基于溶致液晶制備SERS基底的拉曼光譜一致性研究

1、基于溶致液晶制備SERS基底的拉曼光譜一致性研究拉曼光譜技術(shù)以其快速、簡單、無損等諸多優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于食品安全、生物科學、環(huán)境保護等分子結(jié)構(gòu)鑒別和物質(zhì)成分檢測領(lǐng)域1-4。表面增強拉曼散射（SERS）5-6基底可以極大增強拉曼散射光的強度，從而大幅提高拉曼光譜的檢測靈敏度7-8。SERS基底由多個突起的納米級金屬顆粒組成，這些突起的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)拉曼光譜的表面增強，尤其是形成的針尖、狹縫等曲率大的納米結(jié)構(gòu)具有更加明顯的增強效果9-13。早期利用化學手段制備的SERS基底納米結(jié)構(gòu)分布不均勻，甚至會發(fā)生堆疊，從而導(dǎo)致整個基底表面增強效果一致性差，無法用于定量檢測14；采用光刻法制備的SERS基底，納米

2、結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)周期性排列，光譜一致性得到很大提高，但制備工藝復(fù)雜，成本較高，不利于產(chǎn)品市場化15-16。2022年，Zhang等提出利用溶致液晶軟模板輔助銀離子生長的方法，制備出材料分布均勻且成本較低的SERS基底，為拉曼檢測領(lǐng)域的快速發(fā)展創(chuàng)造了條件17-18。拉曼光譜儀采用準直物鏡進行激光的發(fā)射和光譜信號的接收，激光經(jīng)物鏡聚焦在被測樣品上，激光光斑一般是微米量級，與SERS基底的微納結(jié)構(gòu)尺度相當。當激光聚焦在SERS基底不同位置時，即使微納結(jié)構(gòu)分布均勻，光斑覆蓋的微納結(jié)構(gòu)數(shù)目也各不相同。由于拉曼光譜的增強依賴于微納結(jié)構(gòu)，因此不同的微納結(jié)構(gòu)數(shù)目會導(dǎo)致不同的光譜增強效果，使得SERS基底的光譜一致性差

3、。為此，本文重點研究了激光聚焦區(qū)域微納結(jié)構(gòu)的表面覆蓋度對SERS基底光譜一致性的影響。采用溶致液晶軟模版結(jié)合電化學沉積方法制備SERS基底，然后研究表面覆蓋度對光譜一致性的影響，并給出提升SERS基底光譜一致性的方法。該研究工作可進一步推動SERS基底在多種定量檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。2 SERS基底的制備2.1溶致液晶的配制為了制備SERS基底，首先需要配制溶致液晶軟模版。制備SERS基底使用的溶致液晶由表面活性劑、油和水混合而成，雙納磺基琥珀酸酯（AOT，質(zhì)量分數(shù)98%）作為表面活性劑，對二甲苯（質(zhì)量分數(shù)99%）作為油相，水相則用濃度為0.3 mol/L的硝酸銀溶液代替。先稱取6.353 g的AO

4、T固體溶解于10 mL的對二甲苯溶液中，靜置至完全溶解，使用移液槍取2.521 mL的硝酸銀溶液逐滴加入燒杯中，溶液放置于攪拌器上攪拌1 h，顏色逐漸變深至橙黃色。將攪拌完的溶液放置于20 恒溫槽靜置2 h，經(jīng)過相分離后，AOT連接油相和水相形成油包水的反膠束狀態(tài)，形成溶致液晶。2.2SERS基底的電化學生長SERS基底采用電化學沉積方法制備，其裝置如圖1所示。分別采用銀板和氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電玻璃作為陽極和陰極，然后將其放置在溶致液晶中施加電壓進行電化學沉積生長。兩極之間的間隙通過粘貼0.7 mm的塑料片來控制，樣品置于25 mL燒杯中，然后放置在20 恒溫槽中。直流穩(wěn)壓電源在兩極加上

