付興虎， 王振興， 馬雙玉， 趙 飛， 蘆 鑫， 付廣偉， 金 娃， 畢衛(wèi)紅

燕山大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 河北省特種光纖與光纖傳感重點實驗室， 河北 秦皇島 066004

引 言

拉曼光譜是物質(zhì)的一種非彈性散射光譜， 具備非標(biāo)記、 非侵入性、 對樣品無損害等優(yōu)點， 能夠反映出分子的結(jié)構(gòu)信息， 且受水分子影響很小， 因此拉曼光譜在許多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。 然而， 普通拉曼散射光譜存在拉曼信號弱、 靈敏度低、 熒光干擾強等缺點， 并不能滿足實際應(yīng)用的需求。 20世紀(jì)70年代， 表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)的出現(xiàn)有效解決了拉曼光譜信號微弱的不足。 1974年， Fleischmann等[2]通過電化學(xué)法氧化還原粗糙化的銀電極時， 發(fā)現(xiàn)吡啶分子吸附在粗糙銀表面會產(chǎn)生較強的拉曼信號， 由此SERS現(xiàn)象首次被觀察到。 由于SERS技術(shù)對拉曼信號的顯著放大和高靈敏度， 且它是一種無需處理樣品的快速檢測手段， 因此在基礎(chǔ)和實際應(yīng)用方面引起了世界范圍內(nèi)的廣泛關(guān)注[3-4]。 隨著光纖制造技術(shù)的高速發(fā)展， 光纖信號傳輸?shù)男阅鼙粯O大地提高。 近幾年來， 人們將光纖傳感技術(shù)與SERS光譜技術(shù)相結(jié)合， 制備了光纖SERS探針， 大大提高了被測樣品的SERS激發(fā)和收集效率。 光纖SERS探針用于SERS光譜可以獲得被測樣品更為豐富的光譜信息， 在食品安全檢測[5]、 農(nóng)殘化學(xué)分析[6]、 生物醫(yī)學(xué)檢測[7-8]等多種領(lǐng)域， 可實現(xiàn)低濃度樣品分子的檢測和SERS信號原位、 在線及遠程探測分析。

光纖SERS探針的制備主要包括溶膠自組裝法、 激光誘導(dǎo)化學(xué)沉積法(LICDM)、 磁控濺射法等。 Yin等[9]基于飛秒激光燒蝕和LICDM制備了具有高性能的新型U形光纖SERS探頭。 以R6G為探針分子， U形光纖SERS探針的靈敏度低至10-8mol·L-1， 比單端面的探針提高了約4倍。 張書山等[10]通過溶膠自組裝法將銀納米顆粒組裝到光纖表面， 通過調(diào)控自組裝時間為6 h， 得到性能最佳的光纖探針。 以對巰基苯胺(PATP)作為探針分子， 在10-4～10-8mol·L-1范圍內(nèi)利用該光纖探針對PATP溶液進行定量分析， 但是該方法溶膠自組裝時間較長， 尋找最佳的光纖SERS探針?biāo)钑r間較長。 盛子城等[11]通過磁控濺射法在空芯微結(jié)構(gòu)光纖的內(nèi)表面修飾一層銀納米膜， 制備成SERS探針， 并用稀釋法配制了不同濃度的R6G酒精溶液， 最后利用空芯光纖探針的近端和遠端分別探測到了濃度為10-9與10-6mol·L-1的R6G的拉曼信號。 為了能夠簡單、 快速的尋找出增強效果最強時的光纖結(jié)構(gòu)參數(shù)， 本文提出先采用納米銀溶膠基底檢測， 再以磁控濺射法制備出高性能的光纖SERS探針。

首先經(jīng)過氫氟酸(HF)腐蝕出微腔結(jié)構(gòu)， 然后再通過納米銀溶膠基底與R6G混合找到增強效果最佳時的微腔腐蝕時間及長度； 再采用簡易磁控濺射法對光纖微腔結(jié)構(gòu)表面修飾一層納米銀膜； 最后利用R6G溶液作為探針分子對所制備的光纖SERS探針進行性能測試。

