纤维素复合材料在表面增强拉曼光谱中的应用研究进展

田晓然， 季程程， 曹利星， 喻 倩， 孔宪明

（1. 辽宁石油化工大学 石油化工学院，辽宁 抚顺 113001；2. 中国石油抚顺石化公司腈纶化工厂，辽宁 抚顺 113000）

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种先进的分析方法，可以提供低浓度被分析物的指纹信息，已被广泛应用于痕量物质的检测[1]。随着纳米技术的出现，将金属纳米粒子用作SERS 基底，从而拓宽了SERS 的应用。金属纳米粒子，尤其是铸造金属（Ag、Au、Cu），能够在可见光和近红外区域产生表面等离子体共振，被广泛用于制备SERS 基底。J.A.CREIGHTON 等[2]通过硼氢化钠还原金属盐合成了银纳米粒子（AgNPs）胶体和金纳米粒子（AuNPs）胶体，并将其用于吡啶的SERS 测试。研究者还发现，当激发波长接近纳米粒子的局域表面等离子体共振（LSPR）波长时，SERS 增强效应得到提高，说明金属纳米粒子对SERS 具有重大作用。还原剂和稳定剂可控制金属纳米粒子的尺寸和形状。常用的还原剂包括硼氢化钠（NaBH4）、肼（NH2NH2）、羟胺（NH2OH）、三乙醇胺（TEA）、葡萄糖、柠檬酸钠和二甲基甲酰胺（DMF）。常用的稳定剂包括聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、硅烷和其他具有官能团的化合物，如硫醇（—SH）、羧酸（—COOH）和氨基（—NH2）化合物，稳定剂可作为等离子体纳米粒子的锚点，最大限度地减少聚集[3]。但是，还原剂和稳定剂的使用可能会引入干扰，因为这些试剂或其副产物可能会干扰被测物的SERS 检测。可以通过使用稳定的载体来避免干扰。

纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，其表面富含羟基，容易实现表面改性[4-5]。纤维素可用作SERS 基底的固相载体[6]。纤维素具有的柔韧性使其适合用作SERS 检测中的拭子，直接从大面积表面收集被分析物分子[7]。此外，纤维素还可用作还原剂和稳定剂制备金属胶体SERS 基底[8]。本文综述了SERS 的基本原理、各种形式纤维素基SERS 基底的制作方法以及纤维素基底在SERS 中的应用。

1 表面增强拉曼光谱及其增强机理

拉曼光谱是基于印度科学家C.V.RAMAN 等[9]依据拉曼散射效应而建立的分子光谱分析方法。拉曼光谱具有指纹特性，可利用其特异性识别样品中的分子，并且由于不需要特殊的样品预处理，可在几秒钟内分析多种成分。但是，由于信号强度低，拉曼光谱的应用受到了极大的限制。M.FLEISCHMANN等[10]的研究结果表明，当吡啶分子吸附在粗糙Ag 电极表面时，其拉曼信号强度显著增强，这种现象归因于电极表面积的增加。R.P.VAN DUYNE 等[11]的研究结果表明，在有/无Ag 电极的条件下，吡啶分子的拉曼信号有很大差异，在有Ag 电极的条件下拉曼信号增强了10-5～10-6倍；这种增强效应与粗糙表面有关，并将其命名为表面增强拉曼效应。目前，SERS 成为最通用的分析技术之一，因为它具有较高的灵敏度和特异性，可通过“指纹”的独特振动信息识别目标分子[12]。该项技术在材料科学、表面科学、生物学、食品安全、医学诊断和环境监测等方面得到了广泛的应用[13-16]。

国内外科研工作者提出了多种SERS 效应的增强机理。目前，广大科研工作者认可两种增强机理：电磁增强机理和化学增强机理[17]。电磁增强机理：入射光照射在粗糙的基底表面，导致表面局域电磁增强，从而使吸附分子的拉曼散射信号增强；电磁增强源于金属纳米粒子表面导电带中的离域电子对入射光子的吸收和散射；如果入射光子的频率与振荡电子的频率相同，则这种相互作用导致电子的相干振荡，称为局域表面等离子体共振（LSPR），其大小取决于金属纳米粒子的尺寸、形状和性质。化学增强机理：被吸附物与金属表面的化学作用导致吸附分子的极化率变大，从而引起拉曼信号增强。这两种增强机理有独立的作用方式，但经常同时发生。对具体的某一个增强体系而言，电磁增强和化学增强都会做出相应的贡献。

