表面增强拉曼散射活性基底制备的研究进展＊

李 贞，徐维平，吴亚东，徐婷娟，金勤玉

(1.安徽中医药大学，安徽 合肥 230031;2.安徽省立医院，安徽 合肥 230026)

近年来，随着社会经济的迅速发展，人们生活水平的逐步提高，环境污染问题越来越受到重视。农业中有机农药残留，工业中多氯联苯及多芳烃类化合物都对土壤、内陆水环境和海洋环境造成了持续性污染，食品安全领域的三聚氰胺、塑化剂、地沟油等对人体健康造成了极大危害。这些污染物大都难以降解，且会在环境及生物体内蓄积，即使环境中的痕量存在也不容忽视[1]。目前，检测这些化合物的常用手段主要是色谱法[2]、超高效液相色谱法[3]、荧光分光光度法[4]、色谱－质谱联用[5]等，尽管对某些化合物的检测具有较高的灵敏度，但由于样本的前处理与检测过程过于复杂、耗时，并且需要昂贵精密的检测仪器，以及对操作人员的要求极高，多方面因素制约了监管部门的快速检查和监控。

1 表面增强拉曼散射

1928年，印度科学家C.V.Raman在研究苯的光散射时，首次发现了光的非弹性散射现象，即拉曼散射效应。在非弹性散射过程中，由于分子的振动和转动能引起了入射光和散射光频率的变化，因此拉曼光谱可以用来确定分子的结构信息。拉曼光谱具有对样品无损伤、无需前处理的特点，适合液体样品的快速、简便分析，自诞生以来受到科学工作者极大的关注。

1974年，Fleischman等[6]发现，吡啶分子吸附在经粗糙化处理的银电极表面后，拉曼信号得到了5～6个数量级的提高，这种与表面粗糙程度相关的增强效应称为表面增强拉曼效应(surface－enhanced Raman spectroscopy，SERS)。随着纳米技术的快速发展，表面增强拉曼技术也取得了巨大的突破，SERS检测几乎达到了单分子级的水平[7－8]。SERS光谱不仅具有拉曼光谱几乎所有的优点，而且其检测灵敏度远高于普通的拉曼检测，荧光干扰得到极大的抑制。目前，SERS在环境检测、疾病诊断、化学化工领域有着广泛的应用[9]。

SERS活性基底的制备是获得较高拉曼增强信号的前提条件。不同的增强基底对样品的增强效果差别很大，SERS活性基底的材料、纳米颗粒的形状及尺寸、探测物在活性基底上的吸附量和距离等[10－11]因素都会影响SERS的增强效果。目前，有多种常用的SERS活性基底，主要包括金属电极活性基底、金属溶胶基底、金属岛膜基底、金属薄膜基底等，而不同的方法优缺点各异，在实际应用中应根据需求来选择相应的方法。

2 SERS活性基底的制备

2.1 金属电极活性基底

金属电极活性基底一般是在电解质溶液(如KCl溶液)中经过一次或多次电化学氧化－还原循环而获得的。Fleischman等[6]的试验就是利用电化学方法在银电极上完成的:在氧化阶段，电极上的银被氧化成银离子;在还原阶段，银离子被还原，重新沉积在电极表面;如此循环后，即可获得表面有一定粗糙度(25～500 nm)的SERS活性基底。随着技术的不断发展和研究的逐步深入，电化学法也越来越成熟。Mai等[12]通过电化学沉积－溶出循环(deposition－dissolution cycles，DDC)，精确调控阳极过电位，制备了50 nm的金纳米颗粒，在对罗丹明6G(Rhodamine 6G，R6G)溶液的检测中展现了极强的增强效果，R6G的极限浓度为2×10－12mol/L，增强因子(enhancement factor，EF)达到了 5.8 × 107。

电化学法制备SERS基底的优点在于简便、迅速，缺陷是稳定性和可重复性较差，大面积均匀地蚀刻生长更是难以完成，这势必会使SERS光谱检测的重现性差，极大地限制了该方法的应用[13]。

2.2 金属溶胶基底

贵金属(如Au，Ag，Cu等)溶胶是纳米尺寸金属的溶液，待测分子与其直接混合后吸附在其表面，便于进行检测。金属溶胶基底的制备过程简单、增强效果较好，尤其是银纳米溶胶，是表面增强拉曼光谱检测中最常用的SERS活性基底。刘文涵等[14]以硼氢化钠为还原剂制备了黄色透明的银溶胶，与 L－苯丙氨酸溶液混合，研究不同激发光源下(514.42，632.81，785.18 nm)不同浓度、pH对 L－苯丙氨酸溶液的表面增强拉曼光谱，并对比常规拉曼光谱得到最佳的检测条件。尽管不断有新的制备手段和新的还原剂出现并被运用到银溶胶的制备过程中，经典的银纳米溶胶制备方法至今仍经常使用[15]。

目前，研究人员不仅将目光局限于零维的纳米粒上，纳米线、立方体、八面体、星形、笼状、管状、树枝状等形式的金属溶胶基底也被运用到SERS的检测中，展示了良好的增强效果。但金属溶胶SERS活性基底也存在着突出的问题:金属溶胶与待测分子混合转移到固体基片上进行光谱检测时，容易产生再聚集和沉淀[16]。因此，只有克服金属溶胶基底稳定性差的缺点，才能在SERS检测与后续数据处理、定量计算和分析中使其达到实际运用的要求。

