陳振宜， 陳 娜， 胡 玲， 王廷云， 龐拂飛， 劉 琳

(上海大學(xué)特種光纖與光接入網(wǎng)省部共建重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200072)

拉曼光譜因其能夠提供豐富的分子振動(dòng)信息，已逐漸成為一種物質(zhì)分析中的有效檢測工具［1］.近年來，拉曼光譜在水質(zhì)污染檢測、奶制品的質(zhì)量檢驗(yàn)及有毒有害液體檢測等方面已發(fā)揮出越來越重要的作用，并廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、食品安全及環(huán)境監(jiān)測等多個(gè)領(lǐng)域.利用貴金屬顆粒作為活性基底［2-4］的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)，能夠通過局域電磁場增強(qiáng)等效應(yīng)，顯著提高目標(biāo)分子的拉曼散射強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對低濃度樣品的檢測.為滿足長距離在線檢測等需求，科研人員又進(jìn)一步著眼于光纖與SERS技術(shù)的結(jié)合［5-12］，以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的探測，并研究出了一系列基于錐形光纖［5-9］、D形光纖［10］和光子晶體光纖［11-12］的SERS傳感器.

本研究提出了一種基于2×2熔錐光纖的SERS結(jié)構(gòu)，并自行設(shè)計(jì)搭建一套熔錐耦合式光纖SERS傳感實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)(見圖1).該系統(tǒng)利用熔融拉伸光纖錐區(qū)透射出的漸逝波作為激發(fā)源，結(jié)合具有表面增強(qiáng)拉曼散射的金屬溶膠顆粒活性基底，以增強(qiáng)自發(fā)拉曼散射強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對低濃度待測分子的檢測.

圖1 熔錐光纖SERS傳感實(shí)驗(yàn)測量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Experimental test system diagram of fused fiber SERS sensor

1 表面活性基底的制備與表征

1.1 銀溶膠的制備

本研究采用改進(jìn)的Meisel方法制備銀溶膠活性基底.具體過程如下：將90 mg硝酸銀溶于500 mL去離子水中，加熱至沸騰后，加入1%檸檬酸三鈉10 mL;繼續(xù)加熱60 min后，自然冷卻至室溫，可獲得黃綠色的不透明液體;放置一段時(shí)間后，由于重力作用，銀顆粒會(huì)向容器底部沉積，從而形成高濃度的銀溶膠.

對于銀溶膠溶液中的銀納米粒子，可以通過加入適量凝聚劑來誘導(dǎo)其形成聚集體，以達(dá)到活化溶膠和進(jìn)一步增強(qiáng)拉曼散射強(qiáng)度的目的.本研究選用NaCl來促使銀納米粒子的聚集，由于銀溶膠溶液中的銀納米粒子表面帶有負(fù)電荷，彼此之間會(huì)相互排斥，因此，它們將獨(dú)立地游離在銀溶膠溶液之中.如果在銀溶膠溶液中加入一定量的NaCl，則一方面由于鈉離子帶有正電荷，另一方面，隨著鈉離子濃度的不斷升高，銀粒子所帶的負(fù)電荷量會(huì)不斷減少，因此，粒子間的排斥力會(huì)逐漸降低，從而引起銀納米粒子的聚集.

1.2 銀溶膠的表征

粒徑大小會(huì)直接影響納米顆粒的熔點(diǎn)、光學(xué)性能、表面活性等特性，本研究對制備的銀溶膠進(jìn)行了表征.圖2是加入凝聚劑前后銀溶膠的吸收光譜對比.由圖可見，經(jīng)過離心、超聲后的銀溶膠的吸收峰位于420 nm處.加入NaCl后，其吸收峰向長波長方向偏移，同時(shí)半高寬展寬，這表明銀顆粒粒徑分布較分散.

