趙 倩，楊宇東，桂 博，毛海央，2，3*，李銳銳，陳大鵬，2，3

1. 中國科學(xué)院微電子研究所集成電路先導(dǎo)工藝研發(fā)中心，北京 100029 2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049 3. 無錫物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)新中心有限公司，江蘇 無錫 214135

引 言

自20世紀(jì)70年代表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)以來，因其具有超靈敏、無損和實時檢測等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，如DNA測序、農(nóng)藥殘留測試、環(huán)境監(jiān)測等[1-3]。

目前，針對SERS的大部分研究都圍繞著非透明基底的器件展開，比如硅基SERS器件，石墨烯基SERS器件等等[4-7]。 然而，此類非透明SERS器件在應(yīng)用時，激光只能從正面入射，即試劑分子與入射激光束位于同一側(cè)。 在這種情況下，可能存在以下幾個問題： (1)當(dāng)被測試劑分子濃度較高或者體積較大時，入射激光需要穿透試劑分子層才能到達(dá)下面的金屬納米結(jié)構(gòu)表面，而試劑分子層會吸收一部分激光能量甚至完全遮擋激光穿透，所以用于激發(fā)金屬納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振(SPR)的激光能量被減弱，相應(yīng)地，收集的SERS光譜信號也被減弱，甚至完全無法檢測到SERS光譜信號[8]。 (2)當(dāng)此類非透明SERS器件被進(jìn)一步集成到微流控芯片上時，流體層以及蓋片層對入射激光以及SERS光譜信號將有進(jìn)一步干擾[6]。 相比之下，如果使用透明的SERS器件，使用時，將被測試劑分子置于器件正面，拉曼激光從背面入射，此時試劑分子層、液體層、蓋片層對入射激光和散射的SERS光譜信號干擾最小。 這種情況下，只要器件的透明基底對入射激光的透過率足夠高，絕大多數(shù)入射激光就可以在金屬納米結(jié)構(gòu)表面激發(fā)SPR，而且返回電荷耦合元件(CCD)的SERS信號也只需要經(jīng)過透明基底，從而得到較好的檢測效果。

為了實現(xiàn)SERS透明器件，已有研究采用PDMS、玻璃、石英[8-10]等材料作為器件的基底。 相比不夠耐高溫的PDMS和透明度有限的玻璃，石英既具有耐高溫的特點(diǎn)，也具有優(yōu)良的透光率。 可見，石英是一種具備優(yōu)良潛力的SERS透明器件的基底材料。 然而，基于石英基底的透明納米結(jié)構(gòu)的制備卻存在各種挑戰(zhàn)。 例如，利用氣-液-固(VLS)化學(xué)合成生長法，可以獲得二氧化硅納米線，配合銀鏡反應(yīng)可以在納米線上附著大密度的金屬顆粒，然而，VLS方法在使用過程中通常需要設(shè)置金屬催化層，進(jìn)而增加了工藝的復(fù)雜程度[8]。 多孔陽極氧化鋁(AAO)模板法是一種可用于制備大面積納米結(jié)構(gòu)的簡單、廉價、有效的方法，但存在制備周期長的問題[11]。 納米小球刻蝕(NSL)技術(shù)可制備出高度有序、致密、可重復(fù)性高且結(jié)構(gòu)可控的納米陣列結(jié)構(gòu)[12]。 然而，NSL技術(shù)的實施首先需要實現(xiàn)納米小球的大面積單層分布，這在操作中有一定困難。

針對以上問題，本文基于一種常規(guī)干法去膠工藝提出了一種可用于制備石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的新型工藝方法。 通過在所制備的石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上濺射金屬納米顆粒，獲得了開放式的SERS透明器件。 為了研究SERS透明器件的實際檢測能力，將不同濃度的羅丹明6G(R6G)液滴滴在SERS透明器件的正面上，使液滴在器件表面自然擴(kuò)散并且溶劑完全蒸發(fā)。 然后，激光分別從正面和背面入射，進(jìn)行測量。 對于所制備的這種SERS透明器件，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面入射的結(jié)果優(yōu)于正面入射，這擴(kuò)展了SERS這一技術(shù)在較高濃度分析物檢測中的應(yīng)用。 此外，本文進(jìn)一步研究了該SERS透明器件背面檢測的一致性，得到了良好的結(jié)果，證明了其在實際生化檢測中的可行性。

