺(PI)光刻膠購自北京波米科技有限公司； MG粉末由百靈威科技有限公司提供； 銀納米顆粒溶膠購自宇瑞化學有限公司。反應離子刻蝕機由中國科學院微電子研究所研制； 高分辨率掃描電子顯微鏡S-5500(日本HITACHI公司)； 極紫外-可見-近紅外(UV-VIS-NIR)分光光度計Cary 7000(美國安捷倫科技有限公司)； 共聚焦顯微拉曼光譜儀(inVia-Reflex英國Renishaw公司)。

1.2 樣品與基底制備

以去離子水為溶劑，配置10-2，10-3，10-4和10-5mol·L-1的MG試劑，將10-2mol·L-1的MG試劑、 Ag納米顆粒溶膠和去離子水按體積分數1∶2∶7混合，配置成10-3mol·L-1的MG待測液。然后按相同方法，以Ag納米顆粒溶膠和去離子水為稀釋液，使用10-3，10-4和10-5mol·L-1的MG試劑，分別配置10-4，10-5和10-6mol·L-1的MG待測液。

以前期工作為基礎[11]，超疏水高黏附結構的制備流程如圖1所示。對涂膠后的硅片分別進行等離子體處理，硅刻蝕處理后，對形成的雙層納米森林結構進行疏水修飾，修飾所選用的試劑為短鏈硅烷偶聯劑六甲基二硅氮(HMDS)，在80 ℃的HMDS氣體氛圍中放置10 min。

圖1 超疏水高黏附結構的制備流程(a): PI膠基底； (b): 等離子體刻蝕后單層納米纖維； (c): 硅刻蝕后雙層納米纖維； (d): HMDS修飾后雙層納米纖維Fig.1 Preparation process of parahydrophobic nanostructures(a): PI substrate; (b): Single-layer nanofibers after plasma treating; (c): Double-layer nanofibers after silicon etching; (d): Double-layer nanofibers after HMDS decoriting

1.3 咖啡環的形成與SERS測試

取10-3，10-4，10-5和10-6mol·L-1的MG待測液各2 μL，分別滴到親水和超疏水高黏附基底表面上，液滴蒸發留下明顯的咖啡環印記。SERS信號測試時，激光波長為532 nm，激光功率為0.02 mW，積分時間為10 s，物鏡倍數為50×，聚焦在環表面。測試所得譜線用Wire3.0軟件處理，去除背底信號后進行平滑處理，以減小噪聲，進而得到圖譜數據。在對超疏水高黏附基底上高濃度樣品(如10-3和10-4mol·L-1待測液)進行測試時，因信號強度超過儀器檢測上限，故選用0.04 μW的激光功率進行測量，數據處理時按500倍放大光譜，作為相應的圖譜測試結果。

2 結果與討論

2.1 銀納米顆粒的表征

銀納米顆粒吸的收光譜如圖2(a)所示，圖中紅色曲線表示歸一化后的吸收率。在300～800 nm波長范圍內，可觀察到在414nm處有明顯的峰，這可歸因于相對固定粒徑下銀納米顆粒的表面等離激元吸收。同時吸收光譜的波峰尖銳，沒有其他峰位，可見銀納米顆粒尺寸的均一性、 單分散性良好。銀納米顆粒的SEM照片如圖2(b)所示，銀納米顆粒呈規則球形，直徑在50～60 nm之間。

圖2 銀納米顆粒的極紫外-可見-近紅外吸收光譜(a)與SEM照片(b)Fig.2 UV-VIS-NIR absorption spectrum (a) and SEM image (b) of the Ag nanoparticles

2.2 超疏水高黏附基底的表征

超疏水高黏附基底的SEM照片如圖3(a)所示，從圖中可知，基底的表面由納米線-硅柱復合森林結構構成，在納米線和硅柱之間有明顯的分界界面。復合結構中，硅柱的高度約為2 μm，頂部直徑約為170 nm，納米線的高度約為2.3 μm，底部直徑約為200 nm。圖3(b)為該基底疏水修飾前后的紅外光譜。如圖3(c)所示為該基底在疏水修飾前后的紅外光譜，從圖中可知，在疏水修飾前，除了在1 000 cm-1位置有一尖峰，同時也在3 000～3 500 cm-1處有一寬峰，說明未經疏水處理的納米線-硅柱復合森林結構表面存在Si—O—Si和O—H鍵。疏水修飾后，—OH寬峰消失，在2 900 cm-1附近出現兩個尖峰，該雙峰對應飽和C—H鍵的伸縮對稱和非對稱振動峰，表明結構表面的—OH基團被HMDS分子的—CH3取代，繼而使結構呈現出超疏水的特性[12]。

圖3 超疏水高黏附基底的SEM照片(a)和紅外光譜(b)Fig.3 SEM image (a) and infrared spectra (b) of the parahydrophobic substrate

如圖4(a)所示，液滴在所制備的超疏水高黏附基底上的接觸角達到152°，達到超疏水狀態。然而，雖滴液呈超疏水狀態，但接觸角測試過程中，不同于傳統的超疏水基底，滴液會被該基底表面捕獲，并被固定在捕獲位置。隨后，當基底被反向放置時，液滴可以倒掛在其表面，如圖4(b)所示，此時即便拍打基底液滴都不會掉落，從而驗證了該基底具有高黏附性。

