基于闪耀光栅复型的SERS 基底制备及其在农药检测中的应用

臧俊飞，许美凤，王超男

（南通大学 理学院，江苏 南通 226019）

表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）光谱可以提供分子的指纹信息，被广泛用于分子的检测和识别。SERS 检测技术具有无损、高灵敏度、特异性、不受水的影响等特点，在毒品检测、生物医学传感及食品安全等领域具有广阔的应用前景[1-4]。目前普遍认为SERS 增强的主要机理是电磁场增强[5]。当入射光频率与金或银纳米结构中自由电子的固有频率相同或接近时，会发生强烈的局域表面等离子体共振（localized surface plasmon resonance，LSPR），在金或银纳米结构表面形成极强的局域电场，从而增强表面吸附分子的拉曼散射信号。尤其是在纳米间隙、尖锐的纳米尖端和粗糙的表面，局域电场可被极大的增强，构成所谓的“热点”结构[6-7]。因此，具有高密度热点结构SERS 基底的制备一直是SERS 研究的主要内容之一。

高密度热点结构赋予基底良好的灵敏度，在实际检测中基底的高均匀性是获得可靠检测结果的重要保障。利用电子束刻蚀、光刻等技术可以获得有序结构，从而制备高度均匀的SERS 基底，但其设备昂贵、成本高、操作时间长[8-9]。采用具有有序结构的模板可以简单、经济地制备SERS 基底。例如具有有序孔洞结构的阳极氧化铝[10-11]和具有周期条纹结构的光盘[12]都是良好的模板材料。闪耀光栅是常用的光学器件，其表面具有大面积周期锯齿状纳米结构，是理想的SERS 衬底材料，但是闪耀光栅用于SERS 基底制备的研究鲜有报道。

另一方面，普通的SERS 基底常以刚性材料为衬底，对目标分子的检测需要复杂的采集、制样过程，最后滴加到刚性基底上进行信号检测，导致检测效率低，无法获得原位信号，限制了SERS 技术的应用。柔性透明的SERS 基底可以通过直接贴附的方式实现不规则固体被检物表面目标分子的原位检测，很好地解决了SERS 技术难以进行现场、原位检测的问题。聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有高透明度、良好的柔韧性、稳定、易制备等优点，已被证明可用于鱼、苹果及樱桃表面目标分子的原位检测[13-15]。

本文以具有大面积周期锯齿状纳米结构的闪耀光栅为模板，通过简单的PDMS 复制和蒸镀的方法制备了具有良好SERS 活性的Ag/PDMS 柔性透明基底。该基底可以直接贴附于任意形状固体待检物的表面，实现目标分子的原位、快速及痕量检测，在食品安全等领域具有广阔的应用前景。

1 实验部分

1.1 实验材料

聚二甲基硅氧烷（PDMS，Sylgard 184），道康宁（中国）有限公司；福美双（化学纯度为97%），上海阿拉丁生化科技有限公司；结晶紫，上海润捷化学试剂有限公司。实验中所用的水均为超纯水（电阻率≥18.25 MΩ·cm）。

1.2 具有周期性光栅结构的PDMS 薄膜的制备

以闪耀光栅为模板，用PDMS 复制闪耀光栅表面的周期性光栅结构。首先，将闪耀光栅用超纯水超声清洗10 min，去除其表面杂质，并用氮气吹干。其次，将PDMS 单体与固化剂按质量比为10∶1 混合，搅拌5 min 后放入真空箱，抽真空脱气20 min，然后将其倒在干净的闪耀光栅表面，再次抽真空脱气30 min，使得PDMS 在固化过程中可以更好地贴合在闪耀光栅表面。脱气完成后，将其放在60 ℃的烘箱中持续固化4 h。最后，将固化的PDMS 从闪耀光栅表面剥离，得到具有周期性光栅结构的PDMS薄膜。

1.3 Ag/PDMS 基底的制备

采用真空蒸镀法在具有周期光栅结构的PDMS薄膜表面蒸镀Ag 纳米结构。蒸镀在8 × 10-4Pa 的真空下进行，速率为0.3 Å/s，蒸镀时间分别设置为10、30、50 和70 min。

