呂志成，李 琴

(華中農(nóng)業(yè)大學理學院，湖北 武漢430070)

基于聚苯乙烯微球陣列模板法制備有序納米結(jié)構(gòu)及表面增強拉曼應(yīng)用

呂志成，李 琴

(華中農(nóng)業(yè)大學理學院，湖北 武漢430070)

以規(guī)則排列聚苯乙烯微球陣列為模板，在平面襯底上獲得了六角形排列的開口球腔結(jié)構(gòu)，在微觀曲面襯底上制備了3種不同納米球腔結(jié)構(gòu)。偏振紫外可見吸收光譜表明，開口納米球腔陣列光學性質(zhì)以π/3為周期。兩種基底對4-巰基苯甲酸(4-MBA)表面增強拉曼散射(SERS)增強能力的差異證明球腔型納米結(jié)構(gòu)的拉曼增強能力來源于開口部分。利用球腔型SERS基底實現(xiàn)了對農(nóng)藥甲基對硫磷的檢測，此類基底具有用于農(nóng)藥殘留分析的潛力。

聚苯乙烯微球陣列；納米球腔；表面增強拉曼散射；農(nóng)藥殘留

表面增強拉曼散射(surfaceenhancedRamanscattering，SERS)以其靈敏度高、結(jié)構(gòu)鑒定能力強等特點在化學分析[1]、環(huán)境污染物檢測[2]、生物分子結(jié)構(gòu)鑒定[3]等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。表面增強拉曼光譜高靈敏度主要來源于納米結(jié)構(gòu)對入射光電磁場能量的集中壓縮作用，在相互接近的納米粒子之間電磁場的強度比入射光電磁場高出幾個數(shù)量級，這個局域化的電磁場將拉曼信號增強至百萬倍[4]。納米粒子的結(jié)構(gòu)決定入射光電磁場能量在其表面的分布狀態(tài)，最終體現(xiàn)在對SERS信號強度的影響，因此制備均勻性好、重復性高的SERS基底，對增強基底納米結(jié)構(gòu)的調(diào)控至關(guān)重要。

SERS基底包括貴金屬納米粒子溶膠[5]、納米粒子組裝膜[6]及規(guī)則有序納米結(jié)構(gòu)[7]，最后一類基底結(jié)構(gòu)可控，是最有潛力將SERS推向?qū)嵱没慕鉀Q方案，因此受到廣泛關(guān)注。利用電子束光刻[8]、X-射線干涉印刷[9]等方法可以制備規(guī)則有序的SERS基底，但制備成本較高并且操作復雜。近年來發(fā)展的模板法在有序SERS基底制備中表現(xiàn)出極其優(yōu)異的靈活性，例如金納米球殼在十六烷基三甲基溴化銨軟模板輔助下形成均勻排布的單層粒子膜，在增強性能和均勻度等方面較通常的納米粒子靜電吸附膜有本質(zhì)提高[10]。使用更為普遍的是包括膠體微球有序陣列在內(nèi)的硬模板，這類模板結(jié)構(gòu)規(guī)整，易于制備，在SERS基底制備中得到廣泛應(yīng)用。利用物理方法在膠體微球有序陣列表面沉積納米金屬層是最常見的方法[11]。化學方法也被用來修飾膠體微球陣列以獲得SERS基底，例如在膠體微球陣列空隙內(nèi)通過電化學方法沉積貴金屬，除去膠體微球后得到空心球腔結(jié)構(gòu),可以作為SERS基底[12]。以納米粒子為催化中心的化學沉積方法制備SERS基底具有操作簡便、基底增強性能優(yōu)異等優(yōu)點，在SERS基底的制備中發(fā)揮了重要作用[13]。

基于界面組裝制備大面積聚苯乙烯膠體微球二維陣列，作者研究了以金納米粒子為無電沉積中心催化金的化學沉積，在平面及微觀曲面襯底上制備規(guī)則SERS基底，研究了制備條件對拉曼信號增強性能的影響，并將其用于農(nóng)藥甲基對硫磷的檢測。