圖2 加入NaCl前后銀溶膠的吸收峰Fig.2 Absorption spectra of silver sols before and after the addition of NaCl

圖3是利用原子力顯微鏡測得的提純后銀溶膠的表面形貌.由圖可見，所制備的銀溶膠顆粒大體呈球狀，粒徑約為40～60 nm，且部分顆粒有團(tuán)聚現(xiàn)象，團(tuán)聚后粒徑在100 nm以上.但銀溶膠的吸收峰和表面形貌圖只能粗略地表征銀顆粒的平均大小和粒徑分布，為了表征其拉曼增強(qiáng)效果，本研究進(jìn)一步測試了銀顆粒與R6G混合溶液的拉曼光譜.

圖3 提純后的銀溶膠表面形貌圖Fig.3 Atomic force microscope(AFM)image of silver sol after purified

1.3 不同濃度的R6G/銀溶膠混合溶液的SERS測試

將上述配制好的銀溶膠溶液分別取1 mL放入3個(gè)樣品試管中，再各滴入1 mL濃度分別為10－9，10－11，10－13mol/L的R6G溶液.使其充分混合后，放置24 h，以使其相互吸附、充分團(tuán)聚.由此制得3種不同濃度的R6G/銀溶膠混合溶液的SERS測試樣品.圖4是實(shí)驗(yàn)測得的不同濃度的R6G/銀溶膠混合溶液的歸一化拉曼光譜.

圖4 不同濃度下R6G/銀溶膠混合溶液的歸一化拉曼光譜Fig.4 Normalized Raman spectra of different concentration R6G solutions with silver sols

圖4中呈現(xiàn)出多個(gè)R6G的拉曼特征峰，其拉曼位移分別為 1 309，1 361，1 507，1 536，1 572，1 646 cm－1，但這些特征拉曼峰的強(qiáng)度大小不一，這與相對應(yīng)分子振動(dòng)鍵的伸縮強(qiáng)弱有關(guān).除此之外，3種不同濃度的R6G/銀溶膠混合溶液的拉曼光譜疊加有一定強(qiáng)度的熒光背底，該熒光背底是由游離在混合溶液中的R6G分子所產(chǎn)生的.同時(shí)，隨著R6G濃度的降低，游離在溶液中的R6G自由分子相對減少，其熒光背底強(qiáng)度也隨之減弱，拉曼信號突顯.

1.4 銀納米粒子聚集對SERS測量的影響

在上述溶液中加入1 mL濃度為10－2mol/L的NaCl溶液后，其拉曼光譜如圖5所示.與未加入NaCl的R6G拉曼光譜相比，加入NaCl后的R6G拉曼光譜的熒光背底強(qiáng)度減弱，拉曼特征峰強(qiáng)度增強(qiáng)了5～6倍.上述現(xiàn)象源于Cl－使銀顆粒凝聚產(chǎn)生多個(gè)“熱點(diǎn)分子”，從而增強(qiáng)了拉曼散射強(qiáng)度.與此同時(shí)，由于可吸附R6G分子的銀顆粒增多，使得游離的R6G分子相對變少，從而使熒光背底強(qiáng)度進(jìn)一步減弱，提高了拉曼信號的信噪比.因此，在修飾光纖活性表面之前，可將銀溶膠和NaCl混合使用.

圖5 加入NaCl前后R6G/銀溶膠混合溶液拉曼光譜Fig.5 Raman spectra of R6G solutions with silver sols before and after the addition of NaCl

2 2×2熔錐光纖SERS實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中，采用波長為532 nm的激光通過2×2熔錐型光纖耦合器的漸逝波激發(fā)R6G溶液樣品的拉曼光譜，測試系統(tǒng)如圖6所示.實(shí)際測量參數(shù)設(shè)置如下：曝光時(shí)間1 s，入口狹縫寬度10 μm，累加次數(shù)70次，1 200線光柵，設(shè)定波數(shù)范圍為 600～1 800 cm－1(所對應(yīng)的波長范圍為 549.5～588.3 nm).此外，如圖7所示，所有待測樣品均置于暗室中，以避免外界雜散光對測量的影響.

