表面增强拉曼散射纳米传感器设计及农残检测应用研究

李宁 孙官亮 王丹 梁秀 李勇

伴随着经济步入高质量发展时代，科学技术在生产生活中发挥着越来越重要的作用。科技融入我们的生活方式并给我们的生活带来革命性的进步。例如传感器的应用在许多领域已经不可或缺，并且对其性能的要求也愈来愈高。伴随着科学技术的发展，科研人员对表界面的研究工作做了大量的实验和分析，人们还对于超痕量待检测物的检测限度以及检测的实时性提出了更高的要求，因此这就使得超灵敏、高稳定和普适性的传感器在科研人员的努力下得以快速发展。

表面增强拉曼光谱（Surface—enhanced Raman scattering，SERS）是一种新的光谱技术，它利用贵金属纳米结构如金（Au）、银（Ag）等来显著增强纳米结构附近待测分子的拉曼信号，并获得待测分子的“指纹”振动信息。SERS增强高达6个数量级及以上，性能好的基底可以完成单分子级别的检测。SERS因其具有快速、准确、灵敏度高等优点，已应用于分析化学、生命科学等领域。

1  拉曼增强机理

1.1  拉曼散射原理

散射是指电磁波与物质作用后，光子偏离入射方向而分散的现象[1]。如图1所示，入射激光的光子与处在基态振动能级的分子发生撞击时，分子在这个过程中得到部分能量然后跃迁至激发虚态，散射光子能量变为h（v0-Δv），频率降为（v0-Δv），称为斯托克斯拉曼（Stokes）散射[2];激发态振动能级的分子与入射光子碰撞后，分子中获得能量hv0跃迁至激发虚态后，散射光子产生的能量变为h（v0+Δv），频率升为（v0+Δv），称为反斯托克斯拉曼（Anti-Stokes）散射。由于基态分子数目较多，散射信号更强，因此一般选用斯托克斯拉曼散射作为信号检测待测分子。

1.2  表面增强拉曼散射机理

拉曼光谱技术最初很难得到应用与发展，因为其散射强度非常低，通常只有入射光强度的10-6左右[3]。1974年，Fleischmann和他的同事在世界上首次通过实验发现了粗糙银电极表面的SERS效应[4]，这才真正有效地解决了拉曼强度弱的难题，使SERS技术成为重要的光谱学检测技术。

SERS的增强机理一直在不断地被探究，目前被科学界普遍认可的主要有电磁增强机理（Electrical Magnification，EM）[5]和化学增强机理[6]（Chemical Magnification，CM）。

1.2.1  电磁增强机理

如图2（a）所示，Au、Ag、铜（Cu）等贵金属纳米结构在入射光的激发下金属导带电子与入射光子发生集体震荡并且高度局限于某一位置，产生局域表面等离子体共振效应（Localized Surface Plasmon Resonances，LSPRs）。在金属表面极小范围内产生局域电场，此区域称之为“热点”[7]。“热点”可以有效地将电磁场集中增大102～105倍，从而将处在热点范围内的被测样品的拉曼散射强度呈数量级的倍增。

1.2.2  化学增强机理

如图2（b）所示，SERS的化学增强机理与电荷转移有关[8]，主要包括带间跃迁，界面电荷转移，基态电荷转移和光耦合效应。

2  SERS技术的研究现状

当前SERS技术本质是通过调控基底来实现待测分子的拉曼信号增强，因此研究主要集中在基底的改良上。科研工作者积极探求光与纳米结构的相互作用机理，并制备了不同类型的SERS基底，主要有金属纳米颗粒溶胶、固相纳米颗粒薄膜结构、固相纳米阵列结构以及核壳复合纳米结构等多种不同的金属基SERS基底。

2.1  纳米颗粒溶胶SERS基底

纳米颗粒溶胶是最原始的SERS基板，这类基板SERS性能好、容易制备，在SERS发展最初阶段得到充分研究和广泛应用。但其也存在着十分明显的缺点，也是纳米材料普遍存在的一个问题，就是容易发生聚集和重现性差以及纳米颗粒溶胶必须与探针分子或者团聚物均匀混合后进行检测的缺点一直阻碍着其作为SERS基底的应用，尤其是在当前原位检测火热的阶段，这些缺点导致该SERS基底难以得到应用。因此进行了大量研究来改进纳米溶胶的制备，研究主要集中在改变纳米颗粒的形状、大小和防止颗粒的聚集方面。

当前阶段已经成功制备了各种形状的单一和复合纳米结构，颗粒的大小也可通过改变制备条件进行调控，并且通过复合其他材料的方式能够实现纳米颗粒有效分散和组装。例如，Yang等人[9]通过DNA碱基对成功组装金纳米球/金纳米棒卫星结构，精确控制热点距离，具有极高的SERS活性。