1 實驗

1.1 試劑與儀器

聚二烯丙基二甲基氯化銨[poly(diallyldimethylammonium chloride)，PDDA，Mw小于10萬，35%水溶液]、聚苯乙烯磺酸鈉[poly(sodium 4-styrenesulfonate)，PSS，Mw=70 000] ，Sigma公司；苯乙烯、過硫酸鉀(KPS)、氫氧化鈉、無水乙醇、十二烷基硫酸鈉、濃硫酸、四水合氯金酸、二水合檸檬酸鈉、硼氫化鈉、鹽酸羥胺，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；實驗用水取自純水系統(tǒng)(電阻率18 MΩ·cm-1)；4-巰基苯甲酸(4-MBA)，分析純，東京化學工業(yè)公司；甲基對硫磷(100 mg·L-1丙酮溶液)，農(nóng)業(yè)部環(huán)境質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心；所用基底先用piranha溶液 (30% H2O2∶concentrated H2SO4=3∶7，體積比)在80 ℃煮30 min，然后用大量純水清洗，保存在水中備用。

JSM-6700F型場發(fā)射高倍掃描電鏡，日本電子公司；Invia型共聚焦顯微拉曼光譜儀，英國Renishaw公司；TU-1901型雙光束紫外可見分光光度計，北京普析通用儀器公司；AL204型電子天平，梅特勒-托利多儀器(上海)有限公司；KQ5200DE型超聲波清洗器，昆山超聲儀器；5800R型臺式冷凍離心機，艾本德中國有限公司；DF-101S型集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，鞏義予華儀器公司。

1.2 SERS基底制備、表征及性能研究

聚苯乙烯乳液的合成方法參照文獻[14]，在平面襯底上制備SERS基底方法參照文獻[15]，在微觀曲面襯底上制備SERS基底過程如下：在載玻片上通過界面自組裝法鋪展一層聚苯乙烯微球單層，然后在100 ℃熱臺上加熱60 s以提高聚苯乙烯微球在襯底上的穩(wěn)定性，聚電解質(zhì)自組裝除每步驟之間清洗時間延長至20 min外，其它步驟與平面襯底相同。

基底形貌的表征使用場發(fā)射高倍掃描電鏡。紫外光譜測試是將負載有納米結(jié)構(gòu)的載玻片粘到自制的測試架上,樣品載玻片相對于入射光的角度可變。拉曼探針分子組裝過程是將基底浸泡在10-5mol·L-1的4-MBA乙醇溶液中3 h，取出后用乙醇清洗。

SERS光譜采集條件為50倍物鏡，激光波長632.8 nm，激光功率1 mW，衰減至1%，光譜采集時間為10 s，檢測范圍為100～2 000 cm-1。

1.3 SERS檢測甲基對硫磷

將100 mg·L-1的甲基對硫磷溶液稀釋成濃度(mg·L-1)為10、20、40、60、80系列溶液，分別滴加到新制的SERS基底上，采用1.2相同的條件采集拉曼光譜。

2 結(jié)果與討論

2.1 平面襯底上SERS基底

圖1 是利用單層聚苯乙烯微球模板在平面襯底上制備的金納米結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。

a～f，沉積時間(min)：0,2,4,6,8,10圖1 平面襯底上金納米球腔的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.1 SEM images of Au spherical nanocavity on plane substrate

圖1a是在金納米粒子組裝到模板空隙內(nèi)并除去聚苯乙烯微球后得到的結(jié)構(gòu)，顯示金納米粒子形成了模板的反轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，形成規(guī)則排列的圓形孔洞。圖1b～f顯示在沉積過程中，金納米粒子會優(yōu)先沿著模板微球生長，隨著沉積時間的延長，球腔深度增大，球腔開口之間的距離逐漸變小，最后消失。

2.2 微觀曲面襯底上SERS基底

圖2是以單層聚苯乙烯微球為微觀曲面襯底制備的金納米結(jié)構(gòu)掃描電鏡照片。

圖2 微觀曲面襯底上金納米球腔的掃描電鏡照片F(xiàn)ig.2 SEM images of Au spherical nanocavity on micro-convex substrate

