表面增強拉曼散射納米傳感器設計及農殘檢測應用研究

李寧 孫官亮 王丹 梁秀 李勇

伴隨著經濟步入高質量發展時代，科學技術在生產生活中發揮著越來越重要的作用。科技融入我們的生活方式并給我們的生活帶來革命性的進步。例如傳感器的應用在許多領域已經不可或缺，并且對其性能的要求也愈來愈高。伴隨著科學技術的發展，科研人員對表界面的研究工作做了大量的實驗和分析，人們還對于超痕量待檢測物的檢測限度以及檢測的實時性提出了更高的要求，因此這就使得超靈敏、高穩定和普適性的傳感器在科研人員的努力下得以快速發展。

表面增強拉曼光譜（Surface—enhanced Raman scattering，SERS）是一種新的光譜技術，它利用貴金屬納米結構如金（Au）、銀（Ag）等來顯著增強納米結構附近待測分子的拉曼信號，并獲得待測分子的“指紋”振動信息。SERS增強高達6個數量級及以上，性能好的基底可以完成單分子級別的檢測。SERS因其具有快速、準確、靈敏度高等優點，已應用于分析化學、生命科學等領域。

1? 拉曼增強機理

1.1? 拉曼散射原理

散射是指電磁波與物質作用后，光子偏離入射方向而分散的現象[1]。如圖1所示，入射激光的光子與處在基態振動能級的分子發生撞擊時，分子在這個過程中得到部分能量然后躍遷至激發虛態，散射光子能量變為h（v0-Δv），頻率降為（v0-Δv），稱為斯托克斯拉曼（Stokes）散射[2];激發態振動能級的分子與入射光子碰撞后，分子中獲得能量hv0躍遷至激發虛態后，散射光子產生的能量變為h（v0+Δv），頻率升為（v0+Δv），稱為反斯托克斯拉曼（Anti-Stokes）散射。由于基態分子數目較多，散射信號更強，因此一般選用斯托克斯拉曼散射作為信號檢測待測分子。

1.2? 表面增強拉曼散射機理

拉曼光譜技術最初很難得到應用與發展，因為其散射強度非常低，通常只有入射光強度的10-6左右[3]。1974年，Fleischmann和他的同事在世界上首次通過實驗發現了粗糙銀電極表面的SERS效應[4]，這才真正有效地解決了拉曼強度弱的難題，使SERS技術成為重要的光譜學檢測技術。

SERS的增強機理一直在不斷地被探究，目前被科學界普遍認可的主要有電磁增強機理（Electrical Magnification，EM）[5]和化學增強機理[6]（Chemical Magnification，CM）。

1.2.1? 電磁增強機理

如圖2（a）所示，Au、Ag、銅（Cu）等貴金屬納米結構在入射光的激發下金屬導帶電子與入射光子發生集體震蕩并且高度局限于某一位置，產生局域表面等離子體共振效應（Localized Surface Plasmon Resonances，LSPRs）。在金屬表面極小范圍內產生局域電場，此區域稱之為“熱點”[7]。“熱點”可以有效地將電磁場集中增大102～105倍，從而將處在熱點范圍內的被測樣品的拉曼散射強度呈數量級的倍增。

1.2.2? 化學增強機理

如圖2（b）所示，SERS的化學增強機理與電荷轉移有關[8]，主要包括帶間躍遷，界面電荷轉移，基態電荷轉移和光耦合效應。

2? SERS技術的研究現狀

當前SERS技術本質是通過調控基底來實現待測分子的拉曼信號增強，因此研究主要集中在基底的改良上。科研工作者積極探求光與納米結構的相互作用機理，并制備了不同類型的SERS基底，主要有金屬納米顆粒溶膠、固相納米顆粒薄膜結構、固相納米陣列結構以及核殼復合納米結構等多種不同的金屬基SERS基底。

2.1? 納米顆粒溶膠SERS基底

納米顆粒溶膠是最原始的SERS基板，這類基板SERS性能好、容易制備，在SERS發展最初階段得到充分研究和廣泛應用。但其也存在著十分明顯的缺點，也是納米材料普遍存在的一個問題，就是容易發生聚集和重現性差以及納米顆粒溶膠必須與探針分子或者團聚物均勻混合后進行檢測的缺點一直阻礙著其作為SERS基底的應用，尤其是在當前原位檢測火熱的階段，這些缺點導致該SERS基底難以得到應用。因此進行了大量研究來改進納米溶膠的制備，研究主要集中在改變納米顆粒的形狀、大小和防止顆粒的聚集方面。

當前階段已經成功制備了各種形狀的單一和復合納米結構，顆粒的大小也可通過改變制備條件進行調控，并且通過復合其他材料的方式能夠實現納米顆粒有效分散和組裝。例如，Yang等人[9]通過DNA堿基對成功組裝金納米球/金納米棒衛星結構，精確控制熱點距離，具有極高的SERS活性。

