基于PMMA纳米纤维森林结构的高性能SERS基底

李锐锐，杨 帅，毛海央，陈大鹏，熊继军

(1.中北大学 a.电子测试技术国家重点实验室，b.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051；2.中国科学院微电子研究所 集成电路先导工艺研发中心，北京 100029)

表面增强拉曼散射(SERS)是一种非侵入式的无损检测技术，可以实现对分子组成与构象等的痕量检测[1-2]。由于其具有高灵敏度的优异性能，在分析化学、生物检测、环境监测、安全监控等领域有很大应用[3-4]。在过去的几十年里，研究者们致力于研究各种各样的SERS基底或器件。其中，人们采用“自上而下”或“自下而上”的方法制备了零维(0D)、一维(1D)、二维(2D)甚至三维(3D)的微纳结构，例如金属纳米粒子、金银纳米线、纳米领结、氧化锌纳米棒、硅纳米锥等[5-9]。其中，金属纳米粒子与金银纳米线在胶体悬浮液中制备得到，制备过程需要严格控制溶液温度及反应时间才能获得形貌一致的纳米粒子或纳米线。纳米领结的制备则需要经过光刻与金属剥离等复杂工艺。对于3D微纳结构，如硅纳米锥，则需要利用掩膜进行湿法或者干法刻蚀工艺才能完成制备[10]。因此，目前所制备的SERS基底，基本都需要经过严苛的反应条件、复杂的结构设计与制备工艺，存在成本高且不易批量生产的问题，大大限制了SERS基底的实际应用。

大部分聚合物材料在工业领域非常普遍且成本低廉，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。如果可以用聚合物材料制备SERS基底，将会大大降低成本。PMMA是一种常见的聚合物材料，具有透光率高、成本低、生物亲和性好的优点，被广泛应用在航空、建筑、机械、医疗等领域。特别是在医疗方面，PMMA常被用作人工角膜、人工晶状体等，具有很大的生物应用潜力[11-12]。因其本身的疏水性特点，不适宜直接用于生物实验，因此常利用等离子体作为材料表面改性处理的一项重要技术[13]。该技术具有无污染、快速高效、工艺简单、所需能量低等特点，常被用以改善材料表面润湿性、连接性、染色性等，同时也能改变聚合物材料的表面结构，从而改善材料的光电特性及生物相容性等[14-15]。常规的等离子体处理，一般只在聚合物材料表面形成几纳米至几百纳米的粗糙结构，对于聚合物本身形成的微纳结构的研究很少。因此，如果利用简易的等离子体技术，在聚合物表面直接形成微纳结构，并以此制备SERS基底，将会大大降低成本，并有利于批量制备，对于实现SERS基底的实际应用具有重要意义。

本文采用等离子体处理技术，对PMMA薄膜表面进行处理，形成纳米纤维森林结构，结合金属纳米颗粒溅射工艺，成功制备了SERS基底。通过分析纳米纤维的形成过程，经过一系列测试，该SERS基底的检测限可以达到10-10mol/L，相对标准偏差为6.52%，且表现出较好的稳定性。

1 实验

1.1 实验材料及设备

本实验中用到的PMMA薄膜购置于东莞市九州通塑胶材料有限公司，厚度为300 μm.在实验时，将PMMA薄膜切割成2 cm×2 cm的小片。罗丹明6G(R6G)购置于北京百灵威科技有限公司，分子式为C28H31N2O3Cl，分子量为479.01.等离子体处理技术在反应离子刻蚀机RIE-100中进行，该设备由中国科学院微电子研究所研制。SERS基底中的金纳米颗粒采用北仪创新真空技术有限责任公司购置的磁控溅射台(JPGF-400D)制备。扫描电镜图像来自于日本HITACHI公司的S-5500.样品的吸收谱来自紫外-可见-近红外分光光度计(安捷伦Cary 7000).SERS信号测试采用共聚焦显微拉曼光谱仪(inVia-Reflex，英国Renishaw公司)，测试时，激发波长为633 nm，采用放大倍数50倍的物镜，最后使用WIRE 3.2软件进行数据后处理。