由圖2可知，微觀曲面襯底獲得的金納米結(jié)構(gòu)完全不同于平面襯底上獲得的金納米結(jié)構(gòu)。圖2a顯示所得到的金納米結(jié)構(gòu)呈準周期結(jié)構(gòu)，六角形規(guī)則排列孔洞被呈線性排列的孔洞分割成六邊形區(qū)域。圖2b顯示同時存在六角形孔洞和線性排列孔洞，而圖2c顯示還存在3個一組呈三角形排列的孔洞。產(chǎn)生這3種不同結(jié)構(gòu)是作為襯底的聚苯乙烯微球與上層作為模板的微球之間相對位置不同引起的。當上層微球正好位于一個襯底微球上時，得到單個開口的球腔結(jié)構(gòu)；當上層微球位于2個或3個襯底微球上時，得到圖2b或2c中的結(jié)構(gòu)。文獻報道電化學沉積制備納米結(jié)構(gòu)只顯示圖2c所示結(jié)構(gòu)，而我們的方法可以獲得更豐富的納米結(jié)構(gòu)，為研究不同結(jié)構(gòu)的SERS增強性能提供了更多的結(jié)構(gòu)模型。

2.3 SERS基底光學性質(zhì)研究

常規(guī)紫外可見吸收光譜測試采用非偏振光，而作者報道的金納米結(jié)構(gòu)，尤其是平面襯底上制備的SERS基底具有規(guī)整有序的孔洞結(jié)構(gòu)，具有類似于光柵的性質(zhì)，因此在測量紫外可見吸收光譜時入射光用偏振光，研究光偏振方向與SERS基底微結(jié)構(gòu)之間的相對關(guān)系對吸收光譜的影響，可以為后續(xù)的拉曼測試提供更詳細的實驗細節(jié)指導。

圖3是平面襯底上制備的金納米結(jié)構(gòu)的紫外可見吸收光譜。

圖3中曲線a是用非偏振光測得的基底吸收光譜，在776 nm處有一個強吸收峰。由于可以獲得厘米尺寸聚苯乙烯微球陣列，實驗中可以用通用型光譜儀測試晶格排列確定的SERS基底光譜。入射光偏振方向沿六角形晶格的邊定義為零度，當入射光偏振方向轉(zhuǎn)π/12時，光譜發(fā)生輕微改變；當偏振方向轉(zhuǎn)π/6時，變化最顯著；偏振方向轉(zhuǎn)過π/4和π/3后，光譜基本恢復到零度時的狀態(tài)，說明所制備的六角形排列球腔陣列光學性質(zhì)以π/3為周期。

圖 3 平面襯底上金納米球腔的紫外可見吸收光譜Fig.3 UV-Vis absorption spectra of Au spherical nanocavity on plane substrate

2.4 基底增強性能研究

圖4為平面襯底上制備的SERS基底上4-MBA的SERS光譜，沉積時間依次為0 min、1 min、2 min、4 min、6 min、8 min、10 min和12 min。

圖 4 4-MBA在平面基底上的SERS光譜Fig.4 SERS spectra of 4-MBA on substrate prepared with plane surface

由圖4可知，133 cm-1處為Au-S振動峰，說明4-MBA通過巰基吸附在基底上，522 cm-1處為苯環(huán)面外彎曲振動峰，999 cm-1處為苯環(huán)呼吸振動峰，1 075 cm-1處為苯環(huán)取代基的伸縮振動峰，1 391 cm-1處為羧基伸縮振動峰，1 583 cm-1處為C-C伸縮振動峰[16]。沉積時間較短時，未進行化學沉積的基底上4-MBA的SERS強度較弱，隨沉積時間延長，SERS強度迅速增大，8 min時達到最大值，隨后下降。4-MBA的SERS信號強度變化趨勢與基底上球腔開口之間的距離變化趨勢相吻合，當兩個開口之間距離最小時，拉曼增強效果最好。

圖5是在微觀曲面基底上4-MBA的SERS光譜。

a.單個開口 b.2個開口 c.3個開口圖 5 4-MBA在微觀曲面基底上的SERS光譜Fig.5 SERS spectra of 4-MBA on substrate prepared with micro-convex surface

