表面增强拉曼散射具有高度的灵敏性和选择性^{[1, 2, 3]},已广泛应用于对物质的痕量检测中。当待检测物质的分子吸附于SERS基底表面时,所得到的Raman信号有明显增强^[4],该增强效应产生的机理主要分为两类:一是具有SERS 效应的金属在激发光的作用下,使金属表面电场强度激增的物理机理;二是待检测物质分子极化率改变的化学机理^{[5, 6, 7]}。然而,多数研究表明,物理机理对于SERS的增强效果要明显优于化学机理^[5]。基于上述结论,研究者们采用不同的方法制备SERS基底,来实现对其效果的提高^[8]。

随着制备技术的完善,电化学腐蚀方法制备SERS基底的重复性差的缺陷已被解决^{[3, 9, 10]}。然而,为了实现更低浓度的检测,制备更高效的SERS基底仍然面临着巨大的挑战。越来越多的研究者将纳米颗粒自组装到二维基材上使之实现SERS检测效果的提高^{[11, 12]}。例如:ZHOU Ying等人设计光栅基体结构,然后将纳米金颗粒通过气相沉积法负载到此种结构上,以此来实现SERS效果的提高^[13];LIBERMAN V等人制备了二维有序排列的银颗粒,应用于分子探测^[14];除此之外,TAN Yongwen等人采用化学方法将银纳米薄膜负载在枝状结构蝶翅上来作为SERS基底^[15],成功地将三维复杂结构引入到SERS基底中来。研究者们致力于制备有序、有规则的SERS基底,来实现对SERS效果的提高^[16]。

纳米金属颗粒的结构对于SERS的增强效果已在很多文献中做了详尽的论述^{[4, 11, 14]},然而很少有研究将三维结构应用于SERS基底中。为了提高对激发光的利用效率,本研究将纳米银金属颗粒负载在具有光响应的反“V”形结构蝶翅基体上,从而实现SERS效果的提高。已有研究证实,蝴蝶翅膀上的三维微纳结构具有特殊的光响应功能^{[17, 18, 19, 20]}。本研究采用绿带翠凤蝶反“V”形结构作为基材,负载银纳米颗粒来提高SERS效果。以罗丹明6G作为探针分子来检验蝶翅SERS基底的增强效果^{[20, 21]}。为了更充分地说明效果提高的原因,在试验的基础上,采用三维有限时域差分法^[22]计算了蝶翅SERS基底表面附近的电场强度及其对激发光的反射率。

选取绿带翠凤蝶上翅的黑色区域以及其平板翅膜作为负载纳米银金属颗粒的区域。首先将上述蝶翅浸泡在恒温102 ℃饱和乙二胺四乙酸二钠的N,N-二甲基甲酰胺溶液中,经6 h表面活化后取出。用酒精清洗干净后将样品浸泡于50 mL含有1 g硝酸银的酒精溶液中24 h。使用10 mL含0.4 g硼氢化钠的水溶液将上述样品还原120 s,得到表面载有晶种的蝶翅基体。最后将基体放入含有1 g硝酸银、2 mL氨水、100 mL酒精、5 g酒石酸钾钠的溶液中,在35 ℃恒温下浸泡30 min,便得到负载纳米银的蝶翅SERS基材。最后将制备好的SERS基底洗净烘干即可。

首先用光学显微镜观测原翅鳞片的排布状况。采用场发射扫描电镜来观测蝴蝶原翅及蝶翅SERS基底的微观形貌。由于鳞片比较微小,使用树脂胶包埋切片后采用透射电镜对其截面形貌进行观测,以便于后期模拟计算研究。为了证明负载金属颗粒为银,将上述制备好的蝶翅SERS基板浸泡在磷酸溶液中,除去蝶翅模板,洗净烘干剩余金属颗粒后,进行XRD检测。