1 實驗部分

1.1 材料儀器

實驗中用到的四寸雙拋石英片JGS2購置于上海高施光電有限公司，厚度為500 μm。 聚酰亞胺(PI)光刻膠ZKPI-5400來自于北京波米科技有限公司。 R6G購自北京百靈威科技有限公司，分子式為 C28H31N2O3Cl，分子量為479.01。 熱板PHP-8和勻膠機(jī)RC-150購置于蘇州美圖半導(dǎo)體技術(shù)有限公司。 反應(yīng)離子刻蝕機(jī)RIE-100由中國科學(xué)院微電子研究所研制。 高分辨率掃描電子顯微鏡S-5500(8寸)來自于日本HITACHI公司。 磁控濺射臺JPGF-400D來自于北京北儀創(chuàng)新真空技術(shù)有限責(zé)任公司。 紫外-可見-近紅外分光光度計Cary 5000來自美國Varian公司。 SERS信號測試采用的共焦顯微拉曼光譜儀inVia-Reflex來自于英國 Renishaw 公司。 在633 nm激光和50×物鏡下獲得了拉曼光譜。 使用WIRE 3.0 控制軟件進(jìn)行界面編輯和數(shù)據(jù)后處理。

1.2 樣品制備

本文所涉及的這種新型納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)由常規(guī)干法去膠工藝發(fā)展而來。 根據(jù)我們前期的研究工作，利用等離子體轟擊光刻膠，能夠形成大面積的納米纖維森林結(jié)構(gòu)[6-7, 13-14]。 基于這種現(xiàn)象，圖1給出了石英納米錐森林結(jié)構(gòu)和SERS透明器件的制備工藝流程。 首先，在石英襯底[圖1(a)]上旋涂約為7 μm厚的PI層[如圖1(b)所示]。 之后，采用氧等離子體對PI層進(jìn)行轟擊，轟擊過程中氧氣流量為50 sccm，腔體壓強(qiáng)為5 Pa，腔體功率為200 W，時間持續(xù)40 min。 這一步驟之后在石英襯底上得到了分布密集的納米纖維森林結(jié)構(gòu)[如圖1(c)所示]，該森林結(jié)構(gòu)由大量直立于襯底上的納米纖維構(gòu)成。 可作為干法刻蝕的納米掩模。 采用反應(yīng)離子刻蝕(RIE)的方法對石英襯底進(jìn)行各向異性刻蝕，形成納米纖維-石英納米錐雙層森林結(jié)構(gòu)[如圖1(d)所示]。 RIE工藝過程中混合氣體及其流量為SF6/CHF3/He： 5/32/150 sccm，射頻功率為200 W，腔體壓力為1 850 mTorr，刻蝕時間6 min。 隨后，在室溫下利用NH4F∶HF為7∶1的氧化腐蝕緩沖劑(BOE)，對納米纖維森林結(jié)構(gòu)漂洗5 s，使之完全去除，即可得到石英納米錐森林結(jié)構(gòu)[如圖1(e)]。 最后，通過磁控濺射工藝，在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上制備約5 nm厚的銀納米顆粒層，進(jìn)而得到基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SERS透明器件[如圖1(f)]。 濺射過程中，保持功率為50 W，腔體真空度穩(wěn)定在6×10-4Pa。

圖1 基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SERS透明器件制備工藝流程

1.3 測試過程

首先，以去離子水為溶劑，通過梯度稀釋法配制不同濃度的R6G溶液。 然后，采用滴定蒸發(fā)法使被測試劑中的分子分布在所制備的 SERS器件上，即用移液槍吸取待測溶液3 μL，滴于裂片后約1 cm×1 cm 的開放式SERS透明器件的表面，然后在室溫下靜置約半個小時，直至溶液中的溶劑完全蒸發(fā)，被測試劑分子被固定在SERS器件的表面上。 最后，將器件置于拉曼光譜儀載物臺上進(jìn)行測試。