2.3 金属岛膜基底

金属岛膜的制备通常又分为真空蒸镀和低温沉积两种方法。真空蒸镀是在真空的条件下，在固体基片表面如玻璃片、硅片或石英片等溅射或喷镀1层厚度为5～15 nm的金属层，金属层表面的晶核先以孤立的岛状形式存在，随着不断的沉积，晶核生长成连续的岛状薄膜[17]。低温沉积是将经高温汽化的金属沉积于低于120 K的基片上，可以大大降低金属颗粒在基片上的流动性，从而制备出原子级别粗糙度的基底[18]。金属岛膜活性基底的可重复性高、背景干扰少，但其对实验的工艺和设备要求高，且粗糙度无法满足大部分实验的需求。

2.4 金属薄膜基底

金属薄膜基底是在固体基片的表面覆盖1层或多层纳米尺寸的金属薄层制成的基底，制备方法有多种，包括旋涂法、模板法及组装法等。

旋涂法(spin－coating):旋涂也称匀胶，是将液体溶胶滴加于基片表面，利用匀胶机低速和高速旋转两个过程铺展成均匀的薄层，再干燥除去多余的溶剂，最后得到稳定的薄膜[19]。旋涂法操作简单，制作周期短，所制备的金属薄膜基底经固化后，金属膜不易脱落，且具有很高的表面增强活性。Polavarapu等[20]在油胺－甲苯体系中制备了3～5 nm尺寸的墨水状金、银溶胶，利用旋涂法，经退火处理得到了稳定的金与银薄膜。Mueller等[21]合成了星状表面修饰了聚－N－异丙基丙烯酰胺(poly－N－isopropylacrylamide，pNIPAM)核壳结构的Au@pNIPAM，将其旋涂在聚二甲氧硅烷处理的玻璃片上，得到了整齐排列的Au@pNIPAM颗粒，这种方法能够得到大面积均匀的阵列，且有着极强的增强效果，这对SERS领域来说是个很大的突破性成果。

模板法:是利用模板孔的限制作用，通过调整孔径的大小、孔隙的距离，实现纳米点阵、纳米柱等有序纳米结构的制备。阳极氧化铝膜(anodic aluminum oxide，AAO)是最常用的模板。AAO模板具有规则、有序排列的六边形多孔结构，结构稳定，孔径均一，孔间距一致，排列密集有序[22]。基于上述优点，AAO模板在SERS基底膜的制备中发挥着重要的作用。Wang等[23]通过两步阳极氧化法、阶梯降压过程制备了AAO模板，精确调控银沉积在AAO孔道的厚度，得到了孔间距为5 nm、直径为100 nm的银纳米颗粒，在R6G的检测中增强因子达到4.5×107。

2.5 纳米材料的有序组装

自组装法:自组装是指纳米尺寸的材料在特殊条件下形成有序结构的一种现象。自组装法首先需要制备合成尺寸适宜的纳米金属溶胶，之后通过对玻璃(或石英、金属等)的表面修饰交联剂，使其表面增加1层对金属溶胶具有吸附功能的功能团，如氰基(—CN)、氨基(—NH2)、巯基(—SH)等，通过非共价键(氢键、范德华力、静电吸附等)与金属溶胶间的相互作用，使得纳米颗粒自发、有序地组装在表面。交联剂的一端固定在经羟基化处理后的玻璃(或石英、金属等)表面，另一端则通过非共价键的作用结合与吸附金属纳米粒子。由于溶胶通常情况下以水为溶剂，所以自组装法不需要复杂的装置和设备。1995年，Natan课题组[24]首次报道了基于这种单层纳米颗粒组装技术后，自组装法被越来越多地运用到SERS活性基底的制备当中。

Shi等[25]基于自组装法，通过精确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，调节自组装到石英片上的金纳米颗粒个数，可根据激发波长的不同来制备增强效果最佳的SERS活性基底;通过比较标准溶液的SERS光谱，确定了各种活性基底在检测多芳烃(PAHs)时的最佳参数。

Langmuir－Blodgett(LB)技术:不相容的液体的表面活性物质会在另一种液体的表面形成单分子层，通过增加液面的压力可使分子紧密排列成类固体层，用合适的基片将其转移，可形成LB膜。与自组装法制备的薄膜相比，LB膜更加有序、易于调控。笔者将合成的一定长径比的纳米银线，溶解于DMF－氯仿中，利用LB技术制备了多层有序的纳米银线自支持薄膜，SERS增强效果极好，能够对10－15mol/L，甚至浓度更低的R6G溶液进行检测，且重复性良好，有望实现定量检测。

3 展望

SERS发展至今，已在众多领域中被广泛应用。随着理论研究的不断深入和实验方法改进与完善，SERS在痕量分析与单分子检测中发挥着重要的作用。稳定的SERS基底，要求在一段时间内其增强能力保持不变，且测试性能应该有所保证，信号偏差不能过大。这样的高灵敏的基底，才是SERS检测中所追求的。相信随着技术的不断发展和成熟，理想的SERS基底能够获得，运用表面增强拉曼散射实现对有机痕量污染物简单、快速地定量检测将得以实现。

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