圖6 拉曼實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)照片F(xiàn)ig.6 Photograph of Raman experimental system

2.2 熔錐型光纖耦合錐區(qū)直接激發(fā)R6G溶液的SERS光譜

實(shí)驗(yàn)中使用的熔錐光纖的參數(shù)如下：熔融拉伸長度13.26 mm，拉伸振蕩周期數(shù)8個(gè)，耦合分光比30∶70，附加插入損耗0.1 dB.測試結(jié)果如圖8所示.由圖可見，測得的拉曼譜峰仍然位于1 309，1 360，1 509，1 572，1 596，1 647 cm－1等波數(shù)處，與R6G/銀溶膠混合溶液中的測試結(jié)果相吻合.由此可見，光纖本身的拉曼不會(huì)改變R6G的拉曼峰位.但是，從2×2熔錐光纖耦合錐區(qū)激發(fā)出的R6G拉曼光譜信噪比較差，拉曼譜峰很不明顯，這是由于此時(shí)熔錐光纖耦合錐區(qū)尚未涂覆固化上銀納米顆粒SERS活性基底，因此，從石英槽中R6G溶液分子所產(chǎn)生的拉曼散射光的強(qiáng)度較弱，信噪比較差.另外，隨著R6G溶液濃度的降低，其拉曼峰的強(qiáng)度也隨之減弱，從而更加不明顯.

圖7 由2×2熔錐光纖耦合器錐區(qū)激發(fā)拉曼實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.7 Photograph of Raman experiments excited with 2×2 fused fiber coupling zone

圖8 由2×2熔錐光纖耦合錐區(qū)激發(fā)的R6G拉曼光譜Fig.8 R6G Raman spectra exited by 2×2 fused fiber coupling zone

2.3 具有表面活性的2×2熔錐光纖耦合錐區(qū)激發(fā)R6G溶液的拉曼光譜

為獲得修飾光纖的功能化基團(tuán)，先將2×2熔錐光纖浸入Piranhan溶液(體積比為3∶1的96%濃硫酸和30%過氧化氫的混合溶液)15 min進(jìn)行羥基化，隨后用去離子水清洗，再浸入硅烷化混合溶液10 min，取出后用甲醇清洗表面;然后，在溫度為110℃的恒溫箱中加熱10 min;最后，浸入銀溶膠溶液中靜置21～24 h.

之后，本研究利用耦合錐區(qū)已固化上銀納米顆粒SERS活性基底的熔錐型光纖耦合器進(jìn)行拉曼光譜測量，與此同時(shí)，也可驗(yàn)證涂覆固化上銀納米顆粒活性基底的光纖耦合器是否具有拉曼增強(qiáng)效果.為此，在已固化上SERS活性基底的光纖耦合錐區(qū)滴加濃度為10－8mol/L的R6G溶液.在相同實(shí)驗(yàn)條件下，測得的耦合錐區(qū)所激發(fā)的R6G溶液分子SERS光譜如圖9所示，其拉曼譜峰位于1 309，1 360，1 509，1 570，1 596，1 647 cm－1等波數(shù)處.

圖9 涂覆SERS的2×2熔錐光纖耦合錐區(qū)激發(fā)的R6G拉曼光譜Fig.9 R6G Raman spectra exited by 2×2 fused fiber coupling zone with SERS coating

由圖8可知，固化上SERS活性基底的光纖耦合錐區(qū)激發(fā)出的SERS光譜的熒光背景較強(qiáng)，這表明游離在溶液中的R6G分子數(shù)量較多，同時(shí)也表明固化在光纖耦合錐區(qū)表面的銀納米顆粒相對較少.比較圖8和圖9的拉曼光譜可知，圖9所示的拉曼光譜比圖8所示的拉曼光譜具有更好的信噪比，從而驗(yàn)證了涂覆固化上銀納米顆?；钚曰椎墓饫w熔融耦合錐區(qū)具有顯著的拉曼增強(qiáng)效應(yīng).