分别将浓度为10^-6,10^-8,10^-11,10^-14 mol/L的罗丹明6G酒精溶液滴加在蝶翅SERS基底上,待其样品干燥后,放入拉曼检测仪中检测。使用的激发光波长为532 nm,光强度为50 mW×0.5%,曝光时间为20 s。

为了说明蝶翅结构对SERS增强效果的影响,利用时域有限差分法计算了其表面的电场强度。模型的几何形状与试验所制得的样品相匹配。纳米银金属颗粒的介电常数来自于固体光学常数手册^[23],蝶翅几丁质的介电常数设置为1.56。周围介质为空气,介电常数设为1。设置532 nm的激发光光源传播方向与偏振方向垂直。在模拟中,初始光源的电场E₀振幅设定为1。边界条件设定为完美匹配层。

图 1为负载纳米银金属颗的三维蝶翅结构。图 1(a)为绿带翠凤蝶的宏观形貌照片,蝶翅的颜色主要为绿色与黑色,选取上翅黑色区域来作为负载银纳米颗粒区域。显微镜下的图 1(a)-inset表明翅膜上有很多鳞片成瓦片状规则堆叠排列。其微观形貌如图 1(b)所示,呈栅级结构,脊孔排列。透射电镜图 1(c) 可得到其截面为反“V”形状。经统计测量得到,脊与脊之间距离为0.75 μm,反“V”形结构的高度为1.27 μm,顶角为20°。负载好银纳米颗粒的蝶翅结构形貌如图 1(e) 所示,表面的一层金属银纳米颗粒清晰可见。图 1(f)更充分说明了纳米颗粒按照绿带翠凤蝶蝶翅基体结构有序排列。所有的结果均已证明纳米银金属颗粒已经成功负载到三维蝶翅结构上。本研究同样在平板翅膜上负载了纳米银金属颗粒(图 1(d))来作为对比,判断其与蝶翅结构基底对增强拉曼散射的作用效果。

图 1(Fig. 1)

图 1 为负载纳米银金属颗的蝶翅微观结构 Fig. 1 Micro-structure of butterfly wing scales with silver nano-particles

图 2为负载金属颗粒的XRD图谱,与金属银的特征峰相符,证明负载金属为银。将蝶翅SERS基底用磷酸浸泡来去掉蝶翅基板,经超声清洗后得到银纳米颗粒的形貌如图 3所示,为球状颗粒。经统计分析得到其直径为50 nm。

图 2(Fig. 2)

图 2 银纳米颗粒的XRD图谱 Fig. 2 The XRD of sliver nano-particles

图 3(Fig. 3)

图 3 纳米银颗粒的透射电镜图 Fig. 3 TEM of the silver nano-particles

为检测绿带翠凤蝶SERS基底的增强效果,采用滴加多种浓度的标样罗丹明6G溶液,来观察相应的拉曼信号强度。为了消除蝶翅基体的影响,首先将并未滴加任何标样的基底放到检测仪器中,结果仪器并未得到任何信号如图 4所示。

图 4(Fig. 4)

图 4 绿带翠凤蝶SERS基底的拉曼信号图谱 Fig. 4 Raman spectra of the silver roughened Papilio maackii substrate

图 5为蝶翅SERS基底和平板SERS基底的拉曼光谱图。如图 5(a)所示,以绿带翠凤蝶SERS基底来对不同浓度标样罗丹明6G进行检测,得到其特征谱带612,774,1 130,1 185,1 311,1 364,1 510,1 570和1 652 cm^-1与标样本征峰^[21]相同。试验结果表明随着标样物质浓度的降低,拉曼信号峰的强度有明显下降,绿带翠凤蝶SERS基底可以实现对浓度低至10^-14mol/L标样溶液的检测。为了比较三维蝶翅SERS基底与二维平板SERS基底的增强效果,将10^-8mol/L的罗丹明6 g标样溶液,滴加到制备好的蝶翅SERS基底与二维SERS基底上。如图 5(b)所示,绿带翠凤蝶SERS基底增强效果要明显高于二维平板SERS基底。

图 5(Fig. 5)

