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微流控SERS芯片原理及发展

近年来,光学与光谱学技术发展成为了一种高灵敏、快速、高效并且无损的检测成像手段,其中表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是最常用的光谱方法之一SERS光谱具有诸多优点,例如可作为分子的指纹光谱进行无标检测,其超高的灵敏度可以实现单分子检测,窄峰宽可实现多元检测等,在生物传感上有着广泛的应用。

自被发现以来,拉曼散射一直倍受关注。拉曼光谱与分子振动能级相关,可以提供每种分子独一无二的“指纹”信息。这使得拉曼光谱在研究物质成份时十分方便有效。同为振动光谱的红外光谱(IR)技术在材料分析等领域也有广泛应用,然而水有着很强的红外吸收,容易产生较强的背景。相反地,水的拉曼散射信号非常弱,不会对样品的信号产生显著干扰。因此,在分析水溶液样品时,拉曼光谱相比红外光谱更有优势。然而,物质的拉曼散射信号强度通常较低,导致拉曼散射光谱技术的灵敏度不高。尤其对于低浓度的痕量样品来说,拉曼散射信号甚至会无法探测到。幸运的是,1974年Fleischmann首次发现粗糙金属表面可以极大地增强拉曼散射,增强倍数可达103104。这一异常增强现象被称为SERS效应。SERS发现对拉曼光谱的发展产生了深远的影响和有力的推动。其后,人们对SERS效应中金属(特别是贵金属)增强拉曼散射信号的原理进行了深入的研究,目前人们广泛认可的增强机制为长程电磁增强(electromagnetic enhancement, EE)和短程化学增强(chemical enhancement, CE)的协同作用。

金属粒子增强局部电磁场强的能力主要来自于其等离激元(plasmon)的性质。等离激元为金属的自由电子的振荡。等离激元可分为发生在宏观表面的表面等离激元极子(surface plasmon polaritons, SPP)和发生在纳米结构中的局域表面等离激元(localized surface plasmons, LSP)。 1(a)可以显示出这一过程。振荡的电子云与电磁场矢量相反方向运动,在入射光激发下金属纳米粒子会产生自己的偶极子场来增强局域光场。当入射光接近局域表面等离子体共振(LSPR)频率时场增强效果会变得更好。当增强的入射光激发附近的拉曼分子时,散射出来的场又会被金属纳米粒子增强( 1(c)1(d))。于是有了SERS增强的经典公式:

SERS增强公式

电子云振荡的图示 

1 (a) 电子云振荡的图示,对于小于光波长的纳米粒子而言其电子云振荡方向与电场矢量方向相反; (b)描绘正文中公式1的参数; (c)在光激发下金属纳米粒子发射的偶极子场; (d)入射场和出射场的电磁增强

式中,Eloc为局域场的振幅,E0为入射场的振幅,εm为金属纳米粒子的介电常数,εs为环境的介电常数( 1(b))。由公式(1)也可推断出最理想的增强金属为铜、银和金,因为这些金属不仅吸光度低,并且可以在光学频率上支持局域表面等离子体共振。处在电磁场的纳米结构在其尖端或边缘增强因子最强,可达到1010数量级。如果将拉曼分子置于纳米粒子表面的这些位置,可以得到非常可观的SERS信号。

相对电磁增强而言,化学增强是一种非常短程的效应,只影响到吸附在金属表面或者几埃(Ǻ)范围内的拉曼分子,而且增强因子通常也比较小,只有101~102。化学增强的机制产生于一个自由分子被金属表面吸引时电子结构的改变,有4种过程可以产生这种化学增强:吸附在金属表面分子极化度的增加;分子-金属复合物的电子转移共振;共振散射的增强以及等离子体共振的增强。这4种过程互相关联,很难单独量化每一个成分对化学增强总体的贡献。

于是SERS信号强度的增强因子(EF)可以由电磁增强(EE)和化学增强(CE)相乘得到(EF=EE×CE)。而这两种增强因子较难量化,因此一般利用以下公式计算增强因子:

计算增强因子 

式中,ISERSIRFM分别表示待测物的SERS信号强度和未经增强的拉曼散射信号强度,NsurfaceNbulk分别表示SERS和拉曼散射检测中被激发待测分子数。有关SERS的报道中,增强因子从1071015不等。在实际研究中拉曼分子的SERS增强效果会被很多因素影响,例如分子-金属的相互作用、激发光以及SERS基底。

对于金属表面的拉曼分子而言,分子取向会影响SERS光谱。如果局域电场的极化与金属表面垂直,则吸附分子的拉曼模式中垂直于表面的极化张量被选择性增强。这一选择性增强造成的结果是,不同浓度下SERS光谱中有新的峰出现或有的峰消失,尤其是被测拉曼分子中有很多不同的官能团时这一现象更容易出现。这种现象最早由表面选择规则(Surface Selection Rules, SSR)描述。高度对称的分子散射主要取决于与对称相关的选择性规则,如中心对称的分子吸附到金属表面时其对称性被破坏而使不同的峰被增强。