2.4 不同耦合周期條件下光纖錐區(qū)測得的SERS光譜

由于拉曼散射強(qiáng)度取決于漸逝波的強(qiáng)度，而熔錐光纖耦合錐區(qū)透射出的漸逝波強(qiáng)度隨熔融拉伸長度的變化而變化，為此，本研究在工作波長為1 310 nm的條件下，將不同熔融拉錐耦合周期的光纖耦合器作為傳感頭，用于對R6G溶液的SERS測試，測試結(jié)果如圖10所示.由圖可見，光纖熔融拉錐耦合周期越多，耦合越長，透射出的漸逝波也越強(qiáng)，從而由耦合錐區(qū)激發(fā)出的拉曼散射光也越強(qiáng).

3 結(jié)束語

本研究提出一種基于光纖漸逝波原理，利用2×2熔錐光纖SERS對待測液體進(jìn)行拉曼檢測的方法.利用熔融拉錐光纖錐區(qū)對外界介質(zhì)敏感的特性，滴加折射率較大的待測溶液，以增強(qiáng)漸逝波，激發(fā)待測溶液分子的拉曼散射，從而實(shí)現(xiàn)對液體相分子組分的分析與檢測.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對R6G溶液的最低檢測濃度可達(dá)10－8mol/L.

圖10 由不同耦合周期2×2熔錐光纖耦合錐區(qū)測得的SERS光譜Fig.10 SERS spectra exited by 2×2 fused fiber coupling zone with different couple period

［1］ ZHOUZ H，WANGG Y，XUZ Z.Single-molecule detection in a liquid by surface-enhanced resonance Raman scattering［J］.Appl Phys Lett，2006，88：034104.

［2］ FLEISCHMANNM，HENDRAP J，MCQUILLANA J.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode［J］.Chem Phys Lett，1974，26：163-166.

［3］ JEANMAIRED L，VAN DUYNER P.Surface Raman spectroelectrochemisty：part I.Heterocyclic，aromatic，and aliphatic amines adsorbed on the anodized silver electrode ［J］. J Electroanal Chem Interfacial Electrochem，1977，84：1-20.

［4］ LEEP C，MEISELD.Adsorption and surface-enhanced Raman of dyes on silver and gold sols［J］.J Phys Chem，1982，86：3391-3395.

［5］ STOKESD L， VO-DINH T. Developmentofan intergrated single-fiber SERS sensor［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2000，69：28-36.

［6］ GOLDENJ P，GEORGEG P，ANDERSONP.An evanescent wave biosensor：part 2.Fluorescence signal acquisition from tapered fiber optic probes［J］.IEEE Trans Biomed，1994，41：585-591.

［7］ LUCOTTIA，ZERBIG.Fiber-optic SERS sensor with optimized geometry［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，2007，121(2)：356-364.

［8］ VIETSC，HILLW.Comparison of fibre-optic SERS sensors with differently prepared tips［J］.Sensors and Actuators B：Chemical，1998，51：92-99.

［9］ POLWARTE，KEIRR L，DAVIDSONC M，et al.Novel SERS-active optical fibers prepared by the immobilization of silver colloidal particles［J］.Appl Spectrosc，2000，54：522-527.

［10］ ZHANGY，GUC.Surface-enhanced Raman scattering sensor based on D-shaped fiber［J］.Appl Phys Lett，2005，87：123105.

［11］ YANH，GUC.Hollow core photonic crystal fiber surface-enhanced Raman probe［J］.Appl Phys Lett，2006，89：204101.

［12］ ZHANGY，SHIC，GUC.Liquid core photonic crystal fiber sensor based on surface enhanced Raman scattering［J］.Appl Phys Lett，2007，90：193504.