2.2? 固相SERS基底

固相基底是指利用固體基質將原本在溶膠狀態下易聚集的金屬納米顆粒固定在穩定的位置上。固相基底具有更加良好的優勢，相比于納米顆粒溶膠具有更加良好的穩定性和重復性。目前關于固相基底的制備技術自從被發明以來，已經得到了快速的豐富創新和發展，其中主要的技術包括原位合成、納米光刻、自組裝等技術。這3種技術各有優、缺點，原位合成可以實現控制成本，降低工藝復雜程度，但納米粒子的形狀和大小不能夠很好的控制，重現性相對其他技術較低;納米光刻技術可以彌補原位合成技術的缺點，精準地調控納米顆粒的形貌，并且具有重現性高的優點，但該技術需要專業的設備與模板，過程復雜且成本高;自組裝技術制備的SERS基底制備方法相對簡單、能實現納米材料的尺寸和形狀的有效控制、基底重現性好、成本低。

目前，固相基底的主要制備材料主要包括聚合物納米纖維，玻片，濾紙，聚二甲基硅氧烷（PDMS），硅片（Si），鋁薄膜等。其中，濾紙和玻片都是SERS應用中成本較低的基質，可作為支架材料用于制作各種傳感器設備（見圖3）。Liang等人[10]通過微波輔助水熱法合成了負載大量金納米顆粒的3D二硫化鉬納米球，并通過調節金納米顆粒的密度和大小，輕松有效地優化基底SERS性能。優化的SERS傳感器，可在1ppb～10ppm范圍內定量檢測牛奶中三聚氰胺含量。Greeneltch等[11]通過將二氧化硅（SiO2）微球和聚苯乙烯（Polystyrene，PS）微球分別自組裝到Si和玻片上，然后將200nm厚度的Ag膜及Au膜使用熱氣相沉積系統均勻沉積在微球表面涂覆，用來制備固相SERS基底。納米纖維膜配合Au、Ag納米顆粒也可用于制備柔性，可重復使用的高性能SERS基底[12]。利用這種途徑制備的基底重現性良好并且具有可預測的增強因子。

2.3? 核殼結構SERS基底

早期，科研工作者對納米顆粒形貌及尺寸進行調控，例如對不同形狀和表面形貌的金納米顆粒，對不同形狀的Ag或鉑（Pt）進行SERS性能的研究。伴隨著研究的不斷深入，研究者通過對比實驗研究得出結論，多組分組裝結構的納米材料比單元素組成的納米材料具有更好的SERS性能和應用前景，金屬尤其過渡金屬納米顆粒的多級復合化制備引起了新的研究熱潮。研究發現納米結構的材料距離表面十納米處仍然存在電磁增強效應。基于該發現，研究者們在金屬納米顆粒表面通過包覆薄的殼層的復合結構，實現了性能更為優異的SERS基底。

近些年來，在AuNPs、AgNPs表面生長過渡金屬氧化物、碳（C）材料等來制備核—殼復合結構的SERS基底成為該領域研究熱門。核—殼結構的穩定好，種類繁多，SERS活性好并且通過選擇適當的殼層材料可具備優異的生物相容性，因此在藥物傳遞、生物成像等領域得到普遍應用。Guo等人[13]制備了單分散的Au@Ag核殼納米立方體和納米長方體，并調控了最適激發波長和顆粒的最佳尺寸，優化后的基底對于西拉姆的檢測限可達80×10-11mol/L。對于殼體隔絕拉曼增強（shell—isolated SERS）的納米結構的制備，形狀和厚度二者都很重要。

此外，研究人員早期聚焦于光與納米結構的互相作用，但傳統的二維SERS基底存在靈敏度有限、均一性不好、重復性不佳等諸多問題，并且部分分子拉曼散射截面小，對基底表面的吸附能力弱會導致真實檢測到的分子數目較少，也是SERS技術的難題。近幾年，半導體化合物已被證明具有高SERS活性，又因其種類多樣、化學組成豐富引起了研究者們的研究熱情。中科院趙志剛團隊基于化學增強機制，通過半導體氧化物中的氧缺陷、表面修飾、填隙離子插入等組成結構調制方式實現其SERS性能的大幅提升。對于未來SERS傳感芯片的研究方向，越來越多的研究者偏向于陣列化、具有三維（3D）結構以及柔性化的SERS傳感芯片制備與研究。

綜上所述，經過不斷對材料的結構和性能進行創新和探索，構建新型的SERS基底，制備性能更優異的探針，是SERS技術在傳感、生物醫學、環境檢測等領域的重要研究基礎。

3? SERS技術在農藥殘留檢測中的應用

隨著人們對食品安全問題的日益重視，我國出臺了多項國家標準，規定了各種農藥的最高殘留限量（MRL），以此保障人民的食品安全。但目前尚缺乏快捷有效的農殘檢測手段，因此，研究人員也一直致力于對此領域的相關研究。