1 實驗部分

1.1 試劑、 儀器及參數(shù)

漸變折射率多模光纖(包層125 μm， 芯徑62.5 μm)購于武漢長飛光纖光纜股份有限公司； HF(40%)， 硝酸銀(99.8%)， 檸檬酸鈉(99%)， 乙醇( 99.7%)， 羅丹明 6G(98%)購于阿拉丁試劑有限公司； 銀靶(直徑： 50.8 mm， 厚度： 3.175 mm， 純度： 99.99%)購于中國材料科技有限公司； 所有溶液制備均使用去離子水(18.25 MΩ)。

實驗使用的拉曼光譜儀為i-RamanPlusTM， 其光譜范圍為0～3 500 cm-1。 i-RamanPlus通過USB線與電腦上安裝的BWRam4TM軟件進行連接。 采用圖1所示的SERS光譜檢測系統(tǒng)對光纖SERS探針性能進行測試， 選擇的激發(fā)光源波長為785 nm， 標(biāo)準(zhǔn)光纖探頭輸出的785 nm激光經(jīng)準(zhǔn)直耦合至一段約15 cm長的光纖探針。 經(jīng)多次測試， 設(shè)置拉曼光譜儀激光功率百分比為100%(最大激發(fā)功率為300 mW)，每個樣本掃描10次并取均值作為該樣本光譜數(shù)據(jù)， 積分時長設(shè)置為3000 ms， 本實驗所有光譜均以此參數(shù)采集得到。

圖1 微腔型光纖探針的SERS光譜檢測裝置Fig.1 Experimental device for SERS spectrumdetection of micro-cavity fiber probe

1.2 方法

采用化學(xué)腐蝕法制備微腔型光纖探針結(jié)構(gòu)， 所用的腐蝕液為HF， 再采用物理磁控濺射法制備了銀修飾的光纖SERS探針。 具體實驗操作流程如下：

(1)截取長度約為15 cm的漸變折射率多模光纖； 光纖過長導(dǎo)致光纖固定時發(fā)生微小偏移； 光纖纖芯較小會使拉曼光耦合到光纖接收端的耦合效率降低。 光纖一端(活性端)剝?nèi)?.5 cm的涂覆層， 用于制作探針， 另一端(接收端)剝?nèi)? cm的涂覆層， 用于拉曼系統(tǒng)物鏡端的聚焦， 用無水乙醇擦拭剝?nèi)ネ扛矊拥牟课唬?并用光纖切割刀將兩端切掉， 保證兩端面的平潔， 再次擦拭其表面， 清洗掉光纖上的碎屑；

(2)將適量腐蝕液放入塑料小燒杯中， 自制一個腐蝕支架， 將10根光纖固定在支架上， 使光纖活性端浸入HF溶液中， 總腐蝕時間為10 min， 腐蝕期間每隔1 min取出一根光纖， 并放入無水乙醇溶液中， 防止光纖上殘留的HF繼續(xù)腐蝕光纖。 在顯微鏡下測量不同微腔長度， 最終得到如圖2(a)的結(jié)果， 可見光纖微腔長度隨著腐蝕時間逐漸增大， 為了進一步說明微腔長度隨腐蝕時間變化的穩(wěn)定性， 圖2(b)為10組光纖微腔平均長度隨腐蝕時間的變化規(guī)律圖。

圖2 微腔長度隨腐蝕時間的變化(a)： 顯微鏡圖； (b)： 定量結(jié)果圖Fig.2 The change of micro-cavity length with etching time(a)： Microscope image; (b)： Quantitative result figure

(3)用不同腐蝕時間的光纖測試納米銀溶膠與R6G以不同順序及比例混合的液體的SERS增強效果， 得出拉曼信號增強效果最佳時混合順序及比例； 隨后以此混合溶液找到SERS增強效果最強的微腔腐蝕時間及腔長；