1.4 测试与表征

采用场发射扫描电子显微镜（Gemini 300）对光栅模板、复制了光栅结构的PDMS 薄膜衬底和Ag/PDMS 基底的形貌进行观测。以结晶紫为探针分子，对不同蒸镀时间下制备的Ag/PDMS 基底的增强性能进行表征。将浓度为10-4mol/L 的结晶紫滴在待测基底表面，真空干燥后使用拉曼光谱仪（Advantage 785，DeltaNu）收集结晶紫的拉曼信号，所用激光波长为785 nm，输出功率为36 mW。采用OEM 型拉曼光谱仪对苹果表面的不同浓度的福美双分子进行原位检测，所用激光波长也为785 nm，激光功率为255 mW。所有光谱的积分时间均为10 s。

2 实验结果与讨论

2.1 闪耀光栅模板及复制得到的PDMS 薄膜的表面形貌

图1 是闪耀光栅模板及复制得到的PDMS 薄膜表面的SEM 形貌图。由图1（a）和（b）可见，光栅表面具有周期性的锯齿状阵列结构，周期约为850 nm。锯齿下粗上窄，其顶端较为平滑尖锐。图1（c）和（d）是复制得到的PDMS 薄膜的表面形貌图。与闪耀光栅中的锯齿状结构相比，其锯齿状结构的顶端变钝，且变得相对不平整。这可能是由于PDMS 的前驱混合溶液无法流到光栅模板狭窄的底部缝隙处导致的。

图1 闪耀光栅和复制得到的PDMS 薄膜的SEM 形貌图Fig.1 SEM images of the blazed grating and the PDMS film copying the structure of blazed grating

2.2 蒸镀时间对Ag/PDMS 基底形貌结构的影响

通过热蒸镀的方法在具有周期锯齿结构的PDMS 表面生长Ag 纳米结构，从而获得具有SERS活性的Ag/PDMS 基底。图2 是在不同蒸镀时间下制备的Ag/PDMS 基底的表面形貌图。当蒸镀时间为10 min 时，Ag 纳米颗粒呈岛状均匀生长在PDMS薄膜表面（图2（a）和（b）），颗粒大小约为30 nm（图2（c）），颗粒间隙约为20 nm。

图2 不同蒸镀时间下制备的Ag/PDMS 基底的SEM 图及其纳米颗粒的粒径统计直方分布图Fig.2 SEM images of Ag/PDMS substrates prepared with different deposition times and the histograms of nanoparticle size

随着蒸镀时间的延长，越来越多的Ag 原子沉积到光栅结构PDMS 衬底的表面。当蒸镀时间达到30 min 时，Ag 纳米颗粒增大至47 nm 左右（图2（f）），同时颗粒间隙减小至7 nm 左右。由图2（e）可见，Ag 纳米颗粒致密地分布在锯齿状结构的顶端及侧面，形成了大量均匀分布的热点结构。同时，由于顶端位置相对较高，蒸发的Ag 原子更容易沉积于此，使得锯齿的顶部变得更钝，即顶部尖锐处变得更宽。

当蒸镀时间增加到50 min 时，Ag 纳米颗粒增大至70 nm 左右（图2（i））。由图2（h）可见，锯齿结构顶端的尖锐部分变得更加平坦。当蒸镀时间延长到70 min 时，由于Ag 原子的大量沉积，锯齿顶端的尖锐部分几乎消失，光栅结构几乎被覆盖（图2（j）），Ag 纳米颗粒已经生长为连续膜（图2（k））。

2.3 蒸镀时间对Ag/PDMS 基底增强性能的影响

以结晶紫为探针分子，对不同蒸镀时间下制备Ag/PDMS 基底的SERS 增强性能进行表征。图3（a）是10-4mol/L 结晶紫在不同基底表面测得的拉曼光谱图，由图可见，蒸镀时间由10 min 延长至30 min时，Ag/PDMS 基底的增强性能逐渐提高。这是由于随着蒸镀时间的增加，Ag 纳米颗粒逐渐长大，并且颗粒间的缝隙由20 nm 减小为7 nm。基于LSPR 耦合效应，Ag 纳米颗粒之间的纳米级缝隙是高效的热点结构。缝隙越小，可以形成越强的局域电场，从而具有更强的增强性能[16]。当蒸镀时间为50 min 时，虽然颗粒继续长大，进而缝隙也继续减小，但是在光斑照射范围内的Ag 颗粒数量及相应缝隙的数量减少，即起作用的热点数量减少，从而使得相应Ag/PDMS 基底的增强性能轻微的减弱。当蒸镀时间为70 min 时，Ag 纳米颗粒连接成膜，表面粗糙度明显下降，SERS 增强性能随之显著下降。由此可见，蒸镀时间为30 min 时所制备的基底增强性能最佳，为了方便描述将该基底命名为Ag-30/PDMS。

