表面增强拉曼光谱活性基底的制备与性质研究

    赵博儒 沈劲松 孙志 陈峰 陈智栋 赵健伟

    

    

    

    摘?要?建立了无氰电沉积粒径约20 nm的银颗粒制备表面增强拉曼光谱活性银基底的方法, 考察了基底的相关性质。利用电化学循环伏安法在不同的扫描速度下研究此沉积体系的电化学行为, 结果表明, 银的电沉积过程受扩散控制, 当扫描速度增大时, 氧化峰位略正移, 但还原峰明显负移。扫描电镜表征结果表明, 沉积银层的结晶形状规则, 分布均匀, 粒径为(20 ± 10) nm。以甲基橙为探针, 考察了沉积银基底对拉曼光谱信号的增强作用, 其增强因子为5.2×105。沉积银基底对罗丹明6G(R6G)分子检测的线性范围为1×1012~1×10 mol/L, 相關系数为0.98, 检出限低于1×1012 mol/L。拉曼光谱Mapping图表明, 沉积银活性基底在大范围内的增强效果均匀。

    关键词?沉积银; 活性基底; 表面增强拉曼散射; 检出限

    1?引 言

    拉曼光谱分析对测试样品无损害, 具有样品制备简单、操作方便等优点, 广泛应用于单分子检测、化学化工、生物医学、纳米材料等领域[1], 但拉曼散射信号弱, 应用受限。Fleischmann等[2]将有机分子吸附于经粗糙化处理的贵金属材料表面, 发现拉曼信号显著增强, 即表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)效应。因此, SERS活性基底的制备成为其应用的关键。其中, 银薄膜相对便宜, 增强效果显著, 因此应用广泛。

    近年来, 有关银基底SERS效应和制备方法的研究取得了较大进展。徐存英等[3]在AgNO3中添加离子液体, 通过电化学沉积得到致密的银沉积层, 具有较好的SERS效应。曾勇明等[4]在玻碳片上沉积银层, 银粒子直径约为1~2 μm, 对探针分子的检出限达到1.0×107 mol/L, 虽具有SERS效应, 但效果不理想。随着研究的深入, 研究者开发了许多具有纳米结构特征的基底及复合基底。Upender等[5]通过纳米团簇沉积制备出了平均粒径为(157 ± 119) nm的银膜, 并将其作为表面增强拉曼光谱的活性基底, 具有SERS活性高、重现性好和性能相对稳定的特点, 对罗丹明6G(R6G)的检出限可达1.0×1016 mol/L, 有望应用于超低浓度分子的检测, 但其制备过程复杂且成本高, 难以商业化应用。Polavarapu等[6]利用旋涂工艺, 采用油胺-甲苯体系制备了3~5 nm金、银溶胶, 在退火处理后, 可得到稳定的SERS活性基底。Gu等[7]采用AgNO3/PVP溶液体系在铜基板上合成出枝状银纳米结晶, 这种SERS基底具有较高的热稳定性和良好的重现性, 检测R6G浓度可低至3.2×1011 mol/L。Kosovi等[8]比较了两种低掺杂p型硅晶片, 一种通过电化学刻蚀获得微孔硅模板, 另一种浸入HF溶液中获得具有介孔结构的模板。分别在AgNO3溶液中进行电化学沉积银纳米粒子, 在微孔模板上形成了均匀的纳米球形银层, 在介孔模板上则具有形状不规则和边缘锐利的银聚集体,后者表现出更好的SERS活性。此外, 该基底的局域表面等离子体共振频带的峰值更接近激发光源的波长, 在这种共振条件下, R6G的检出限低至1.0×1015 mol/L。虽然其在SERS领域表现出很大的应用潜力, 但重现性不佳, 难以大规模应用。

    虽然制备银的SERS基底相关的理论研究和实验方法很多, 但目前多以基础研究为主。有些SERS基底虽具有低检出限和宽线性范围, 但制备过程复杂, 不适宜作为标准化的检测方法。李贞等[9]对SRES活性基底制备的研究进展进行了评述, 指出了各种制备方法的优点和弊端。

    因此, 制备一种SERS效应显著、稳定性好、灵敏度高的活性基底, 同时开发工艺流程简单、生产环保、可批量生产、成本低廉的制备方法, 具有重要的理论和实用价值。无氰电沉积银作为一种电沉积方法, 能够满足上述要求。本研究采用循环伏安法、扫描电镜和拉曼光谱分别对无氰沉积银体系的电化学行为、沉积银基底的微观结构、SERS增强效应及分析检测性能等进行了详细的研究。相比商品化的银胶SERS检测技术, 本研究采用的银基底制备方法简单可靠, 成本低, 性能稳定, 可长期贮存; 电沉积银层均匀平整, SERS增强效果显著; 其在测试应用中操作简便, 响应灵敏, 线性范围宽, 检出限低, 具备良好的应用价值。