圖5顯示3個開口型基底增強效果最好(圖5譜線c)。2個開口型基底增強效果其次(圖5譜線b)，都要好于單個開口型基底(圖5譜線a)。

單孔六角形基底(圖5譜線a)的增強效果最小，而且小于平面襯底上六角形SERS基底的增強效果。

這種差異可以從掃描電鏡表征和圖4中顯示的結(jié)果得到解釋，掃描電鏡顯示平面六角形孔洞基底最優(yōu)化條件下開口之間的距離遠小于曲面上孔洞之間的距離。這是由于球體與球體接觸時，其接觸面積必然小于球體與平面的接觸面積，導致球腔開口變小，間距變大，而圖4中SERS光譜顯示基底的增強性能與孔洞開口之間距離有關(guān)，因此曲面上SERS基底的增強能力要小于平面上基底的增強能力。圖5中譜線b和c表明隨著孔洞數(shù)目的增加，基底的增強能力得到提高，3個孔洞型的SERS基底增強能力與平面襯底上六角形單孔洞基底的增強能力相當。但在曲面襯底上制備的SERS基底其結(jié)構(gòu)隨機性較強，而在平面襯底上的基底結(jié)構(gòu)完全可控，因此，后續(xù)的檢測使用平面襯底上制備的金納米結(jié)構(gòu)作為SERS基底。

2.5 甲基對硫磷的SERS檢測

圖6a是濃度(mg· L-1)分別為0、10、20、40、60、80、100的甲基對硫磷在平面基底上的SERS光譜，圖6b是1 350 cm-1拉曼峰強度與濃度之間的標準曲線。

圖 6 甲基對硫磷在平面基底上的SERS光譜(a)及拉曼光譜強度與濃度的標準曲線(b)Fig.6 SERS spectra of methyl parathion on substrate prepared with plane surface(a) and Raman intensity-concentration calibration curve(b)

由圖6a可知，甲基對硫磷在平面基底上的特征拉曼峰位在 2 958 cm-1、2 849 cm-1、1 590 cm-1、1 350 cm-1、658 cm-1[17]處。甲基對硫磷濃度在10 mg·L-1時，低波數(shù)處的拉曼峰消失，檢出限為20 mg·L-1。可以通過再沉積一層金屬銀來提高這種開口結(jié)構(gòu)的SERS基底檢測靈敏度，這樣既可以利用金納米結(jié)構(gòu)制備過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可控性，還可以利用納米銀高的拉曼增強能力。

3 結(jié)論

在平面和微觀曲面襯底上利用聚苯乙烯微球陣列作為模板制備的SERS基底具有完全不同的納米結(jié)構(gòu)，平面襯底納米結(jié)構(gòu)具有六角形規(guī)則排列的孔洞，其規(guī)則結(jié)構(gòu)使其紫外可見吸收光譜也具有周期性變化規(guī)律，其拉曼光譜增強能力與孔洞之間距離密切相關(guān)。微觀曲面襯底上獲得的3種不同納米結(jié)構(gòu)，其生成原理由上下微球相對位置決定，其增強能力弱于平面SERS基底，表明此類基底的增強能力來源于球腔的開口位置。農(nóng)藥甲基對硫磷在規(guī)則孔洞SERS基底上具有較好的濃度與信號之間的線性響應(yīng)。

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Fabrication of Ordered Nanostructures Based on Polystyrene Microsphere Array Template and SERS Application

Lü Zhi-cheng，LI Qin

(CollegeofScience，HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan430070，China)

Inthispaper,hexagonallyorderedarrangedsphericalnanocavitystructurewithopenedmouthonplanesubstrateandthreedifferentsphericalnanocavitystructuresonmicro-convexsubstratewerepreparedusingorderedarrayofpolystyrenemicrosphereasatemplate.Polarizedultraviolet-visibleabsorptionspectraofsphericalnanocavityarrayshowedaopticalpropertyregularchangewithπ/3asaperiod.ThedifferenceinsurfaceenhancedRamanscattering(SERS)intensityof4-mercaptobenzoicacid(4-MBA)onthesetwotypeofsubstratesclearlyindicatedthatenhanceofRamansignalcamefromopenedmouthregion.ThesphericalnanocavitySERSsubstrateswereusedtodetectpesticidemethylparathionandrevealedapotentialforanalyzingpesticideresidues.

polystyrenemicrospherearray;sphericalnanocavity;surfaceenhancedRamanscattering(SERS);pesticideresidues

2016-11-11

O 657.37

A

1672-5425(2017)01-0044-04

呂志成，李琴.基于聚苯乙烯微球陣列模板法制備有序納米結(jié)構(gòu)及表面增強拉曼應(yīng)用[J].化學與生物工程，2017，34(1)：44-47，61.