在眾多檢測技術中，拉曼光譜技術具備快速、無損和對樣品預處理要求等級低的優點，并且拉曼光譜幾乎不會受到水的干擾，因而適用于農殘檢測領域。但傳統拉曼信號強度弱，不利于分析檢測，阻礙了拉曼技術在農殘檢測領域的應用。近些年發展興起的SERS技術因其具有顯著增強拉曼信號的優勢，能夠彌補普通拉曼技術的短板，因此拉曼光譜技術在此領域得以應用。

通常，該領域SERS基底主要有膠體基底和固體表面基底2種類型。膠體基底合成簡單，但在溶液系統中，膠體顆粒容易聚集，其與待測物的位置難以控制。相反，固體表面基底可以通過改變某些實驗條件來達到控制熱點形成位置和分析物沉積位置的目的，因此固體基底往往表現出更好的SERS活性和可重復性。

由于當前的SERS基底不能滿足對于某些農藥殘留在農副產品中的檢測，因此科研工作者基于農殘檢測再次對SERS基底的優化進行了探索。探索大致可以分為2個方向，其一是優化基底材料，其二則是優化基底陣列結構。

3.1? 優化基底材料

如圖4所示，吡蟲啉原液在純硅片上面的拉曼光譜與在復合Ag納米材料的硅片上面的SERS光譜的比較表明了貴金屬具有良好的拉曼增強效應。然而具有良好SERS增強效果的單一組分的貴金屬Au、Ag等貴金屬納米基底材料因為在制備過程中成本過高并且重復利用率低等缺點制約著SERS基底材料的進一步發展，針對此問題科研人員采取以貴金屬與碳以及過渡金屬相結合的方式，作為SERS基底。Zhao等[14]將碳點通過化學反應與Ag納米顆粒結合形成的雜化物作為新的SERS基底，在該基底下對氨基苯硫酚（PATP）的檢測靈敏度可達10-9mol/L。

Li等人[15]以羅丹明6G（R6G）、氯苯酚（ClC6H4OH）、二氯苯氧乙酸、甲基對硫磷為探針分子作為研究目標，制備形成以氧化鋅（ZnO）為基底模板，Au包覆二氧化鈦（TiO2）的納米管陣列結構，通過紫外光線照射在該納米復合材料基底的表面，使得附著在表面的R6G和四氯苯酚會發生光催化反應，其中的催化劑是Au/TiO2，因此能夠實現基底的可重復性利用。

3.2? 優化基底陣列結構

具有優異陣列的基底可實現SERS性能的多方面提升。而優異的陣列結構都有以下2個特征：一是陣列具有高曲率的尖銳尖端，尖端效應表明尖端處存在超強電場，可以對待測分子拉曼信號實現超高增強;二是陣列中相鄰金屬表面存在納米級間隙，存在熱點效應，可有效增強位于熱點范圍內的待測分子的拉曼信號。近年來，低成本、快速制造納米陣列也是該領域所要解決的關鍵問題。

Wei等人[16]以R6G、福美雙、西維因為研究對象，采用蜻蜓陣列（DW）結構作為SERS基底，DW陣列具有大規模的3D表面突起納米結構，其排列均勻，分布密集。在實際檢測過程中，為了提高檢測限度，通常將探針分子溶液約束在某一特定區域內，使溶液在水滴蒸發后濃度提高，這能夠有效提高SERS檢測限。在DW表面上錐體的突起導致良好的疏水性，從而達到這一目的，該基底可檢測到10-8mol/L的R—6G水溶液，福美雙和西維因的檢出限度也達到了10-7mol/L。

Ren等人[17]利用硅藻負載Au、Ag納米顆粒，由于硅藻具有多孔和透明的特性，使得該基底拉曼增強效果明顯好于單純的納米顆粒和薄膜。Zhang等[18]使用硅藻土結構為基底結構，把存在于蘋果果肉里面的三唑磷和亞胺硫磷為研究對象。硅藻土屬于SiO2與水的復合物，選用它作為其優點除了比表面積大、孔徑分布均勻、化學惰性好之外，增強離子金離子處于孔內位置，可以實現較好的增強效果。另外硅藻土還具備可以直接購買且價格低廉的優點，保證了材料的一致性，實現可重復性的基底。

4? 總結和展望

SERS要實現果蔬的微量農殘檢測必須依賴于穩定性好、重現性好、靈敏度高的SERS活性基底，而SERS活性基底主要有金屬納米結構、半導體納米結構以及二者的復合結構等類型，其由于材料和結構的不同可產生不同的SERS活性，對于復合材料和新結構的探索正是提高基底SERS活性的通常手段。除此之外，通過對基底的處理實現對待測分子富集的方法也是當前基底研究的熱門。基底調控與基底處理兩種思路在未來SERS研究領域將相輔相成，實現SERS技術更好的發展。

10.19599/j.issn.1008-892x.2021.04.016

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