2 纤维素基SERS 基底

纤维素作为一种丰富的天然可降解生物聚合物，在金属纳米粒子的合成中作为绿色还原剂和稳定剂具有巨大的优势。纤维素由于表面富含羟基官能团，已被用作还原剂和稳定剂以及制备SERS基底的载体。纤维素是地球上最丰富的生物聚合物，具有如下显著特征：可由不同结晶度的大颗粒细化到纳米颗粒；易于功能化，因此可引入不同的官能团；具有生物相容性和生物降解性。纤维素具有非常弱的SERS 响应，因此在SERS 测量过程中基底背景信号较低。纤维素基SERS 基底具有价格低廉、生物降解速度快、生物相容性好、机械柔韧性好、多孔结构、比表面积大和渗透性强等优点，是很有前途的柔性SERS 基底。在实际检测过程中，传统的SERS 基底多为玻璃、硅、石英等刚性材料，易碎且不易弯曲，不适于检测不规则形状物体表面的被分析物。纤维素基SERS 基底机械柔韧性好，可直接原位测量不规则形状物体表面的被分析物，无需额外的提取步骤。纤维素基SERS 基底主要包括纸质、纺织物、纳米纤维膜等。

2.1 纸质SERS 基底

纸质SERS 基底主要包括办公用纸、报纸、牛皮纸和滤纸。用各种金属纳米粒子处理纸质表面制备的纸质SERS 基底可应用于SERS 检测。与传统的SERS 基底相比，纸质SERS 基底具有创新性且操作流程简单。用等离子体纳米粒子处理纸质的SERS基底制造工艺主要有滴加沉积、热蒸发和浸渍沉积。

2.1.1 滴加沉积法

C.D.TRAN 等[18]将分析物（染料）和AgNPs 的混合胶体溶液滴在滤纸上，制备了纸质SERS 基底。水提供的介电环境相比空气可产生更高的SERS 增强效应，因此选择在基底湿润的情况下进行SERS光谱分析。S.HE 等[19]将柠檬酸钠处理的AuNPs 胶体溶液滴在滤纸和印刷纸上，发现滤纸产生了更强的SERS 信号，这是由于滤纸具有更高的孔隙率。M.J.OLIVEIRA 等[20]使用AgNPs 胶体溶液浸泡的印刷纸比滤纸具有更高的SERS 增强效果。SERS增强效果不同的因素有很多，包括纸质形态、纸质成分、纸质孔隙率、干燥时间以及沉积技术等固有因素，其中干燥时间的影响尤为重要。滤纸由于孔隙率高且廉价易得，在SERS 基底设计中占主导地位。

在滴加过程中金属纳米粒子的浓度对纸质SERS 基底的增强性能有很大的影响。Z.X.LUO等[21]用滴加沉积的方法使不同体积的AuNPs 沉积到滤纸上，发现被分析物的SERS 信号强度随着AuNPs 体积的增加逐渐增大，直至达到饱和点，随后SERS 信号强度逐渐减小。虽然滴加沉积工艺简单，但保持等离子体涂层的均匀性仍然是一个挑战，待测样品的不均匀分布会进一步导致SERS 信号的均一性差。J.E.L.VILLA 等[22]提出了一种等离子体纳米粒子在铸件上均匀分布的方法。将一张纸放在两个特氟隆模板之间，以限制AuNPs 在纸上扩散。另一种限制等离子体纳米粒子在铸件上扩散的方法是先压延滤纸以降低表面粗糙度，然后用烷基烯二聚体（AKD）对滤纸进行处理，使其表面具有疏水性，将该方法称为改进的纸质SERS 基底滴铸法，其示意图如图1 所示。该方法在滤纸表面涂敷AKD 后，滤纸表面的接触角得到改善，从而使AgNPs 和分析物在滤纸上保留[23]。

图1 改进的纸质SERS 基底滴铸法示意图Fig.1 Schematic illustration of modified drop cast method of paper-based SERS substrate