2.2  固相SERS基底

固相基底是指利用固体基质将原本在溶胶状态下易聚集的金属纳米颗粒固定在稳定的位置上。固相基底具有更加良好的优势，相比于纳米颗粒溶胶具有更加良好的稳定性和重复性。目前关于固相基底的制备技术自从被发明以来，已经得到了快速的丰富创新和发展，其中主要的技术包括原位合成、纳米光刻、自组装等技术。这3种技术各有优、缺点，原位合成可以实现控制成本，降低工艺复杂程度，但纳米粒子的形状和大小不能够很好的控制，重现性相对其他技术较低;纳米光刻技术可以弥补原位合成技术的缺点，精准地调控纳米颗粒的形貌，并且具有重现性高的优点，但该技术需要专业的设备与模板，过程复杂且成本高;自组装技术制备的SERS基底制备方法相对简单、能实现纳米材料的尺寸和形状的有效控制、基底重现性好、成本低。

目前，固相基底的主要制备材料主要包括聚合物纳米纤维，玻片，滤纸，聚二甲基硅氧烷（PDMS），硅片（Si），铝薄膜等。其中，滤纸和玻片都是SERS应用中成本较低的基质，可作为支架材料用于制作各种传感器设备（见图3）。Liang等人[10]通过微波辅助水热法合成了负载大量金纳米颗粒的3D二硫化钼纳米球，并通过调节金纳米颗粒的密度和大小，轻松有效地优化基底SERS性能。优化的SERS传感器，可在1ppb～10ppm范围内定量检测牛奶中三聚氰胺含量。Greeneltch等[11]通过将二氧化硅（SiO2）微球和聚苯乙烯（Polystyrene，PS）微球分别自组装到Si和玻片上，然后将200nm厚度的Ag膜及Au膜使用热气相沉积系统均匀沉积在微球表面涂覆，用来制备固相SERS基底。纳米纤维膜配合Au、Ag纳米顆粒也可用于制备柔性，可重复使用的高性能SERS基底[12]。利用这种途径制备的基底重现性良好并且具有可预测的增强因子。

2.3  核壳结构SERS基底

早期，科研工作者对纳米颗粒形貌及尺寸进行调控，例如对不同形状和表面形貌的金纳米颗粒，对不同形状的Ag或铂（Pt）进行SERS性能的研究。伴随着研究的不断深入，研究者通过对比实验研究得出结论，多组分组装结构的纳米材料比单元素组成的纳米材料具有更好的SERS性能和应用前景，金属尤其过渡金属纳米颗粒的多级复合化制备引起了新的研究热潮。研究发现纳米结构的材料距离表面十纳米处仍然存在电磁增强效应。基于该发现，研究者们在金属纳米颗粒表面通过包覆薄的壳层的复合结构，实现了性能更为优异的SERS基底。

近些年来，在AuNPs、AgNPs表面生长过渡金属氧化物、碳（C）材料等来制备核—壳复合结构的SERS基底成为该领域研究热门。核—壳结构的稳定好，种类繁多，SERS活性好并且通过选择适当的壳层材料可具备优异的生物相容性，因此在药物传递、生物成像等领域得到普遍应用。Guo等人[13]制备了单分散的Au@Ag核壳纳米立方体和纳米长方体，并调控了最适激发波长和颗粒的最佳尺寸，优化后的基底对于西拉姆的检测限可达80×10-11mol/L。对于壳体隔绝拉曼增强（shell—isolated SERS）的纳米结构的制备，形状和厚度二者都很重要。

此外，研究人员早期聚焦于光与纳米结构的互相作用，但传统的二维SERS基底存在灵敏度有限、均一性不好、重复性不佳等诸多问题，并且部分分子拉曼散射截面小，对基底表面的吸附能力弱会导致真实检测到的分子数目较少，也是SERS技术的难题。近几年，半导体化合物已被证明具有高SERS活性，又因其种类多样、化学组成丰富引起了研究者们的研究热情。中科院赵志刚团队基于化学增强机制，通过半导体氧化物中的氧缺陷、表面修饰、填隙离子插入等组成结构调制方式实现其SERS性能的大幅提升。对于未来SERS传感芯片的研究方向，越来越多的研究者偏向于阵列化、具有三维（3D）结构以及柔性化的SERS传感芯片制备与研究。

综上所述，经过不断对材料的结构和性能进行创新和探索，构建新型的SERS基底，制备性能更优异的探针，是SERS技术在传感、生物医学、环境检测等领域的重要研究基础。

3  SERS技术在农药残留检测中的应用

随着人们对食品安全问题的日益重视，我国出台了多项国家标准，规定了各种农药的最高残留限量（MRL），以此保障人民的食品安全。但目前尚缺乏快捷有效的农残检测手段，因此，研究人员也一直致力于对此领域的相关研究。