图3 10-4 mol/L 结晶紫在不同蒸镀时间下制备的Ag/PDMS基底上的拉曼光谱图和平整硅片表面蒸镀30 min制备所得基底的SEM 图Fig.3 Raman spectra of 10-4 mol/L crystal violet on the Ag/PDMS substrates prepared with different deposition times and SEM image of the substrate prepared by thermal deposition on plat Si wafer for 30 min

图3（b）是在与制备Ag-30/PDMS 基底完全相同的实验条件下，以表面平整的硅片为衬底制备得到SERS 基底的形貌图。可见，蒸镀Ag 之后其表面也是平整的。该基底的增强性能如图3（a）中的黑线所示，其SERS 活性明显低于Ag-30/PDMS 基底，证实了PDMS 衬底中的光栅结构对基底增强性能的贡献。立体的锯齿状结构具有比平整表面更大的表面积，从而可以提供更多的热点区域，呈现更好的增强性能。

2.4 Ag-30/PDMS 基底的性能表征

为了进一步表征Ag-30/PDMS 基底的检测灵敏度，以其为基底测量了10-4～10-8mol/L 结晶紫的拉曼光谱，结果如图4（a）所示。随着结晶紫浓度的降低，被测分子数量减少，其拉曼散射信号也逐渐减弱。但是当结晶紫浓度降为10-8mol/L 时，仍可以清晰地探测到其特征拉曼峰的信号，表明Ag-30/PDMS基底具有较高的灵敏度。图4（b）显示了结晶紫1 162 cm-1处拉曼峰强度与其浓度之间的关系，拟合得到校准曲线的相关系数（R2）为0.997，表明Ag-30/PDMS 基底具有良好的定量分析能力。

图4 10-4～10-8 mol/L 的结晶紫在Ag-30/PDMS 基底表面的拉曼光谱图和1 162 cm-1 峰强与结晶紫浓度之间的校准曲线Fig.4 Raman spectra of 10-4-10-8 mol/L crystal violet on the Ag-30/PDMS substrate and the calibration curve between the peak intensity at 1 162 cm-1 and concentration of crystal violet

为了定量表征Ag-30/PDMS 基底的SERS 增强性能，通过以下公式计算了Ag-30/PDMS 基底的增强因子（EF）[17]：

其中，ISERS和IRS分别是在完全相同的实验条件下测得的Ag-30/PDMS 基底上浓度为CSERS和硅片上浓度为CRS的结晶紫1 162 cm-1特征峰的强度。图5是Ag-30/PDMS 基底上浓度为10-6mol/L 和硅片上浓度为10-1mol/L 结晶紫的拉曼光谱图，测得ISERS和IRS分别为13 637 和183。计算得到Ag-30/PDMS基底的EF 约为7.45 × 106，与商用Klarite 芯片的增强因子（约1 × 106）[18]相当，表明该SERS 基底具有良好的增强性能。

图5 Ag-30/PDMS 基底上10-6 mol/L 结晶紫及硅片上10-1 mol/L 结晶紫的拉曼光谱图Fig.5 Raman spectra of 10-6 mol/L crystal violet on the Ag-30/PDMS substrate and 10-1 mol/L crystal violet on the Si wafer

除了灵敏度，均匀性和稳定性也是衡量SERS基底实际应用性能的重要指标。在Ag-30/PDMS 基底表面随机选择30 个不同位置采集10-4mol/L 结晶紫的拉曼光谱，结果如图6（a）所示。图6（b）是图6（a）中1 162 cm-1拉曼峰的峰值强度分布图，通过计算得到其相对标准偏差（RSD）约为4.24%，远高于实际检测中RSD 要小于20%的要求，表明该基底具有极好的均匀性。这主要归因于基底表面周期的锯齿状结构及Ag 纳米颗粒在锯齿结构表面的均匀致密分布。图6（c）是10 d 内在Ag-30/PDMS 基底上测得10-4mol/L 结晶紫1 162 cm-1峰强度的变化图，每次测量5 个不同位置处的拉曼光谱，每次测完后基底都保存在密闭性良好的干燥器中。随着保存时间的延长，由于Ag 的氧化，基底的SERS 活性逐渐减弱。但从结晶紫1 162 cm-1拉曼峰的强度可见，10 d 后测得其强度约为初始时的91%，Ag-30/PDMS 基底仍有较强的增强性能，表明在妥善保存的情况下，该Ag-30/PDMS 基底具有较好的稳定性。