2 結(jié)果與分析

2.1 SERS透明器件的制備

圖2給出了SERS透明器件工藝流程中不同步驟對應(yīng)結(jié)構(gòu)的SEM照片。 圖2(a)所示為石英襯底上PI層經(jīng)過氧等離子體轟擊后形成的納米纖維森林結(jié)構(gòu)，單根納米纖維的高度約為5.8 μm，直徑約為50 nm。 幾十根相鄰的納米纖維集成納米纖維束，纖維束間距約為500 nm。 以此納米纖維森林結(jié)構(gòu)為掩模，RIE刻蝕石英襯底，之后采用BOE工藝去除掩模后，得到密集的石英納米錐森林結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示。 可以看到，石英錐高度并不均勻，其在100～600 nm之間分布，這是由于作為掩模的納米纖維的直徑并不均勻，所以當(dāng)用RIE刻蝕時，在直徑稍粗的纖維掩模下方形成的納米結(jié)構(gòu)比在直徑稍細(xì)的纖維掩模下方形成的結(jié)構(gòu)更高更粗。 在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上濺射5 nm的Ag顆粒后，得到如圖2(c)所示的SERS活性基底(也即，SERS透明器件)，圖中可以清晰地看到Ag納米顆粒隨機(jī)離散地附著在石英納米錐森林結(jié)構(gòu)上，形成豐富密集的熱點(diǎn)。

2.2 石英納米錐森林透過率測試

圖3給出了石英納米錐森林結(jié)構(gòu)在500～800 nm這一波段下的透射率光譜。 從圖中可以看出，此結(jié)構(gòu)透射率優(yōu)良，特別是在波長較長處。 而在SERS檢測常用的三個激發(fā)波長514, 633和785 nm處，其透射率分別為85%，90%和93%。 這表明石英納米錐森林結(jié)構(gòu)在制備透明SERS器件這一方向具有極大的應(yīng)用價值。

2.3 SERS透明器件性能測試

為了驗證所制備的SERS透明器件的性能，分別在此器件的正面和背面開展SERS光譜信號的測試。 圖4(a)和圖4(b)分別是這兩種測試方式下被測試劑分子和激光相互作用的示意圖。 激光從器件正面上方入射到器件表面時，入射激光先經(jīng)過被測試劑分子，再照射到被測試劑分子下方附著于石英錐納米森林結(jié)構(gòu)表面的金屬納米顆粒上激發(fā)SPR。 當(dāng)激光經(jīng)過被測試劑分子時會被這層分子吸收、反射、散射掉一部分能量，導(dǎo)致拉曼光譜信號被減弱，且被測試劑分子濃度越高，信號強(qiáng)度減弱越嚴(yán)重[8]。 然而，當(dāng)拉曼激光從器件背面入射到SERS器件上時，此時被測試劑分子的厚度對入射激光和散射的SERS光譜信號干擾都最小。 另外，在測試所用波長(633 nm)處石英納米錐森林結(jié)構(gòu)對入射激光的透過率為90%，因此入射激光很容易穿透石英襯底，在器件正面，被測試劑分子下面的金屬納米結(jié)構(gòu)表面激發(fā)SPR。 此外，拉曼光譜信號在返回信號收集器的路徑上也沒有被測試劑分子對其的阻擋和吸收，從而可以得到較好的檢測效果。

圖2 (a)納米纖維森林結(jié)構(gòu)的SEM照片，(b)石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的SEM照片，(c)SERS透明器件的SEM照片

Fig.2(a)SEMimageofthenanofiberforests, (b)SEMimageofquartznanoconeforests, (c)SEMimageofstructuresonaSERStransparentdevice