(4)采用磁控濺射法對腐蝕5 min的光纖活性端表面修飾一層納米銀膜， 濺射時間為10 min。

光纖微腔傳感區(qū)域的腔長與腐蝕的時間有關(guān)， 由于使用的光纖為漸變折射率多模光纖， 纖芯的腐蝕速率比包層快， 所以光纖會呈現(xiàn)微腔結(jié)構(gòu)。

1.3 探索光纖SERS性能最佳時的腔長

以納米銀溶膠和R6G混合法， 探索不同混合順序及比例對SERS增強效果的影響， 旨在尋找增強效果最佳時的光纖腐蝕時間和微腔長度大小。 采用經(jīng)典Lee&Meisel的化學(xué)加熱法制備納米銀溶膠基底。 將18 mg的硝酸銀和20 mg的檸檬酸鈉分別溶解于100和2 mL的去離子水中， 將檸檬酸鈉溶液加入到煮沸的硝酸銀溶液中加熱再降至室溫留用， 觀察反應(yīng)試劑顏色由無色逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榛揖G色， 表明納米銀溶膠制備成功。

采用腐蝕時間為5 min的光纖， 以10-3mol·L-1的R6G溶液為探針分子， 將所制備的納米銀溶膠與R6G以不同的混合順序及比例混合成6種不同的溶液(A： 銀溶膠， R： 10-3mol·L-1的R6G溶液； A∶R=1∶1， R∶A=1∶1， A∶R=2∶1， R∶A=2∶1， A∶R=1∶2； R∶A=1∶2)進行實驗測試， 找到最佳的混合順序及比例。 尋找增強效果最佳時的混合溶液實驗結(jié)果如圖3所示。

圖3(a)顯示了6種混合納米銀溶膠基底中濃度為10-3mol·L-1的R6G的拉曼信號。 R6G在不同混合溶液基底的拉曼信號強度明顯不同， 可以看出A∶R=1∶1的混合溶液的拉曼信號增強效果最好。

圖3(b)是選擇以1 510 cm-1為中心的顯著拉曼帶來定量顯示拉曼信號增強效果最好時的納米銀溶膠基底與R6G的混合順序及比例。 顯然， 當(dāng)A∶R=1∶1時， 混合溶液相比與其他混合溶液獲得了最大的增強效果分別是來自R∶A=1∶1， R∶A=1∶2， A∶R=2∶1， R∶A=2∶1和A∶R=1∶2的混合溶液的1.07， 1.57， 1.29， 4.20和3.06倍， 說明所制備的納米銀溶膠基底具有很強的增強效果。

圖3 尋找拉曼增強效果最佳時的混合溶液實驗結(jié)果(a)： 納米銀溶膠與R6G的不同混合順序及比例； (b)： 拉曼位移1 510 cm-1處， 不同混合溶液的拉曼強度Fig.3 Experimental results of the mixed solution to find the best enhancement effect(a)： Raman spectra of nano silver sol and R6G solutions mixed with different mix orders and ratios;(b)： Raman intensity of different mixed solutions at Raman shift of 1 510 cm-1

光纖微腔的長短影響微腔拉曼表面積的大小， 為了選取合適的微腔大小， 采用10-3mol·L-1的R6G溶液為探針分子與所制備的納米銀溶膠納米基底以A∶R=1∶1的進行混合， 研究光纖微腔長度對SERS增強性能的影響。

如圖4(a)所示， 在1 184， 1 311， 1 362， 1 510， 1 575和1 651 cm-1處， 拉曼特征峰清晰可見。 腐蝕時間1～5 min內(nèi)， 隨著腐蝕時間的增大， 各特征峰的拉曼強度也不斷增大； 腐蝕時間在6～10 min內(nèi)， 隨著腐蝕時間的增大， 各特征峰的拉曼強度不斷減小。 為了更加清晰地看出拉曼強度隨光纖腐蝕時間的變化規(guī)律， 選擇特征峰在1 510 cm-1處的拉曼強度進行分析， 從圖4(b)中可以看出， 在1～5 min內(nèi)， 拉曼強度隨著腐蝕時間的增加而增大， 當(dāng)腐蝕時間超過5 min， 可以觀察到拉曼強度逐漸降低。 因此， 在同一條件下用HF腐蝕的微腔型光纖， 腐蝕時間為5 min時的SERS增強效果最佳。