2.1.2 热蒸发法

T.VO-DINH 等[24]采用真空热蒸发法，以滤纸为柔性载体，将等离子体纳米颗粒沉积在聚苯乙烯微球上。结果表明，聚苯乙烯微球有助于Ag 的均匀分布。K.CHEN 等[25]设计了一种未预涂聚苯乙烯的滤纸基底。结果表明，由于表面涂层的不均匀性，Ag在未预涂聚苯乙烯滤纸上热蒸发导致基底暴露于激光束而损坏。A.ARAÚJO 等[26]使氧化锌纳米棒在滤纸上生长，然后将AgNPs 热蒸发到氧化锌纳米棒上。M.PARK 等[27]在滤纸上同时低温热蒸发Ag 和Au，使之形成SERS 基底，通过改变金属的组成，可控制合金纳米材料LSPR 的波长范围。然而，由于时间和设备成本的原因，纸质合金SERS 基底没有得到广泛应用。

2.1.3 浸渍沉积法

将滤纸浸渍到纳米粒子溶液中，是制备SERS基底的又一种简单的方法。D.GRASSESCHI 等[28]将滤纸浸渍到AuNPs 与二苯硫腙混合溶液中制备了SERS 基底，可用于检测重金属。J.H.KIM 等[29]的研究结果表明，AuNPs 对滤纸的覆盖度取决于胶体溶液的浓度；AuNPs 胶体溶液浓度越高，AuNPs的沉积越致密和均匀，产生的SERS 信号强度越大。C.H.LEE 等[30]将滤纸浸渍到十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）稳定的Au 纳米棒溶液中。结果表明，Au 纳米棒均匀地沉积到滤纸上，从而证明浸渍法是有效的方法；带正电荷的CTAB 可提供与纤维素（滤纸）的羟基相互作用的介质，Au 纳米棒牢固地固定在滤纸上（见图2）。与刚性硅基底不同，滤纸的柔韧性在涂布后仍保持不变，因此更加适于表面痕量分析物的拭子采样。柠檬酸钠和阳离子聚丙烯酰胺也被用来均匀地沉积AuNPs 和AgNPs，氯离子被用来均匀地沉积AgNPs。研究发现，高密度的纳米粒子可增强SERS 信号。

图2 用CTAB 稳定的Au 纳米棒沉积的滤纸表面照片Fig.2 Surface photo of filter paper deposited with CTAB stabilized Au nanorods

2.2 其他形式的纤维素基SERS 基底

在SERS 基底的制备过程中，纤维素纸比所有其他形式的纤维素及其衍生物使用得都要早，且占据主导地位。然而，随着研究的深入，其他形式的纤维素基材料也已发展起来。

2.2.1 纤维素织物和薄膜

纤维素织物和薄膜的柔韧性和多孔特性有利于液体样品中被分析物的SERS检测。M.FIGUEROA等[31]用AgNPs 油墨涂覆织物来制备纤维素织物的SERS 基底，发现织物的孔隙率对被分析物的SERS检测具有重要作用。棉签也可被用来制作SERS 基底。Z.J.GONG 等[32]用棉签通过3 种方式制备了SERS 基底：①用（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷修饰棉签，然后在修饰棉签上自组装AgNPs；②以NaBH4为还原剂，采用原位法在棉签上生长AgNPs；③采用自组装和原位法相结合的方法在棉签上生长AgNPs。与方法①和②相比，通过方法③制备的SERS 基底中AgNPs 均一性好，具有更好的SERS性能。棉纤维的柔性和弹性有助于从受污染的表面取样进行SERS 测试。Y.M.CHEN 等[33]用棉织物制备SERS 基底，并将该基底用于检测苹果上的农药残留。首先，将棉织物溶胀在NaOH 溶液中，以提高棉织物对Ag+的吸收能力，然后用柠檬酸钠原位还原。纤维素棉质SERS 基底由于柔软灵活和制备过程简单，有望成为重要的分析工具。W.X.WEI 等[34]将玻璃纸（一种再生的、透明的、光滑的、柔软的纤维素膜）用于制造SERS 基底。首先，将玻璃纸浸入Ag+溶液中，通过葡萄糖还原，然后将AgNPs 负载到玻璃纸上。结果表明，玻璃纸基底显示出与纸质基底相似的SERS 增强效果；玻璃纸上可以负载等离子体纳米颗粒，从而制备SERS 纳米复合材料。