1.2 样品制备

根据前期的研究工作，采用氧等离子体、氩等离子体处理光刻胶等聚合物的表面时，可以形成不同形貌的纳米纤维森林结构[10]。本文中，利用该技术对PMMA薄膜进行等离子体处理，形成了PMMA的纳米纤维森林结构。基于PMMA纳米纤维森林结构的SERS基底的制备工艺流程如图1所示。首先，将PMMA薄膜小片(图1(a))用去离子水进行超声清洗，并用氮气枪吹干。采用氧等离子体对PMMA薄膜进行处理，氧气流量设置为30 cm3/min(标准状态下)，射频功率设为75 W，腔体压强为2.4 Pa，持续时间为30 min.其次，进行氩等离子体处理，设备参数与氧等离子体相同，持续时间为15 min.此时，PMMA薄膜表面形成了纳米纤维森林结构(图1(b)).最后，利用磁控溅射工艺，在纳米纤维森林结构上进行金纳米颗粒溅射，溅射厚度为28 nm，进而得到基于PMMA纳米纤维森林结构的SERS基底(图1(c)).溅射工艺中，功率为50 W，腔体真空度为6×10-4Pa.

图1 基于PMMA纳米纤维森林结构的SERS基底的制备工艺流程Fig.1 Preparation process of SERS substrate based on PMMA nanofibers

1.3 SERS信号测试

在测试之前进行溶液配制，以去离子水作为溶剂，配制不同浓度的R6G溶液(10-10mol/L，10-9mol/L，10-8mol/L，10-7mol/L，10-6mol/L，10-5mol/L).取被测试剂3 μL滴加在所制备的SERS基底上，采用滴样蒸发的方式，在室温环境下等待溶剂完全蒸发后，被测试剂的R6G分子固定在SERS基底上。最后，将该基底放置于拉曼光谱仪载物台上进行测试。

2 结果与讨论

2.1 PMMA纳米纤维森林结构的SERS基底表征

图2(a)给出了PMMA原始薄膜的SEM图，可以看出其表面比较平整。图2(b)为经过氧等离子体与氩等离子体处理，并溅射有金纳米颗粒的SERS基底SEM照片。从图中可以看出，经过等离子体处理，平整的PMMA表面形成了纤维状的结构，并且成簇分布，我们称之为纳米纤维森林结构。图2(c)是该结构的截面图，可以看出纳米纤维的直径大约为50～400 nm，高度大约为3 μm.而且在纳米纤维下部，可以看到未形成纳米纤维的PMMA基底部分呈现出疏松多孔的形貌，说明等离子体已经与下部结构相互作用，但由于处理的时间短，还未形成纳米纤维。同时，也说明通过控制等离子体处理时间，纳米纤维的高度可以得到有效的控制。从图2(d)中可以比较清楚地看到金纳米颗粒的分布。正是由于这些金纳米颗粒之间的间隙，以及金属颗粒的边缘、突起位置，提供了众多的“热点”，也即电磁场增强的区域。这些“热点”的存在，会为更好地增强分子拉曼信号提供可能性。

图2 (a)PMMA薄膜初始表面；(b)PMMA纳米纤维森林斜角俯视；(c)PMMA纳米纤维森林横截面；(d)PMMA纳米纤维上端金属颗粒分布的SEM图像Fig.2 SEM images of (a) PMMA original film; (b) Oblique view of PMMA nanofiber forest; (c) Cross section of PMMA nanofiber forest; and (d) Distribution of metal nanoparticles on top of PMMA nanofiber

图3展示了PMMA初始薄膜、经过等离子体处理的PMMA与溅射金属后的SERS基底的实物照片。由于PMMA材料的结晶度低，且表面平整，所以这种材料的透光率非常高，从图3(a)也可以看出该薄膜非常透明。经过氧、氩等离子体处理后，在其表面形成了几微米高度的纳米纤维，虽然大部分光还能直接透过，但一部分光因为纳米纤维发生散射与吸收，最终透过率有略微减小。从图3(b)可以看出其表面略微模糊，比未处理的原始薄膜透过率有所降低。经过金纳米颗粒溅射后，众多的金纳米颗粒会附着在纳米纤维上，如图2(d)所示。由于金纳米颗粒会产生局域表面等离子体共振(LSPRs)效应，对光产生吸收作用，特别是在紫外可见光波段，最终该基底呈现出变黑的趋势，但仍然有一定的透过率，如图3(c)所示。

图3 (a)PMMA初始薄膜；(b)经过等离子体处理的PMMA；(c)经过等离子体处理的PMMA溅射金纳米颗粒的实物照片Fig.3 Photos of (a) PMMA original film; (b) Plasma treated PMMA; and (c) Plasma treated and gold nanoparticles sputtered PMMA