图 5 绿带翠凤蝶SERS基底检测不同浓度标样(a)与绿带翠凤蝶SERS基底与平板SERS基底检测浓度为10-8mol/L标样(b)的拉曼光谱图 Fig. 5 RAMAN spectra of the silver-roughened micro-structure of Papilio maackii with different concentration R6G(a) and plating substrate and Papilio maackii substrates with the R6G concentration of 10-8mol/L(b)

为了更直观地比较结构对SERS效果的影响,本研究从分析化学角度出发计算了增强因子(analytical enhancement factor,AEF)^[24]

式中:I_SERS为增强基底存在时所得到信号峰的强度;c_SERS为滴加到基底上的标样浓度;I_RS为标样未在增强基底上时的信号峰强度;c_RS为相应标样的浓度。本研究采用774 cm^-1处的峰强度,浓度为10^-11mol/L的标样溶液来进行计算增强因子。经式(1)计算可得到绿带翠凤蝶SERS基底的增强因子为1.57×10⁷,而二维平板SERS基底相应的增强因子仅为3.57×10⁵。

作为SERS基底,检测信号的稳定性势必会影响其应用。特征信号峰强度的稳定性,常常作为评估SERS基底是否具有应用前景的标准。罗丹明6G的主要特征峰位为774 cm^-1,对此在滴加浓度为10^-8mol/L标样的SERS基底上分别随机选取30个不同的点来获取其在特征峰774 cm^-1处的峰强度,如图 6所示。由图 6可知,绿带翠凤蝶SERS基底具有较好的信号稳定性。

图 6(Fig. 6)

图 6 774 cm-1处的信号峰强度分布图 Fig. 6 SERS spectra of the Papilio maackii roughened with silver nano-particles at 774 cm-1

为了进一步阐明蝶翅结构对SERS效果的作用,采用三维有限时域差分法计算了绿带翠凤蝶SERS基底周围的电场强度分布。图 7为根据实际模型所得到的计算模型。绿带翠凤蝶SERS基底的电场强度分布如图 8所示,可以看到在纳米粒子的连接处具有较高的电场强度分布,其log|E|²为3.85,进一步分析得到绿带翠凤蝶SERS基底对激发光的反射率为6%。同样计算了平板SERS基底的电场强度log|E|²为1.963,相应的反射率为15%。通过理论计算,不难发现绿带翠凤蝶SERS基底之所以具有较高的增强因子,是由于其在结构上增强了对激发光的利用效率,宏观表现为降低了激发光反射率,进而辅助提高了SERS的效果。

图 7(Fig. 7)

图 7 绿带翠凤蝶原翅结构模型与绿带翠凤蝶负载银纳米颗粒后的结构模型 Fig. 7 Micro-structures in Papilio maackii butterfly wing scales (a) and Papilio maackii's micro-structures roughened with silver nano-particles (b)

图 8(Fig. 8)

图 8 绿带翠凤蝶SERS基底的电场强度分布图 Fig. 8 The electric field distribution of silver roughened Papilio maackii by FDTD

本研究不仅将具有光响应三维结构的绿带翠凤蝶引入到SERS基板中,而且通过化学方法负载好银纳米颗粒,并对其进行粗糙化,含有此结构的SERS基底对表面增强拉曼散射效果提高显著。绿带翠凤蝶SERS基底可检测到浓度低至10^-14mol/L的标样罗丹明6G溶液,而大部分的SERS基底只能检测到10^-13mol/L的标样罗丹明6G溶液。理论计算结果表明绿带翠凤蝶SERS基底表面电场的增强归因于对激发光的高效利用,其log|E|²为3.85。由本研究不难发现:通过人为设计对激发光利用率更高的结构,将其与金属纳米颗粒耦合,经有序粗糙化后会使SERS效果显著提高。通过对一些特殊光响应微纳结构的主观设计,提高对激发光的捕获利用效率,将会实现理论上的单分子痕量检测,但结构的选取与设计仍然是亟待解决的问题。