2.2.2 表面改性纤维素

根据特定的需求，可对纤维素表面进行化学修饰，赋予其新的物理化学性质。一些改性纤维素材料在基底设计中得到应用，包括醋酸纤维素（CA）、甲基纤维素（MC）、硝基纤维素、羟乙基纤维素（HEC）和羟丙基纤维素（HPC）。CA 是纤维素的衍生物，可以在合适的溶剂体系中溶解形成膜。Y.KE等[35]用Ag 纳米立方体包裹CA 微球。结果表明，含有Ag 纳米立方体和CA 的溶液共电纺可形成纳米纤维；电喷法制备的SERS 基底中Ag 纳米立方体的负载量高于电纺法制备的SERS 基底。SERS 底物中另一类重要的改性纤维素是MC，MC 是通过甲基取代纤维素的羟基而得到的水溶性聚合物。B.DOHERTY等[36]在MC凝胶中掺杂AgNPs，并以葡萄糖还原，制备了SERS 基底。SERS 的应用需要延长等离子体纳米粒子的储存时间，因此HEC 成为SERS 基底设计中一类重要的改性纤维素。W.W.Y.LEE 等[37]发现HEC 不仅可以使金属纳米颗粒在干燥环境中储存更长时间，还可以通过水性样品的溶胀来进行SERS 检测。HPC 也是一种用于SERS基底设计的改性纤维素，可用于稳定光还原AgNPs。K.RETKO 等[38]用紫外光照射含有HPC 的Ag+水凝胶原位合成了AgNPs，形成的HPC/Ag 纳米颗粒水凝胶用于制作SERS 基底。

2.2.3 纳米晶纤维素

由纤维素酸性水解分离制得的纳米晶纤维素（NCC）具有较高的结晶度和机械强度。NCC 在SERS 基底设计中的首次使用是作为复合材料的一种组分，该复合材料是将聚丙烯腈、NCC、Si 和AgNPs 的前体悬浮液通过静电纺丝得到的。将复合材料浸入氟化氢中，蚀刻掉嵌入的硅纳米颗粒，并引入纳米孔。NCC 可提高复合材料的热稳定性，并且还可作为AgNPs 的稳定剂。S.A.OGUNDARE等[39]发现，可从废弃香烟过滤嘴中分离的NCC 在AgNPs 合成中起还原剂和稳定剂的双重作用；NCC/Ag 复合纳米材料具有良好的稳定性，保存一年以上仍具有很强的SERS 增强效果。NCC 以其独特的性能和多样化的应用而闻名，可用于制造新的改进型SERS 基底，并在现实生活中广泛应用。

3 纤维素基SERS 基底的应用

纤维素基SERS 基底的早期应用侧重于基底设计和优化，以通过不同的SERS 探针增强SERS 信号。如今纤维素基SERS 基底被广泛应用于生物分析、水质评估、食品安全、染料识别、绘画和法医分析等领域，说明纤维素基SERS 基底具有巨大潜力。

3.1 生物分析

SERS 在生物分析中的作用已广为人知，纤维素基SERS 基底也被广泛应用于生物分析。M.PARK 等[40]以纤维素纸上热蒸发的Au 薄纳米膜为SERS 基底，检测了人泪液中的尿酸浓度。因为泪液中的尿酸水平与血液中的尿酸水平具有良好的相关性，而血液中的尿酸水平是关节炎临床诊断的常规样本（见图3），所以纤维素微孔/纳米孔提供了正常受试者和痛风性关节炎患者泪液所需的吸收通道，通过SERS 基底可得到理想的检测结果。

图3 用于痛风关节炎诊断的泪液筛查Fig.3 Tear screening for gouty arthritis diagnosis

Z.F.HUANG 等[41]为了治疗肝素诱导的血小板减少症（一种凝血障碍），使用涂有Ag 墨水的纤维素基SERS 基底检测了P-选择素（关键临床标志物）。结果表明，P-选择素的SERS 检出限（0.7 nm）在临床相关范围内。纤维素基SERS 底物也被用来检测药草中的非法染料。D.LI 等[42]将涂有AgNPs的纸质SERS 基底用作拭子，识别了被非法染料污染的药草。结果表明，该拭子在检测不同染料的掺假药草样品方面表现出优异的性能。M.M.WU等[43]用一种涂有单-6-硫代-环糊精的功能化Au 纳米棒的滤纸SERS 基底检测了药草中的苏丹染料。结果表明，滤纸可提供吸附Au 纳米棒的微孔，而单-6-硫代-环糊精可捕获疏水性染料；相较于未修饰单-6-硫代-环糊精的滤纸/Au 基底，该基底在检测苏丹Ⅲ和苏丹Ⅳ方面表现出更好的SERS 性能。