在众多检测技术中，拉曼光谱技术具备快速、无损和对样品预处理要求等级低的优点，并且拉曼光谱几乎不会受到水的干扰，因而适用于农残检测领域。但传统拉曼信号强度弱，不利于分析检测，阻碍了拉曼技术在农残检测领域的应用。近些年发展兴起的SERS技术因其具有显著增强拉曼信号的优势，能够弥补普通拉曼技术的短板，因此拉曼光谱技术在此领域得以应用。

通常，该领域SERS基底主要有胶体基底和固体表面基底2种类型。胶体基底合成简单，但在溶液系统中，胶体颗粒容易聚集，其与待测物的位置难以控制。相反，固体表面基底可以通过改变某些实验条件来达到控制热点形成位置和分析物沉积位置的目的，因此固体基底往往表现出更好的SERS活性和可重复性。

由于当前的SERS基底不能满足对于某些农药残留在农副产品中的检测，因此科研工作者基于农残检测再次对SERS基底的优化进行了探索。探索大致可以分为2个方向，其一是优化基底材料，其二则是优化基底阵列结构。

3.1  优化基底材料

如图4所示，吡虫啉原液在纯硅片上面的拉曼光谱与在复合Ag纳米材料的硅片上面的SERS光谱的比较表明了贵金属具有良好的拉曼增强效应。然而具有良好SERS增强效果的单一组分的贵金属Au、Ag等贵金属纳米基底材料因为在制備过程中成本过高并且重复利用率低等缺点制约着SERS基底材料的进一步发展，针对此问题科研人员采取以贵金属与碳以及过渡金属相结合的方式，作为SERS基底。Zhao等[14]将碳点通过化学反应与Ag纳米颗粒结合形成的杂化物作为新的SERS基底，在该基底下对氨基苯硫酚（PATP）的检测灵敏度可达10-9mol/L。

Li等人[15]以罗丹明6G（R6G）、氯苯酚（ClC6H4OH）、二氯苯氧乙酸、甲基对硫磷为探针分子作为研究目标，制备形成以氧化锌（ZnO）为基底模板，Au包覆二氧化钛（TiO2）的纳米管阵列结构，通过紫外光线照射在该纳米复合材料基底的表面，使得附着在表面的R6G和四氯苯酚会发生光催化反应，其中的催化剂是Au/TiO2，因此能够实现基底的可重复性利用。

3.2  优化基底阵列结构

具有优异阵列的基底可实现SERS性能的多方面提升。而优异的阵列结构都有以下2个特征：一是阵列具有高曲率的尖锐尖端，尖端效应表明尖端处存在超强电场，可以对待测分子拉曼信号实现超高增强;二是阵列中相邻金属表面存在纳米级间隙，存在热点效应，可有效增强位于热点范围内的待测分子的拉曼信号。近年来，低成本、快速制造纳米阵列也是该领域所要解决的关键问题。

Wei等人[16]以R6G、福美双、西维因为研究对象，采用蜻蜓阵列（DW）结构作为SERS基底，DW阵列具有大规模的3D表面突起纳米结构，其排列均匀，分布密集。在实际检测过程中，为了提高检测限度，通常将探针分子溶液约束在某一特定区域内，使溶液在水滴蒸发后浓度提高，这能够有效提高SERS检测限。在DW表面上锥体的突起导致良好的疏水性，从而达到这一目的，该基底可检测到10-8mol/L的R—6G水溶液，福美双和西维因的检出限度也达到了10-7mol/L。

Ren等人[17]利用硅藻负载Au、Ag纳米颗粒，由于硅藻具有多孔和透明的特性，使得该基底拉曼增强效果明显好于单纯的纳米颗粒和薄膜。Zhang等[18]使用硅藻土结构为基底结构，把存在于苹果果肉里面的三唑磷和亚胺硫磷为研究对象。硅藻土属于SiO2与水的复合物，选用它作为其优点除了比表面积大、孔径分布均匀、化学惰性好之外，增强离子金离子处于孔内位置，可以实现较好的增强效果。另外硅藻土还具备可以直接购买且价格低廉的优点，保证了材料的一致性，实现可重复性的基底。

4  总结和展望

SERS要实现果蔬的微量农残检测必须依赖于稳定性好、重现性好、灵敏度高的SERS活性基底，而SERS活性基底主要有金属纳米结构、半导体纳米结构以及二者的复合结构等类型，其由于材料和结构的不同可产生不同的SERS活性，对于复合材料和新结构的探索正是提高基底SERS活性的通常手段。除此之外，通过对基底的处理实现对待测分子富集的方法也是当前基底研究的热门。基底调控与基底处理两种思路在未来SERS研究领域将相辅相成，实现SERS技术更好的发展。

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

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