对于激光的影响,主要是当激发等离子激元的激光频率与分子能量相当时会产生表面增强共振拉曼散射(SERRS),拉曼信号会得到极大的增强。虽然等离子激元共振频率很难精确的匹配分子的电子转移频率,但在实际研究中发现,即使二者相差250 nm左右时依然可以激发SERRS。与SERS相比,SERRS中的增强因子会有由共振引起的额外的增强效应,但SERRS所得到的强度很大程度上依赖于激发波长。

值得注意的是,SERS基底对SERS信号的影响十分显著,因此SERS基底是很多研究的重点。由于金、银等贵金属的SERS增强效果最佳,一般的SERS研究都以金、银或其合金作为基底。在SERS基底中,能提供拉曼增强的区域被称为热点(hot spot),主要为纳米粒子的聚集处。热点处的电场被极大地增强,从而产生显著的拉曼增强。至今,研究者们已经提出了各种各样的SERS基底,而这些基底中必不可少的就是为SERS增强做主要贡献的热点区。Song等人的综述文章中将热点的发展分为三代。

第一代SERS基底为简单的纳米粒子结构,如 2(a)2(c)。这类SERS基底通常是具有特殊几何形貌的金属纳米粒子,他们的尖角或边缘等处可形成有效的热点。因此虽然结构简单,也可以获得较大的拉曼增强效果。典型的代表有,球形金纳米颗粒、球形银纳米颗粒、棒状金纳米颗粒、星形金纳米颗粒、三角形银纳米颗粒等。我们课题组也制备出了多种SERS基底,例如金纳米星、金纳米团簇、银纳米棱镜等( 2(d)2(f))。

纳米粒子的TEM图 

2 (a) 金纳米粒子的TEM图;(b)银纳米粒子的TEM图;(c)盐酸处理过的金纳米棒的TEM图;(d)金纳米星的TEM图;(e)4MBA标记的金团聚体的TEM图;(f)银纳米棱镜的TEM

第二代SERS基底为纳米粒子组装体,通过组装体内粒子间的电磁场耦合作用产生热点以达到SERS增强的效果。 3是典型的多聚体、纳米卫星的TEM照片。制备这种纳米组装体时,通常需要精密的设计。例如,可通过静电作用、DNA或小分子等进行纳米颗粒的组装,并对组装实验进行优化以保证一定的产率。得益于丰富的热点,利用这类纳米粒子组装体作为SERS基底时,获得的SERS信号强度能比第一代SERS基底高2~4个数量级。

纳米三聚体的TEM图 

3 (a) L形纳米三聚体的TEM图,在二氧化硅壳内包裹三个修饰PCEPE的金核;(b)3D自组装等离子体超结构的TEM图,在硅壳内包裹80纳米金核和众多单分散的20纳米金纳米卫星粒子

第三代SERS基底指有序的阵列基底,它们可以提供更均匀的SERS增强效果。从整体上看,前两代SERS基底具有较随机的结构,即便是同批制备的基底(例如金纳米星),彼此之间的SERS增强因子差别仍可能较大,使得SERS信号的均一性不佳。第三代有序阵列SERS基底在第一、二代基底的基础上,将第一、二代SERS基底与硅、PDMS等基质材料结合,制作均匀的阵列结构。例如,使第一代或第二代基底在硅衬底上以一定的规律排布,即可获得按规律排列的热点阵列。如 4,经典的第三代SERS基底有纳米天线阵列、纳米柱阵列、SHINERS阵列、纳米球平板印刷(NSL)阵列等。这些阵列基底的制备大多采用物理方法,利用高度发达的纳米工艺对材料的形貌实现精密的控制。规则的阵列可以使SERS热点排布更加均匀,测得的信号也具有良好的可重复性及可靠性。SERS基底制备工艺的发展对推进SERS的应用起到了关键作用。正是由于SERS基底有着如此多元的制作方法和工艺,使人们可以方便地赋予SERS很多功能,因而SERS正逐渐被应用于越来越广泛的领域。

BT修饰的Ag-PAO模板的SEM图 

4 (a) BT修饰的Ag-PAO模板的SEM图,由氧化铝基质在0.1 M氢氧化钠溶液中部分分解得到;(b)52°倾角的带有6纳米IPS150 nm硅纳米柱的NOSP二聚体SEM图;(c)非接触模式TERS(d)SHINER:壳分离模式;(e)用纳米球印刷术制成的规则SERS基底方法示意图

 

文献来源中国光学DOI: 10.3788/CO.20181103.0513

作者:王志乐, 王著元, 宗慎飞, 崔一平.

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