    2?实验部分

    2.1?仪器、试剂与材料

    DH7001电化学工作站(江苏东华测试技术股份有限公司);SU8010场发射扫描电镜(Scanning electron microscope, SEM, 日本日立公司); DXR2xi型显微共焦拉曼光谱仪(美国赛默飞世尔科技有限公司); AUY120电子分析天平(日本岛津公司); KQ2200DE型数控超声波清洗器(昆山超声仪器有限公司)。

    ZHL-02无氰镀银母液(嘉兴锐泽表面处理技术有限公司), 用去离子水稀释1倍, 作为电沉积工作液; 甲基橙(分析纯, 天津市光复科技发展有限公司); 罗丹明6G(Rhodamine 6G, 分析纯, 麦克林试剂公司); 其它试剂均为分析纯, 使用前未做进一步处理。紫铜片(15 mm×15 mm, 厚度0.8 mm, 嘉兴市嘉信医疗器械有限责任公司); 纯银片(15 mm ×15 mm, 厚度0.8 mm, 纯度99.99%, 常熟市常宏贵金属有限公司)。

    2.2?电沉积银基底的制备

    以紫铜片作为沉积银基底, 在45℃下以无水乙醇超声洗涤15 min, 再以去离子水洗涤。在40℃~50℃加热条件下, 电流密度3~5 A/dm2, 阴极脱脂5 min, 以去离子水洗涤。在40℃~50℃加热条件下, 电流密度5~7 A/dm2, 阳极电化学抛光至光亮平滑时, 取出后用大量去离子水洗涤。在温度(391)℃和电流密度(1.0 0.1) A/dm2条件下, 恒流电沉积银5 min, 以去离子水洗涤, 吹干, 备用。

    2.3?电化学性能测试

    电化学实验在20℃下进行。 以直径为3.0 mm的玻碳电极为工作电极, 铂片为对电极, 饱和甘汞电极为参比电极。每次测试前, 玻碳电极用0.05 μm的抛光粉(Al2O3)打磨, 分别用无水乙醇和去离子水超声清洗15 min。循环伏安曲线测试在工作液中进行, 电位扫描范围为1.1~1.0 V。

    2.4?拉曼光谱表征

    将电沉积银基底在1.0×105 mol/L甲基橙溶液中分别浸泡10、20、30、120、180、240、360和1440 min, 将纯银基底在1×105 mol/L甲基橙溶液中分別浸泡4和24 h。取出, 用去离子水淋洗, 氮气吹干, 然后进行SERS表征。激发光源为532 nm的氩离子激光, 光谱分辨率小于2 cm1, 激光强度为2.0 mW, 积分时间为0.167 s, 循环10次。

    配制1.0×105、1.0×106、1.0×107、1.0×108、1.0×109、1.0×1010、1.0×1011和1.0×1012 mol/L的R6G溶液, 取R6G溶液20 μL, 滴加在电沉积银基底上, 在室温下自然干燥, 然后测定拉曼光谱。激发光源为532 nm的氩离子激光, 激光强度为2.4 mW, 积分时间为0.143 s。测量SERS二维成像(Mapping)时, 成像面积为150 m×150 m, 积分时间为0.008 s, 循环5次。

    3?结果与讨论

    3.1?电沉积体系的电化学行为

    为研究银的电沉积过程, 利用循环伏安法在不同的扫速(2~5000 mV/s)下考察了玻碳电极在溶液中的电化学行为。图1给出了部分扫速下银在玻碳电极表面的循环伏安图。

    电势从1.0 V向负方向扫描, 在低扫速2 mV/s时, 0.17 V处出现一个弱的还原峰; 随扫描速度逐渐增大, 在0.55~1.20 V出现一个明显的还原峰。此还原峰对应银离子络合物在玻碳电极表面的电沉积反应。还原峰的峰位及峰电流均显著地受到扫描速度的影响。电势向正方向扫描时, 0~0.25 V可以观察到明显的氧化峰, 对应电沉积银层的氧化溶解。随着扫描速度不断增加, 氧化峰逐渐向正电势方向移动, 但是相对还原峰而言, 移动不明显; 同时氧化峰电流也相应增高。还原过程较氧化过程更复杂, 包含了去水合作用、络合物解离过程、银离子放电等过程。因此, 还原峰对扫描速度的依赖性更强。此特征与其它无氰电沉积银体系类似[10], 尽管络合剂种类和溶液浓度会导致具体的峰电位有所不同。