2.3 咖啡環上的分子富集

液滴在固體表面蒸發時受毛細流和馬蘭戈尼流的影響，內部的液體會不斷流向固-液-氣三相界面處。隨著溶劑的蒸發，溶質被不斷析出并滯留在三相界面處，累積形成咖啡環[9-13]。如圖5(a,b)所示分別為MG待測液液滴在親水和超疏水高黏附基底表面上的狀態，以及形成的咖啡環的光學顯微照片。從圖中可見，滴液在親水基底上的接觸角較小，蒸發后形成尺寸龐大的咖啡環； 在超疏水高黏附基底上的接觸角可達到150°，蒸發之后形成了尺寸較小的咖啡環。實驗中，用載玻片和所制備的超疏水高黏附結構作為基底，分別得到5°和152°的接觸角[圖5(a)和(b)]，以及3.65和1.55 mm的咖啡環直徑，即11.47和4.87 mm的咖啡環周長[圖5(c)和(d)]。

圖4 液滴在超疏水高黏附基底上的狀態(a)： 正面滴定時接觸角達到152°； (b)： 翻轉基底時可倒掛Fig.4 States of a droplet on the parahydrophobic substrate(a)： With a contact angle of 152° when on the front surface；(b)： Hanging beneath the substrate when it is turned over

以圖5(d)的咖啡環為例，通過掃描電鏡分析了銀納米顆粒和MG分子在咖啡環處的分布。如圖6所示為該咖啡環上局部位置以及咖啡環中心位置的SEM照片。從圖6(a)和(b)中可知，由銀納米顆粒和MG分子形成的咖啡環排布致密，其寬度為53 μm，高度為8.6 μm，圖6(c)給出了咖啡環內部復合森林結構的狀態，在其上只能觀察到極少量的納米顆粒殘留，可知金屬納米顆粒和MG分子主要富集在咖啡環處。從圖5(c)可知，親水基底上的咖啡環寬度約為130 μm，而超疏水高黏附基底上的咖啡環寬度為53 μm。在MG待測液體積均為2 μL的情況下，可計算得到兩個咖啡環的面積分別為1.49和0.26 mm2，超疏水高黏附基底形成的咖啡環的總面積約為親水玻璃基底的0.17倍。進一步，在超疏水高黏附基底上形成的咖啡環內MG分子單位面積的分子數量約為親水基底的5.73倍。除此之外，借助于銀納米顆粒組成的咖啡環有一定的厚度，因此在豎直方向上可提供更多活位點，進而有利于獲得更強的SERS信號。

圖5 在親水基底和超疏水高黏附基底上的液滴及其形成的咖啡環(a): 親水基底； (b): 疏水高粘附基底； (c): 親水基底形成的咖啡環； (d): 疏水高粘附基底上的咖啡環Fig.5 Droplets on (a) a hydrophilic substrate and (b) a parahydrophobic substrate; Coffee rings formedon (c) a hydrophilic substrate and (d) a parahydrophobic substrate

圖6 超疏水高黏附基底上形成的咖啡環的SEM照片(a): 咖啡環在基底上的整體截斷面； (b): 納米銀顆粒在咖啡環處局部富集； (c): 納米銀顆粒在咖啡環內極少殘留Fig.6 SEM images of a coffee ring formed on a parahydrophobic substrate

2.4 SERS測試結果

圖7(a—d)分別給出了MG濃度為10-3，10-4，10-5和10-6mol·L-1的情況下在兩種基底咖啡環上測得的SERS譜線數據，從圖中可知，不同濃度下在914，1 175，1 590和1 618 cm-1處均有明顯的MG拉曼特征峰。對于親水的載玻片基底而言，由于其咖啡環富集能力有限，只有待測液濃度較高，如達到10-3和10-4mol·L-1時，才能在峰形最明顯的1 618 cm-1處觀察到MG的特征峰，更低濃度的待測液則無法在此波數位置及其他位置獲得明顯的特征峰。然而，對于超疏水高黏附基底而言，在高濃度下可以觀察到極強的特征峰，與此同時，在低濃度條件下，如濃度為10-5和10-6mol·L-1時，依舊可在1 618 cm-1處觀察到非常明顯的特征峰，從而驗證了超疏水高黏附基底在咖啡環富集的作用，并展示了其在痕量農藥分子現場檢測中的潛在能力。

圖7 不同濃度下親水基底與超疏水高黏附基底咖啡環上測得的SERS信號Fig.7 SERS spectra of MG with different concentrations obtained from coffeerings on a hydrophilic substrate and a parahydrophobic substrate

3 結 論

提出了一種超疏水高黏附基底可實現金屬納米顆粒和待測痕量分子在其咖啡環上的高效富集，進而有望構建高靈敏度和低檢測極限的SERS基底，用于實現對痕量農藥分子的現場快速檢測。實驗結果表明，金屬納米顆粒和痕量分子在該超疏水高黏附基底上的富集能力為親水基底的5.73倍，與親水SERS基底相比，超疏水高黏附基底可將MG分子的檢測極限提升至少兩個數量級。除此之外，由于該基底具有高黏附特點，從而極大地提高了現場檢測過程中的操作便捷性，解決了傳統超疏水基底上液滴容易滾落的問題。研究結果表明，所研發的超疏水高黏附SERS基底在痕量農藥分子現場快速檢測中具有潛力。