圖3 石英納米錐森林結(jié)構(gòu)透射率光譜

對濃度為10-3～10-6mol·L-1的R6G分子的SERS光譜信號進(jìn)行測量，其結(jié)果如圖5(a)—(d)所示。 為了更好對比兩種方法得到的SERS光譜信號強(qiáng)度，取1 360和1 510 cm-1波數(shù)處的光譜信號強(qiáng)度值進(jìn)行分析，結(jié)果如圖5(e)和(f)所示。 從圖中可明顯看到，采用背面入射檢測方式時，SERS光譜信號強(qiáng)度(黑色曲線)隨著R6G分子濃度的下降而單調(diào)降低，且線性度較好。 而對于正面檢測情況，SERS光譜信號(紅色曲線)強(qiáng)度隨著R6G分子濃度的下降先上升后下降，在被測試劑分子濃度較高時其強(qiáng)度反而較低(如10-3mol·L-1)，這正是由于高濃度被測試劑分子形成了較厚的分子層，對入射光具有遮擋作用。 而當(dāng)濃度降低時，分子對激光的遮擋作用在減弱，信號強(qiáng)度增大，隨后，當(dāng)分子濃度進(jìn)一步減小時，由濃度減小造成的信號變?nèi)踹@一作用成為影響信號強(qiáng)度的主要因素。 而且更為重要的是，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面檢測所得信號強(qiáng)度都高于正面檢測所得信號強(qiáng)度，在被測試劑分子濃度較高的時候，相差更大； 當(dāng)分子濃度逐步降低時，隨著被測試劑分子數(shù)量的減少，分子對光傳播過程的影響變小，表現(xiàn)為兩種檢測方式下信號強(qiáng)度差距也在逐步減小。 以10-3mol·L-1的R6G試劑檢測結(jié)果為例，背面檢測所得的信號強(qiáng)度約是正面檢測信號的5倍。 而對于10-6mol·L-1的R6G分子，正面檢測所得的信號強(qiáng)度接近背面檢測所得的信號強(qiáng)度。

圖4 SERS器件測試過程中激光、被測試劑分子與SERS透明器件表面的金屬納米結(jié)構(gòu)之間的作用關(guān)系示意圖

Fig.4Schematicdiagramoftheinteractionbetweenthelaser,themoleculesandthemetalnanostructuresonthesurfaceoftheSERStransparentdeviceduringtheSERSdevicetest

(a)： Laser incident from the front-side； (b)： Laser incident from the back-side

圖5 (a)—(d) SERS透明器件上不同濃度R6G分子(10-3～10-6mol·L-1)正反面檢測所得SERS信號，以及(e)和(f) SERS信號在1 360和1 510 cm-1峰的強(qiáng)度隨分子濃度的變化，激光波長為633 nm

Fig.5(a)—(d)SERSspectraofR6Gmoleculeswithdifferentconcentrations(10-3～10-6mol·L-1)detectedfromthefront-sideandback-sideonaSERStransparentdevice; (e), (f)IntensitiesofSERSspectraat1360and1510cm-1peaksasafunctionofmolecularconcentrations,thewavelengthofthelaseris633nm

圖6 (a)SERS透明器件上10個不同位置處背面檢測所得的SERS光譜信號，激光波長為633 nm

Fig.6(a)SERSspectraobtainedfromtheback-sideofthetransparentdeviceat10differentlocations,thewavelengthofthelaseris633nm

為了進(jìn)一步研究該SERS透明器件背面檢測方法的檢測一致性，使用10-6mol·L-1的R6G試劑通過背面檢測的辦法在該器件表面測量了10個不同位置處的SERS信號，所得SERS譜線如圖 6所示。 通過對SERS譜線中1 510和1 360 cm-1的峰值強(qiáng)度進(jìn)行相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)的計算，得到該器件在這兩個峰值處的RSD分別為16.7%和15.6%。 這一結(jié)果表明所制備的 SERS透明器件具有較好的檢測一致性。

3 結(jié) 論

提出了一種制備石英納米錐森林結(jié)構(gòu)的新型工藝方法，并基于石英納米錐森林結(jié)構(gòu)開發(fā)了一種制備SERS透明器件的辦法。 對于這種SERS透明器件，在測試過程中，拉曼激光可從器件的正面以及背面分別入射。 測試結(jié)果表明，對于R6G試劑，在10-3～10-6mol·L-1這一濃度范圍內(nèi)，背面入射所得SERS譜線信號強(qiáng)度要好于正面入射的結(jié)果。 另外，該SERS透明器件背面檢測的一致性較好，證明了其在實際生化檢測中的可行性。 這一工作有望擴(kuò)展SERS在分析物檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用。