    考察了峰电流与扫描速度的关系, 以及峰电位与扫描速度的关系。由图2A可见, 阴极峰电流与扫描速度的平方根呈良好的线性关系, 符合扩散过程控制的电化学行为中峰电流密度与扫描速度的关系:

    jp=0.4958nF32αDv12(RT)-12c(1)

    其中, jp为峰电流密度, n为银在沉积过程中的电子转移数, F为法拉第常数, α为电荷转移系数, D为扩散系数, υ为扫描速度, R为气体常数, T为温度, c为镀液中电活性物质的浓度。因此, 可以推断银在此体系的电沉积放电过程中受扩散控制[11]。对于氧化峰电流, 因为在较高的扫描速度下, 氧化峰变宽, 导致峰电流在1 V/s后不再线性增加。

    由图2B可见, 虽然氧化峰电位随扫速增加, 但变化不明显。扫描速度增加3个数量级, 但峰电位仅增加了94 mV。然而, 还原峰电位随着扫速的对数呈显著的线性下降, 进一步表明银络合物在电沉积过程中的复杂性。

    3.2?电沉积银基底的形貌和尺寸特征

    SERS增强效应主要由电磁场增强和化学增强共同作用, 其中电磁场增强起主导作用, 且电磁场增强中局域表面等离子体共振(Localized surface plasma resonance, LSPR)的贡献最大。SERS基底中颗粒的形状、尺寸对LSPR效应的影响尤为显著[12,13]。电沉积条件下银基底在不同放大倍数下的SEM图见图3, 电沉积银基底的表面平整、均匀, 与样品光滑、明亮的外观一致; 沉积银层由细小的球形晶粒组成, 形状较规则, 颗粒尺寸相对均匀, 未出现团聚现象。

    对SEM图中晶粒的粒径统计分析如图4所示, 银晶粒的粒径主要集中在12~32 nm, 利用高斯分布函数对其拟合, 得到晶粒的粒径为(20±10) nm。易早等[14]利用原位生长在玻璃基底上制备出平均粒径100 nm的银颗粒, 由此制备的基底也具有较好的SERS效应。Wang等[15]采用浸镀法制备的系列银/硅纳米孔柱阵列(Ag/Si-NPAs)所形成的银纳米结构主要有两种, 即平均粒径在70 nm以下和平均粒径为

    0.1~1 μm的基底, 结果表明, 前者的SERS增强效应更明显。因此, 银粒径对于SERS效应影响显著。本研究所制备的银基底其晶粒粒径远小于原位生长制备的纳米银颗粒, 形状更为规则, 银纳米粒子因重叠堆积, 颗粒彼此接近, 更易产生等离子体耦合, 增强SERS效应[13]。

    3.3?电沉积银基底的拉曼光谱表征

    以甲基橙为探针, 研究了电沉积银基底的SERS活性, 并与纯银基底对比。结果表明, 电沉积银基底比甲基橙粉末具有信噪比更高的拉曼特征峰, 表明电沉积银具有SERS活性。银是微晶金属材料, 其晶粒尺度一般大于102 nm, 即使具有SERS活性, 如未经特殊处理, 也不能满足增强的需求。而通过电沉积获得的银基底具有比纯银更加显著的SERS效应。由图5可见, 随着浸泡时间延长, 甲基橙分子的拉曼特征峰的强度增强, 30 min内甲基橙分子吸附速率较快, 随后吸附速度趋于平缓。浸泡24 h基底的SERS效应不增反减, 甚至出现基线不平的现象, 说明电沉积银基底在长时间浸泡后, 活性发生变化。在实际应用中, 浸泡时间过长既影响测试, 又影响时效性。因此, 选择浸泡30~60 min可满足测试需求。图5也说明电沉积银基底对甲基橙分子的吸附是相对缓慢的动力学过程。此结果也预示了SERS效应在电沉积银基底吸附有机分子的动力学研究中具有良好的应用价值。

    平均表面增强因子(Averaged surface enhancement factor, ASEF)可直接反映SERS基底的增强效应, 是拉曼光谱分析的重要指标[12]。利用甲基橙分子在银表面拉曼光谱的最强峰(1389 cm1)估算银基底的ASEF, 计算公式如下[13]:

    ASEF=Isurf/NsurfIbulk/Nbulk(2)

    其中, Isurf为吸附在电沉积银基底上单层的甲基橙分子在1389 cm1处的积分强度, Ibulk为甲基橙粉末中的分子在1389 cm1处的积分强度, Nsurf和Nbulk分別为激发光束照射区相应的表面和粉末中甲基橙分子的数量。因甲基橙分子的吸附数量难以绝对定量给出, 故本研究以与其尺寸相当的4-巯基苯甲酸分子在银基底上单层覆盖的数据为参考[16], 估计在沉积银基底上单层甲基橙分子的表面浓度为5×1014 molecule/cm2, 激光光束直径≈1 μm, 由此计算得Nsurf≈8.3×1014 mol。在分母一项中, 甲基橙分子密度为1.28 g/cm3, 激光光束直径≈1 μm, 其穿透厚度d≈16.5 μm[14], 由此计算得Nbulk≈6.5×1010 mol。将相应的数据代入式(2), 可计算出电沉积银基底的增强因子达到5.2×105, 表明沉积银基底具有更好的SERS活性。陆冬莲等[17]利用银镜反应, 在玻璃上沉积200 nm的银膜, 选择与银纳米粒子结合作用较弱的巯基苯胺为探针分子, 测得其增强因子≈4.6×105。因此, 本研究制备的无氰电沉积银基底与其它利用复杂制备方法获得的基底具有相当的SERS活性。

    3.4?电沉积银基底的检测线性范围、检出限及SERS均匀性

    以R6G为探针研究电沉积银基底的检测性能。图6给出了不同浓度下的R6G分子的拉曼光谱图。由图6A可见611、775、1183、1308、1360、1506、1568和1649 cm1处R6G的拉曼特征光谱振动峰, 其中, 611 cm1处的强特征峰由苯环面内振动产生[4,15]。随着溶液样品浓度的降低, R6G的拉曼振动峰的强度减小, 特征峰峰位未出现明显的位移, 说明电沉积银基底具有较好的测试灵敏度和稳定性。图6B为1×1011 mol/L和1×1012 mol/L R6G的拉曼光谱图, 即便浓度低至1×1012 mol/L, 仍可观察到R6G的主要特征峰, 且没有明显的移动。R6G在电沉积银基底的检出限低于1×1012 mol/L(S/N>3)。陈韶云等[18]采用电化学沉积法制备了树枝状银微纳结构的活性基底,R6G检出限为1×1010 mol/L, 说明电沉积银基底具有良好的检测灵敏度和检出限。

    4?结 论

    采用工艺简便、成本低廉的无氰电化学沉积法制备出可批量生产、SERS效应显著、平颗粒径约20 nm的银基底。对此体系的电化学研究的结果表明, 银的沉积过程受扩散控制, 且还原过程较氧化过程更复杂。本研究分别选择增强效应较低的甲基橙和活性较高的R6G分子对电沉积银基底的SERS效应开展系列研究, 结果表明, 电沉积银基底比纯银具有更好SERS活性。R6G的检出限低于1×1012 mol/L, 且具有宽的检测线性范围。 电沉积银基底具有良好的均匀性, 保证了测量的一致性和稳定性。

    References

    1?LUO Zhi-Xun, FANG Yan. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2006, 26(2): 358-364

    骆智训, 方 炎. 光谱学与光谱分析, 2006,26(2): 358-364

    2?Fleischmann M, Hendra P J, Mcquillan A J. Chem. Phys. Lett.,1974,26(2): 163-166

    3?XU Cun-Ying, HUA Yi-Xin, DUAN Yun-Biao, ZHANG Peng-Xiang. Spectroscopy and Spectral Analysis,2009,29(11): 2984-2988

    徐存英, 华一新, 段云彪, 张鹏翔.光谱学与光谱分析,2009,29(11): 2984-2988

    4?ZENG Yong-Ming, SUN Jian-Jun, CHEN Qi-Zhen, AI Li, LIN Zhi-Bin, REN Bin, TIAN Zhong-Qun. Chinese J. Anal. Chem.,2009,37(s1): 239

    曾勇明, 孙建军, 陈启振, 艾 莉, 林志彬, 任 斌, 田中群.分析化学,2009,37(s1): 239

    5?Upender G, Satyavathi R, Raju B, Shadak A K, Narayana R D, Bansal C. Chem. Phys. Lett.,2011,511(4-6): 309-314