为了进一步研究该SERS基底的性质，对溅射了金纳米颗粒的纳米纤维进行了元素分析及透射电镜(TEM)表征，结果如图4所示。其中，图4(a)展示了溅射有金纳米颗粒的单根纳米纤维的元素分析映射图(mapping)，从图中可以看出金元素基本覆盖了整个纤维，说明溅射的金纳米颗粒很好地附着在纳米纤维上，而且也能观察到金颗粒之间的间隙。由于在制备TEM样品时在外层包埋了碳材料，因此碳元素大部分出现在背景中。但由于PMMA本身由碳元素与氧元素组成，虽然经过等离子体轰击后这两种元素会有损耗，但纳米纤维部分仍存在碳元素与氧元素。因此在纳米纤维中也能观察到少量氧元素。之后对单根纳米纤维做了线扫元素分析，结果如图4(b)所示。插图为用于分析的纳米纤维，依照红线自左向右进行分析，得出碳、氧、金三种元素的含量数据图。由于背景中的碳元素含量很高，扫描经过纳米纤维时，碳元素含量下降，纳米纤维中碳元素含量大约为50%～60%，而氧元素会比背景中含量略微有所提升。而金元素的含量则从0增加到20%左右，说明只有在纳米纤维表面才有金。图4(c)展示了图4(a)中白色虚线框部分放大结构的TEM图，由于选取了纳米纤维的顶尖位置，因此所展现的结构基本为金纳米颗粒的分布状态。此结果进一步详细地展示了金纳米颗粒的分布以及颗粒之间的间隙。图4(d)为图4(c)中红色虚线框的放大图。以上结果很好地展示了金纳米颗粒在纳米纤维上的分布状态，其分布能为后续的SERS检测提供大量 “热点”。

图4 SERS基底上(a)纳米纤维元素分析mapping图；(b)纳米纤维线扫元素分析图；(c)纳米纤维顶端TEM图；(d)顶端结构放大TEM图Fig.4 (a) Element analysis mapping of nanofiber; (b) Line-scan element analysis of nanofiber; (c) TEM image of structure of nanofiber tip; and (d) TEM image of structure of nanofiber tip at high magnification on the SERS substrate

2.2 PMMA纳米纤维的形成机理

PMMA是一种特殊的高分子材料，是由自由基引发的聚合物系无规结构。PMMA分子链上具有很多极性羧甲酯与非极性甲基基团，如图5所示。在进行氧等离子体处理时，氧气分子在高频高压电场中被击穿，发生电离形成自由离子、电子、激发态分子等多种活性粒子，这些活性粒子与PMMA材料表面相互作用，能够打断分子链中的结合键(如主链的C—C，侧链的C—C、C—H)，并且在PMMA表面引入一些官能团，如羟基等[16]。由于氧等离子体属于反应性等离子体，能够参与PMMA材料的化学反应，改变其表面的化学组成。当等离子体的活性粒子在其表面反应时，会产生表面侵蚀，同时活性粒子又会与聚合物分子发生聚合反应，从而形成交联结构[17]。最初，在PMMA材料表面形成活性粒子与捕集离子，在持续的等离子体处理下，捕集离子被加速从而迁移到材料内部，致使内部的分子链分解，分解成许多相对分子量较低的聚合物分子或者挥发性分子[17]。进一步，活性粒子、自由基与内部的聚合物分子发生聚合反应，结合已形成的交联结构能有效聚合在一些，形成纤维状结构。由于一切物质都会通过自发降低能量来增加稳定性，因此持续的等离子体处理引入的活性粒子或自由基将会翻转进入材料内部，材料内部的分子又会转移到材料表面挥发或者逃逸，直到材料表面与内部分子能量达到动态平衡。最后，再经过氩等离子体的处理，进一步将细的纤维结构聚合成粗壮的纤维，从而形成文中的纳米纤维森林结构。

图5 PMMA材料经过氧等离子体处理后可能发生的分子结构变化Fig.5 Possible changes of molecular structure of PMMA after oxygen plasma treatment