圖4 微腔光纖SERS實驗結(jié)果(a)： 不同腐蝕時間的光纖微腔SERS結(jié)果； (b)： 拉曼位移1 510 cm-1處， 不同腐蝕時間的光纖微腔拉曼強度Fig.4 Micro-cavity fiber SERS experiment results(a)： SERS results of optical fiber micro-cavity with different etching time;(b)： Raman intensity of fiber micro-cavity with different etching time at Raman shift of 1 510 cm-1

1.4 光纖SERS基底的制備

本文微腔型光纖SERS探針表面銀納米薄膜的修飾采用的是簡易物理磁控濺射法， 如圖5所示為Ag/MMF-10基底的制備流程。 制備樣品基底前， 先用酒精清洗微腔光纖結(jié)構(gòu)表面， 去除吸附在光纖表面上的雜質(zhì)。 將制備好的腐蝕時間為5 min的光纖微腔結(jié)構(gòu)固定在硅片上放入射頻磁控濺射系統(tǒng)中， 在光纖表面濺射銀納米薄膜。 濺射前， 使用氬氣先對濺射腔內(nèi)進行等離子體清洗， 時間為5 min， 氬氣流速為5 sccm； 濺射時， 濺射室壓力設(shè)置為35×10-3Pa， 工作電壓為90 V， 工作電流為170 mA； 設(shè)置磁控濺射時間為10 min。

圖5 物理磁控濺射法對光纖活性端修飾銀納米顆粒Fig.5 The active fiber tip modified with silver nanoparticles by magnetron sputtering method modified with silver nanoparticles by magnetron sputtering method

2 結(jié)果與討論

由于R6G性質(zhì)穩(wěn)定、 SERS活性較強而被廣泛用于SERS增強效果檢測。 因此， 本實驗采用R6G溶液表征光纖SERS探針的增強效果。 實驗以去離子水配制了濃度為10-3～10-7mol·L-1的R6G溶液。

2.1 微腔型光纖SERS探針性能測試

采用磁控濺射法對腐蝕時間為5 min的光纖微腔表面修飾納米銀膜， 濺射時間為10 min， 制備成Ag/MMF-10， 并測試其在10-3～10-7mol·L-1濃度下對R6G的靈敏度響應(yīng)。 結(jié)果如圖6所示。

圖6 探針性能實驗結(jié)果(a)： 靈敏度測試； (b)： 拉曼光譜以1 362 cm-1為中心的logI與logC之間的線性關(guān)系Fig.6 Probe performance results(a)： Sensitivity test; (b)： Linear relationship between logI and logC centered at 1 362 cm-1 in Raman spectrum

在圖6(a)中可以看出拉曼強度隨R6G濃度的降低而衰減。 在1 184和1 510 cm-1處的特征峰即使在10-7mol·L-1的低濃度下也能被識別， 這表明R6G的檢測限(LOD)為10-7mol·L-1。 這種較低的LOD可能是特定長度的光纖微腔結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的， 合適的微腔長度會增大銀納米粒子的附著面積， 進而增大拉曼散射面積， 進一步增加Ag/MMF-10的LOD。 為了證明Ag/MMF-10基底的定量檢測能力， 圖6(b)描繪了以1 362 cm-1為中心的拉曼強度作為R6G濃度的函數(shù)。 當(dāng)濃度轉(zhuǎn)換成對數(shù)標(biāo)度時， logC和logI之間的響應(yīng)呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，R2的值高達0.980。 這一合理的線性結(jié)果進一步證明了基于磁控濺射技術(shù)制備的Ag/MMF-10基底的快速檢測方法在未知濃度R6G溶液檢測中具有很強的應(yīng)用潛力。 濃度為10-3～10-7mol·L-1的R6G的不同特征峰處的logC和logI的線性關(guān)系如表1所示。

表1 R6G濃度與R6G特征峰拉曼強度之間的線性關(guān)系Table 1 Linear relationships between R6G concentrations and Raman intensities at characteristic peaks of R6G