5、5 V直流電壓，被定域在水相中的銀離子19-22在電場作用下在軟模板限制下實現(xiàn)局域有序生長。制備前，需要先對ITO玻璃和銀板進行清洗。將清潔劑噴在玻璃和銀板表面，使用無塵紙擦拭干凈，再將其放入去離子水中，使用超聲波清洗機清洗至玻璃與銀板表面光滑，取出烘干進行實驗23。圖1SERS基底制備裝置示意圖Fig.1Schematic diagram of the SERS substrate preparation device經(jīng)過3 h的電沉積24，溶致液晶中的銀離子逐漸成核，最終突破軟模板的限制，在陰極ITO玻璃表面生長出銀納米花。然后利用熱場發(fā)射掃描電鏡（SEM）進行SERS基底的形貌表征，如圖

6、2所示。圖2（a）是制備的SERS增強基底，灰色區(qū)域為制備的銀納米花材料；圖2（b）、（c）、（d）、（e）、（f）分別對應(yīng)圖2（a）中的5個不同位置1、2、3、4、5，可以看出ITO玻璃上生長出的花狀銀納米結(jié)構(gòu)分布均勻；圖2（g）為放大的單銀納米花，其直徑約4 m，花瓣厚度約為100 nm。圖2SERS基底的SEM表征。（a）制備的SERS基底；（b）位置1；（c）位置2；（d）位置3；（e）位置4；（f）位置5；（g）單銀納米花結(jié)構(gòu)。Fig.2SEM characterization of the SERS substrate.（a） Fabricated SERS substrate；

7、（b） Position 1； （c） Position 2； （d） Position 3； （e） Position 4； （f） Position 5； （g） Single silver nanoflower structure.3 表面覆蓋度對拉曼光譜強度的影響3.1微納結(jié)構(gòu)的表面覆蓋度拉曼光譜儀的激光照射SERS基底，如圖3（a）所示。由于光斑大小與微納結(jié)構(gòu)尺寸相當，聚焦在基底不同位置時，光斑區(qū)域內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)數(shù)量不同，如圖3（b）所示。拉曼光譜強度受到微納結(jié)構(gòu)數(shù)目的影響，因此不同的微納結(jié)構(gòu)數(shù)目會嚴重影響光譜強度的一致性。為了研究其對拉曼光譜強度的影響規(guī)律，定義微納結(jié)構(gòu)在光斑區(qū)域內(nèi)的

8、表面覆蓋度25：r=SnanoSexciting（1）式中：Snano和Sexciting分別表示光斑照射區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的覆蓋面積和整個照射區(qū)域的面積。圖3拉曼光譜儀示意圖。（a）激發(fā)和接收光路；（b）不同聚焦位置。Fig.3Schematic representation of Raman spectrometer. （a） Optical setup for excitation and collection light； （b） Focused at different positions.在實際測量SERS基底光譜強度時，通過拉曼光譜儀及圖像處理技術(shù)可以計算出光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的表

9、面覆蓋度，如圖4所示。圖4拉曼光譜儀測量表面覆蓋度的圖片。（a）激光打開；（b）激光關(guān)閉；（c）二值化圖像；（d）測試區(qū)域。Fig.4Pictures of the surface coverage measured by a Raman spectrometer.（a） Laser is turned on； （b） Laser is turned off； （c） Binarized image； （d） Testing area.利用拉曼光譜儀控制計算機得到圖4（a），激光光斑的大小和位置基本可以確定。關(guān)閉激光，得到光斑區(qū)域內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)分布，如圖4（b）所示。對圖像進行二值化處理，結(jié)合圖

10、像處理技術(shù)提取光斑區(qū)域微納結(jié)構(gòu)分布，如圖4（c）、（d）。最終根據(jù)區(qū)域內(nèi)白色面積與總面積比值計算得出表面覆蓋度25。3.2光譜強度和表面覆蓋度的關(guān)系為了研究表面覆蓋度對SERS基底拉曼光譜強度的影響，使用染色劑羅丹明6G（R6G）作為探針，使用HORIBA LabRAM HR拉曼光譜儀進行拉曼光譜測量。拉曼光譜儀的工作波長為532 nm，積分時間為10 s，激光功率為0.5 mW，儀器可選用20倍、10倍和5倍的物鏡，其對應(yīng)的激光光斑大小分別為10 m、20 m和40 m。為了研究基底表面覆蓋度對光譜強度的影響，首先制備了4片不同均勻度的SERS基底，SEM表征如圖5所示。圖5不同SERS基底