3.2 水质评估

L.L.QU 等[44]制备了一种用于定量分析工业废水中芳香族污染物的纤维素基SERS 基底。结果表明，纸的毛细作用充当“泵”，将微量污染物从注入区驱至活跃区进行SERS 检测；因为悬浮颗粒被截留在注入区，所以不需要对工业废水进行样品预处理；纸质SERS 基底对联苯胺、邻苯二酚、苯胺、对氨基苯甲酸的检测限分别为8.3、10.0、74.0、88.0 nm，充分体现了该底物对废水痕量分析的优异性。W.ZHANG 等[45]在滤纸上涂覆AgNPs 制备了纤维基SERS 基底。结果表明，使用该基底可从含不同浓度孔雀石绿的本地湖水中重复回收孔雀石绿；该底物对孔雀石绿的检测限为10.0 nm，相对标准偏差为13.7%。W.X.WEI 等[46]使用负载AgNPs 的纤维素基SERS 基底检测了加标自来水中的莫西沙星。纸的多孔性和纤维性可使AgNPs 均匀沉积，从而增强SERS 信号。

3.3 食品安全

在农业生产中，经常需要喷洒农药来预防病虫害。由于大多数农药都是有机的，很难溶解在水中，因此水果和蔬菜中可能残留农药，对人体健康构成极大威胁。纤维素基SERS 基底已被用于检测农药残留物。福美双是一种有机硫杀菌剂，可用于预防各种真菌病害，还可在贮藏和运输过程中保存水果和蔬菜。但是，长期接触福美双可能对人体有潜在的致癌和致畸作用。Y.Q.ZHU 等[47]使用甲醛原位还原Ag+制备了纸质SERS 基底，并通过擦拭香蕉、苹果和番茄表面测得福美双的SERS 信号。噻苯达唑（TBZ）是一种广泛使用的杀真菌剂和杀寄生虫剂，其残留量不仅会破坏甲状腺激素平衡，还可致癌。P.LIOU 等[48]使用纳米纤维/Ag 基底对苹果表面的农药进行了SERS 检测。结果表明，使用的纳米纤维可以防止AgNPs 在低pH 下聚集，对苹果表面TBZ 的检出限达到5.0 μg/g。在实际应用中，多种农药同时使用的现象较为普遍，因此需要同时快速检测多种残留的农药。G.KWON 等[49]制备了一种纳米多孔纤维素基SERS 基底，该底物可用于分析苹果皮上的三唑类农药残留；通过轻微润湿，然后轻轻擦拭苹果表面，测得苹果皮上福美双、三环唑、甲萘威的残留量分别是6、60、600 ng/cm2。

3.4 染料识别和其他应用

对艺术品的研究，尤其是绘画、素描和考古纺织品，涉及对染料进行识别以及确定其来源。纸质SERS 基底在识别艺术品中常见的历史染料方面具有无限的潜力。 D.SAVIELLO 等[50]使用涂有AgNPs 的纸质SERS 基底分析了历史悠久的毡尖笔的墨水成分。首先，使用笔在基底上绘制线条，对线条进行SERS 检测；再将相应的SERS 信号与已知染料的信号进行匹配，识别毡尖笔的不同墨水的染料成分。与胶体溶液相比，固体基底的优势在于它能够研究不溶于水的被分析物的SERS 效应，这一点在AgNPs 和AuNPs 涂布的滤纸上首次获得单壁碳纳米管的SERS 光谱时得到了证明。C70 在吡啶/Au 胶体溶液中的SERS 信号以吡啶信号为主，但在滤纸上沉积干燥后，没有观察到吡啶的干扰信号。

4 总结与展望

纤维素基SERS 基底具有价格低廉、生物降解速度快、生物相容性好、机械柔韧性好、多孔结构、比表面积大、渗透性强、可剪裁成合适的尺寸和形状附着在任意表面上、对食品样品能进行保形检测等优点，是极具潜力的柔性基底。结合便携式拉曼设备，有望对食品进行现场检测。本文综述了纤维素复合材料在SERS 中的最新进展，介绍了纤维素支撑材料的特点和构建步骤。但是，目前相关研究仍存在不足。例如，如何制备均匀性、稳定性以及重复性显著的纤维素基SERS 基底，需要对基底进行不断的完善。目前的研究主要集中在通过表面拉曼增强平台进行环境监测和食品安全评估，对医疗诊断的生物应用研究较少。因此，对纤维素基SERS 基底在实际应用方面的研究仍需要进一步拓展和探索。