图6 随机在Ag-30/PDMS 基底的30 个位置采集的10-4 mol/L 结晶紫的拉曼光谱及对应1 162 cm-1 拉曼峰强度的分布图和10 d 内在Ag-30/PDMS 基底上测得10-4 mol/L 结晶紫的1 162 cm-1 拉曼峰的强度变化图Fig.6 Raman spectra of 10-4 mol/L crystal violet randomly collected from 30 points of an Ag-30/PDMS substrate，the distribution of 1 162 cm-1 peak intensity and variation of 1 162 cm-1 peak of 10-4 mol/L CV on the Ag-30/PDMS substrate within 10 days

2.5 苹果表面福美双分子的原位检测

由于PDMS 良好的柔韧性和透明度，所制备的Ag-30/PDMS 基底可以贴附在任意形状固体被检物的表面，实现目标分子的原位快速检测。以检测苹果表面的福美双分子为例，对Ag-30/PDMS 基底在实际应用中的性能进行表征。福美双是一种二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，被广泛用于多种农产品，如种子、水果、蔬菜等的真菌感染防治[19]，因此农业食品上往往有福美双分子的残留。摄入过量的福美双可能会对人和动物的器官，如肾脏、肝脏、肠道和血管等造成一系列不良影响[20]。

取10-3、10-4、10-5和10-6mol/L 的福美双丙酮溶液各30 μL，分别滴在干净的苹果表面，待其在室温下自然干燥后，喷洒微量丙酮到苹果表面，然后将Ag-30/PDMS 基底中镀Ag 的一面按压在苹果表面10 s，确保基底与苹果表面完全贴合。激光从基底的背面入射，并使其在Ag 纳米结构与苹果表面的交界处聚焦从而实现SERS 信号的收集。图7（a）展示了苹果表面利用基底的原位检测得到的不同浓度福美双的SERS 光谱图，其中，557 cm-1处的拉曼峰来自S—S 键的对称拉伸和CH3的反对称变形，932 cm-1和1 148 cm-1处的拉曼峰来自C—N 的拉伸振动，位于1 373 cm-1和1 493 cm-1处的拉曼峰来自CH3的对称变形和C—N 键的拉伸[21-22]。由图7（a）可见，当福美双的浓度低至10-6mol/L 时，仍可以很容易地检测到其特征拉曼峰，证实了Ag-30/PDMS 基底良好的实际检测能力。图7（b）是1 373 cm-1处的拉曼峰强与福美双浓度之间的校准曲线，拟合得到其相关系数（R2）为0.991，表明该基底在实际检测中也具有较好的定量分析能力。

图7 在苹果表面原位检测10-3～10-6 mol/L 的福美双得到的拉曼光谱图和1 373 cm-1 处拉曼峰强度与福美双浓度的校准曲线Fig.7 Raman spectra of 10-3-10-6 mol/L thiram detected in-situ on the apple surface and the calibration curve between the 1 373 cm-1 peak intensity and thiram concentration

3 结论

本文以闪耀光栅为模板，利用PDMS 复制其表面周期性纳米锯齿状结构，并通过蒸镀的方法制备得到具有SERS 活性的Ag/PDMS 基底。蒸镀时间为30 min 时所制备的Ag-30/PDMS 基底因具有立体的锯齿结构和适当大小的Ag 纳米颗粒在其表面致密分布而呈现出最佳的增强性能。以结晶紫为探针分子的SERS 光谱检测结果表明，Ag-30/PDMS 基底具有良好的灵敏度和均匀性，其增强因子高达7.45 ×106，RSD 仅为4.24%。该Ag-30/PDMS 基底被成功用于苹果表面低浓度福美双分子的原位检测，并呈现良好的定量分析能力。本文制备SERS 基底的方法简单、成本低，得到的柔性透明基底可以通过贴附的方式用于果蔬等表面农药分子的原位检测，在食品安全等领域具有广阔的应用前景。