11、SEM圖。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。Fig.5SEM pictures of different SERS substrates. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.在10 m尺度下SEM圖片可以看出基底的微納結(jié)構(gòu)分布，由于制備工藝無法保證基底生長情況完全一致，基底均勻度有所不同，使用拉曼光譜儀測量時，不同樣品的均勻度會對光斑區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)表面覆蓋度產(chǎn)生影響。在研究表面覆蓋度對光譜強度的影響時，利用20倍物鏡（10 m光斑）在每個SERS基底上選取不同位置進行光譜測量，

12、得到不同位置的表面覆蓋度，拉曼光譜儀下基底分布及光斑選取區(qū)域如圖6所示。圖6拉曼光譜儀下不同SERS基底圖。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。Fig.6Pictures of different SERS substrates under the Raman spectrometer.（a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.紅色圓圈為10 m光斑照射區(qū)域。計算圓圈內(nèi)基底表面覆蓋度并結(jié)合拉曼光譜儀測得的光譜強度，最終測得的結(jié)果如圖7所示，4片SERS基底均表現(xiàn)出拉曼光譜強度隨著銀納

13、米花材料表面覆蓋度的增大而增大。圖7SERS基底在不同表面覆蓋度下的拉曼光譜。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。Fig.7Raman spectra of the SERS substrate at different surface coverage levels. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.為了定量研究表面覆蓋度和拉曼光譜強度之間的關(guān)系，選取羅丹明6G的一個特征峰611 cm-1波數(shù)的光譜強度代表其光譜強度。然后將611 cm-1波數(shù)處光譜強度歸一化，得到歸一化

14、光譜強度隨表面覆蓋度的變化關(guān)系如圖8所示。其中、和分別為4片SERS基底的歸一化拉曼光譜強度，實線為擬合曲線?？梢钥闯?，不同基底測得的拉曼光譜歸一化強度的變化趨勢相似，最終擬合得到拉曼光譜強度與材料覆蓋度的關(guān)系：I=1.3r1.6（2）圖8表面覆蓋度與歸一化拉曼光譜強度的關(guān)系。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。Fig.8Relationship between the surface coverage and the normalized Raman spectral intensity. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Sub

15、strate C； （d） Substrate D.式中r為銀納米花材料的表面覆蓋度。該經(jīng)驗公式與本課題組實驗初期得到的結(jié)論吻合23，進一步驗證了該經(jīng)驗公式的有效性。4 SERS基底光譜一致性的改進4.1改進方法由上可知，表面覆蓋度會對光譜強度產(chǎn)生較大影響，即使制備出均勻一致的SERS基底，由于測量時聚焦光斑輻照的位置不同，也會得到不同的光譜強度。為此，本文擬利用表面覆蓋度和光譜強度之間的經(jīng)驗公式，通過對測量數(shù)據(jù)的進一步處理來消除表面覆蓋度的影響，從而提升SERS基底的光譜一致性，稱之為表面覆蓋度法。首先需要確定一個基準表面覆蓋度，然后將測量得到的不同表面覆蓋度下的光譜強度，都依據(jù)公式（2）歸

16、結(jié)到基準表面覆蓋度下，求出在該表面覆蓋度下光強強度，這樣便可以消除表面覆蓋度的影響。為此，以測量光譜強度的平均值對應(yīng)的表面覆蓋度作為基準覆蓋度。設(shè)在SERS基底上測量n個拉曼光譜，其強度平均值：=1ni=1nIi（3）式中Ii是第i個光譜強度。根據(jù)公式（2）便可求出光譜強度平均值對應(yīng)的表面覆蓋度，即基準表面覆蓋度：r基=(1.3)0.625（4）對于所有表面覆蓋度為r測、光譜強度為I測的實測點，歸結(jié)到基準覆蓋度r基后，其光譜強度為：I歸=I測(r基r測)1.6（5）利用該式即可將所有測量光譜強度轉(zhuǎn)換為歸集到基準表面覆蓋度的光譜強度，消除表面覆蓋度的影響。實際上，除了表面覆蓋度的影響之外，基底微