    6?Polavarapu L, Manga K K, Yu K, Ang P K, Cao H D, Balapanuru J, Loh K P, Xu Q H. Nanoscale,2011,3(5): 2268-2274

    7?Gu H X, Xue L, Zhang Y F, Li D W, Long Y T. ACS Appl. Mater. Interfaces,2015,7(4): 2931-2936

    8?Kosovi M, Balarin M, Ivanda M, Derek V, Marcius M, Risti M, Gamulin O. Appl. Spectrosc.,2015,69(12): 1417-1424

    9?LI Zhen, XU Wei-Ping, WU Ya-Dong, XU Ting-Juan, JIN Qin-Yu. China Pharmaceutical,2015,24(3): 4-6

    李 貞, 徐维平, 吴亚东, 徐婷娟, 金勤玉.中国药业,2015,24(3): 4-6

    10?Liu A, Ren X F, Zhang J, Li D Y, An M Z. RSC Adv.,2016,6(9): 7348-7355

    11?Rooij M R. Anti-Corros Method M,2003,50(5): 154-160

    12?Gersten J, Nitzan A. J. Chem. Phys.,1980,73(7): 3023-3037

    13?Lin X M, Cui Y, Xu Y H, Ren B, Tian Z Q. Anal. Bioanal. Chem.,2009,394(7): 1729-1745

    14?YI Zao, LI Kai, HAN Shang-Jun, NIU Gao, YI You-Gen, CHEN Shan-Jun, LUO Jiang-Shan, TANG Yong-Jian. Chin. J. Nonferrous. Met.,2010,20(11): 2221-2227

    易 早, 李 恺, 韩尚君, 牛 高, 易有根, 陈善俊, 罗江山, 唐永建.中国有色金属学报,2010,20(11): 2221-2227

    15?Wang Y Q, Ma S, Yang Q Q, Li X J. Appl. Surf. Sci.,2012,258(15): 5881-5885

    16?Mohri N, Matsushita S, Inoue M. Langmuir,1998,14(9): 2343-2347

    17?LU Dong-Lian, HAN He-You, LIANG Jian-Gong. Chinese J. Anal. Chem.,2010,38(5): 715-718

    陆冬莲, 韩鹤友, 梁建功.分析化学,2010,38(5): 715-718

    18?CHEN Shao-Yun, WANG Yuan, LIU Hui, HU Cheng-Long, LIU Xue-Qing, LIU Ji-Yan. Chinese J. Anal. Chem,2017, 45(3): 374-380

    陈韶云, 王 圆, 刘 辉, 胡成龙, 刘学清, 刘继延.分析化学,2017, 45(3): 374-380

    Preparation and Properties of Active Substrates for

    Surface Enhanced Raman Spectroscopic Analysis

    ZHAO Bo-Ru1,3, SHEN Jing-Song2, SUN Zhi1, CHEN Feng*1, CHEN Zhi-Dong3, ZHAO Jian-Wei*1

    1(College of Materials and Textile Engineering, Jiaxing University, Jiaxing 314001 China)

    2(Jiangsu Donghua Testing Technology Co. Ltd, Taizhou 214500, China)

    3(College of Materials Science and Engineering, Changzhou University, Changzhou 213100, China)

    Abstract?The silver active substrates with average particle size of about 20 nm for surface-enhanced Raman spectroscopic analysis were prepared using cyanide-free electrochemical deposition method. The electrochemical deposition behavior of the system was studied by cyclic voltammetry at different scanning rates. The results showed that the electrodeposition process of silver was controlled by diffusion. With the increase of scanning rate, the oxidation peak slightly shifted positively, whereas the reduction peak had a significant negative shift. The result of scanning electron microscopy showed that the silver particles were fine, uniform, and regular in shape, and their size was (20±10) nm. Using methyl orange as a probe, the enhancement of Raman spectral signal with the silver-deposited substrate was investigated, and an enhancement factor of 5.2×105 was obtained. The linear range for detection of rhodamine 6G was 1×1012-1×106 mol/L, the correlation coefficient was 0.98, and the limit of the detection was lower than 1×1012 mol/L. Raman spectroscopy mapping also showed that the silver-deposited substrate had a uniform distribution.

    Keywords?Silver deposited; Active substrate; Surface enhanced Raman scattering; Limit of detectionReceived 25 June 2019; accepted 31 October 2019)

    This work was supported by the Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China (Nos. LY19B030006, LY19E090005) and the National Natural Science Foundation of China (Nos. 51861145202, 51802121)