2.3 SERS基底的性能测试

为了验证所制备SERS基底的性能，针对不同浓度的R6G溶液开展了测试。图6(a)为在该SERS基底上检测10-10mol/L，10-9mol/L，10-8mol/L，10-7mol/L，10-6mol/L，10-5mol/L R6G试剂的结果，其拉曼特征峰符合文献报道的特征峰位置，而且可以很清晰地辨认[18]。由图也可以看出，当R6G的浓度低至10-10mol/L时，依然可以观察到比较清晰的特征峰，说明该基底的SERS检测极限至少可达到10-10mol/L，具有比较优异的检测性能。为了探究所形成纳米纤维森林结构的作用，对未经过等离子体处理的PMMA薄膜同样溅射了28 nm金纳米颗粒的SERS基底进行检测，检测所用R6G的浓度为10-5mol/L.对比两种基底检测10-5mol/L的R6G的结果，从图中可以看出未经等离子体处理的基底测试得出的拉曼信号极其弱，因此可以说明纳米纤维森林结构对于SERS性能具有提升作用。除此之外，作为控制量，还检测了空白SERS基底，在空白基底上未显示任何拉曼峰。为了更好地探究该基底的性能，取611 cm-1处特征峰的光谱强度进行进一步分析，所得浓度梯度的对数曲线图(log图)如图6(b)所示。从图中可以明显看到，SERS信号随着R6G溶液浓度的增加而增强。

图6 (a)空白SERS基底以及不同浓度R6G的测试结果；(b)611 cm-1特征峰处的强度-浓度图Fig.6 (a) SERS spectra of blank substrate and different concentrations of R6G solution; and (b) Intensity-con-centration plot of the spectra at 611 cm-1 peak

图7(a)为在玻璃基底上直接测试10-2mol/L的R6G溶液与在PMMA纳米纤维森林结构SERS基底上测试10-8mol/L的R6G溶液的SERS谱图结果。基于此图，选取611 cm-1特征峰处的SERS强度分析该SERS基底的增强因子(FE).FE的计算公式为：

FE=(ISERS/IRaman)×(NRaman/NSERS) .

式中：ISERS与IRaman分别表示R6G分子吸附在SERS基底与玻璃基底上的拉曼强度，NSERS与NRaman表示吸附在SERS基底与玻璃基底上相对应的R6G分子数。根据图中611 cm-1特征峰处的SERS强度计算，得出FE为1.75×106.除此之外，为了验证该SERS基底的稳定性，将该基底密闭保存在空气环境中，每间隔15 d在该基底上对10-8mol/L的R6G进行测试，结果如图7(b)所示。由测试结果可看出，前后间隔30 d测试的信号强度相差不大，这是由于金纳米颗粒具有化学稳定性，能够保证至少一个月的无损存储，表明该基底有实际应用的潜力。

图7 (a)不同SERS基底上不同浓度R6G的测试结果；(b)SERS基底的稳定性测试结果Fig.7 (a) SERS spectra of different concentrations of R6G solution on different substrates; and (b) Stability test results of the SERS substrate

为了进一步研究该SERS基底的一致性，对10-7mol/L的R6G溶液进行检测分析。将R6G溶液的定量液滴完全蒸发在基底上，随机选取20个不同位置进行SERS信号的测量，所得到的数据谱图如图8(a)所示。从图中可以看出其一致性较好，除此之外，针对611 cm-1特征峰处的SERS强度绘制了直方图，如图8(b)所示。通过计算相对标准偏差(DRS)，得到该基底在611 cm-1特征峰处的DRS为6.52%.以上结果均表明所制备的SERS基底具有较好的一致性，具备实际应用潜力。

图8 (a)SERS基底的一致性测试结果；(b) 611 cm-1特征峰处的一致性测试结果Fig.8 (a) Repeatability test results of the SERS substrate; and (b) Repeatability test results of characteristic peaks at 611 cm-1

3 结论

采用等离子体技术，对PMMA材料进行处理，在其表面形成纳米纤维森林结构，再溅射金纳米颗粒后形成了SERS基底。等离子体处理致使PMMA分子链断裂，未挥发的交联结构再聚合形成纳米纤维，并为金纳米颗粒的分布提供了大比表面积的负载，从而形成了“热点”丰富的3D SERS基底。通过分析检测，该SERS基底的检测极限可以达到10-10mol/L，DRS达到6.52%，且具备较好的稳定性。制备的这种SERS基底因其成本低、易于批量制备，在实际的SERS分析检测中具有较大的应用价值，并有潜力应用到生物分子、气体、农残检测等领域，下一步研究将主要集中在该SERS基底的实际生化检测方面。