17、納結(jié)構(gòu)的均勻一致性也會影響光譜強度的一致性。因此，須分析歸集到基準表面覆蓋度后的光譜一致性。通常采用變異系數(shù)（相對標準差RSD）來評價SERS基底的拉曼光譜一致性：Cv=100%（6）式中：為拉曼光譜強度的標準差，為拉曼光譜強度的平均值。變異系數(shù)越小，SERS基底的光譜一致性越高。利用該式可以求解SERS基底拉曼光譜一致性，進而評價表面覆蓋度法的有效性。4.2不同基底的光譜一致性為了驗證表面覆蓋度法的有效性，基于制備的4片基底的拉曼光譜數(shù)據(jù)，首先利用公式（6）計算其變異系數(shù)，然后再利用表面覆蓋度法和公式（5）對光譜數(shù)據(jù)進行歸集處理，進而計算得到變異系數(shù)，最終結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，依據(jù)原始測

18、量數(shù)據(jù)計算得到的4片基底的變異系數(shù)分別為34.2%、24.2%、18.6%和9.3%，光譜一致性較差，且不同基底之間差異較大。利用表面覆蓋度法處理后，4片基底的變異系數(shù)分別減小到6.3%、6.2%、6.2%和5.7%，且不同基底的變異系數(shù)經(jīng)改進后都減小到6%左右。該結(jié)果表明，對于10 m的檢測激光光斑，表面覆蓋度法能將不同基底的拉曼光譜變異系數(shù)減小到6%左右，大幅提升了SERS基底的光譜一致性。圖9不同基底的變異系數(shù)Fig.9Coefficient of variation for different substrates4.3光斑大小對光譜一致性的影響為了研究激光光斑面積對拉曼光譜一致性的影

19、響，分別選取20倍、10倍和5倍的物鏡對基底C進行拉曼檢測，對應(yīng)的光斑尺寸分別為10 m，20 m和40 m。不同倍鏡下拉曼光譜強度的測量值以及利用公式（5）處理后的光譜數(shù)據(jù)如圖10所示，圖中和分別代表測量的拉曼光譜強度和表面覆蓋度法處理后的光譜強度，實線表示測量拉曼光譜強度平均值。可以看出，對于不同激光光斑，表面覆蓋度法處理后，光譜強度起伏都更小，且更靠近測量平均值。圖10同一基底多次測量的拉曼光譜強度。（a）10 m光斑；（b）20 m光斑；（c）40 m光斑。Fig.10Raman spectral intensities measured on the same substrate w

20、ith multiple times.（a） 10 m spot； （b） 20 m spot； （c） 40 m spot.對于圖10中的數(shù)據(jù)，利用公式（6）進一步處理，得到同一基底在不同測量光斑下的變異系數(shù)，結(jié)果如圖11所示。可以看出，即使是同一片SERS基底，由于激光光斑面積不同，其光譜一致性也不同。同時，變異系數(shù)都隨著光斑面積的增大而減小，且近似為線性關(guān)系。這是由于激光光斑的增大會減小光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)分布的不一致性，從而減小測量位置帶來的誤差。當光斑從10 m增大到40 m時，利用表面覆蓋度法處理后，變異系數(shù)從6.2%減小到2.3%，說明增大測量激光光斑可以進一步提升SERS基底的光譜一致性。但由于光斑越大，光譜強度越弱，基底光譜增強效果25-27也會降低。從圖10中也可以看出，10 m光斑的光譜強度比40 m光斑的要高得多。因此在實際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮進行選擇。此外，經(jīng)表面覆蓋度法處理后，對于10 m、20 m和40 m光斑，SERS基底的拉曼光譜一致性分別提高3倍、2.3倍和1.8倍，即SERS基底的一致性都獲得約2倍以上的提升。因此，針對不同大小的激光光斑，表面覆蓋度法均能提升基底的光譜一致性。圖11光斑大小對光譜變異系數(shù)的影響Fig.11Effect of spot size on