一個良好的SERS基底除了具有高靈敏度外， 還應(yīng)具有再現(xiàn)性等關(guān)鍵性能， 這在很大程度上影響了其可靠性和實用性。 為了評估Ag/MMF-10基底的拉曼信號的再現(xiàn)性， 取13個同批次的Ag/MMF-10基底分別對13組濃度為10-4mol·L-1的R6G溶液樣本測試。 再現(xiàn)性測試結(jié)果如圖7(a)所示。

圖7(a)為13個隨機拉曼光譜， 可以看出光譜的所有形狀匹配良好， 既沒有位置的移動， 也沒有大幅度的強度明顯變化。 通常， 用拉曼強度的相對標(biāo)準(zhǔn)差(RSD)值評估SERS基底的再現(xiàn)性。 SERS檢測的RSD值小于20%， 表明所使用的基底具有良好的再現(xiàn)性。 RSD值是根據(jù)式(1)[13]計算的， 表2為R6G的不同主峰處的RSD值， 可以看出所制備的光纖SERS基底具有良好的再現(xiàn)性。

表2 R6G不同主峰的RSD值Table 2 RSD values at different major peaks of R6G

圖7 實驗結(jié)果(a)： 光纖SERS探針再現(xiàn)性測試； (b)： 光纖探針與裸光纖測得的拉曼光譜Fig.7 Experimental results(a)： Reproducibility test of fiber SERS probe; (b)： Raman spectra of fiber probe and bare fiber

2.2 增強因子(AEF)的計算

通常， 將AEF的計算數(shù)值作為評估SERS系統(tǒng)的SERS增強性能。 根據(jù)式(2)[14-15]可計算AEF值， 通過AEF值來定量分析Ag/MMF-10基底的增強效果。

式(2)中， ISERS是吸附在SERS基底上待測分子的SERS強度； IR表示待測分子的普通拉曼強度； cSERS是SERS光譜中待測分子的濃度； cR是普通拉曼光譜中待測分子的濃度。

圖7(b)中a線為Ag/MMF-10測得10-6mol·L-1的R6G溶液的光譜， b線為用裸光纖測得10-1M的R6G的光譜。 可以看出， 由于共振拉曼散射截面比熒光散射截面小很多， 裸光纖測得了十分微弱的拉曼信號。 而當(dāng)裸光纖修飾上銀納米顆粒后， 由于金屬顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)， 使得R6G分子的拉曼信號被極大增強。 在拉曼位移1 510cm-1處， 裸光纖探針上測試了濃度為10-1mol·L-1的R6G， 拉曼強度為1.88×102， 而在光纖SERS基底上測得濃度為10-6mol·L-1的R6G的拉曼強度為3.63×103。 經(jīng)過計算后得到AEF的值為1.93×106。 當(dāng)選擇其他拉曼帶時，AEF的計算值如表3所示。

表3 以1 184， 1 311， 1 362， 1 575和1 651 cm-1為中心的拉曼光譜帶的AEFsTable 3 AEFs of the Raman band centered at 1 184， 1 311， 1 362， 1 575 and 1 651 cm-1

3 結(jié) 論

先以納米銀溶膠基底與R6G混合找到SERS增強效果最強的光纖微腔結(jié)構(gòu)， 再通過簡易直流磁控濺射系統(tǒng)濺射10min， 在光纖活性端表面鍍上銀納米薄膜， 成功獲得Ag/MMF-10襯底。 當(dāng)以R6G為探針分子時， 具有大量“熱點”的Ag/MMF-10基底顯示，Ag/MMF-10探針的遠端檢測限可達到10-7mol·L-1， 對濃度為10-6mol·L-1的R6G的AEF高達2.64×106， 再現(xiàn)性實驗檢測的RSD值小于10%， 表明Ag/MMF-10基底具有優(yōu)異的靈敏度和SERS信號再現(xiàn)性， 在痕量檢測中具有潛在的應(yīng)用前景。 下一步的實驗將通過優(yōu)化磁控濺射時間， 進一步提高所制備的光纖SERS基底的檢測限。