基于溶致液晶制備SERS基底的拉曼光譜一致性研究

為了制備SERS基底，首先需要配制溶致液晶軟模版。制備SERS基底使用的溶致液晶由表面活性劑、油和水混合而成，雙納磺基琥珀酸酯（AOT，質(zhì)量分?jǐn)?shù)98%）作為表面活性劑，對二甲苯（質(zhì)量分?jǐn)?shù)99%）作為油相，水相則用濃度為0.3 mol/L的硝酸銀溶液代替。先稱取6.353 g的AOT固體溶解于10 mL的對二甲苯溶液中，靜置至完全溶解，使用移液槍取2.521 mL的硝酸銀溶液逐滴加入燒杯中，溶液放置于攪拌器上攪拌1 h，顏色逐漸變深至橙黃色。將攪拌完的溶液放置于20 ℃恒溫槽靜置2 h，經(jīng)過相分離后，AOT連接油相和水相形成油包水的反膠束狀態(tài)，形成溶致液晶。

SERS基底采用電化學(xué)沉積方法制備，其裝置如圖1所示。分別采用銀板和氧化銦錫（ITO）透明導(dǎo)電玻璃作為陽極和陰極，然后將其放置在溶致液晶中施加電壓進(jìn)行電化學(xué)沉積生長。兩極之間的間隙通過粘貼0.7 mm的塑料片來控制，樣品置于25 mL燒杯中，然后放置在20 ℃恒溫槽中。直流穩(wěn)壓電源在兩極加上5 V直流電壓，被定域在水相中的銀離子^［19-22］在電場作用下在軟模板限制下實(shí)現(xiàn)局域有序生長。制備前，需要先對ITO玻璃和銀板進(jìn)行清洗。將清潔劑噴在玻璃和銀板表面，使用無塵紙擦拭干凈，再將其放入去離子水中，使用超聲波清洗機(jī)清洗至玻璃與銀板表面光滑，取出烘干進(jìn)行實(shí)驗(yàn)^［23］。

圖1  SERS基底制備裝置示意圖

Fig.1  Schematic diagram of the SERS substrate preparation device

經(jīng)過3 h的電沉積^［24］，溶致液晶中的銀離子逐漸成核，最終突破軟模板的限制，在陰極ITO玻璃表面生長出銀納米花。然后利用熱場發(fā)射掃描電鏡（SEM）進(jìn)行SERS基底的形貌表征，如圖2所示。圖2（a）是制備的SERS增強(qiáng)基底，灰色區(qū)域?yàn)橹苽涞你y納米花材料；圖2（b）、（c）、（d）、（e）、（f）分別對應(yīng)圖2（a）中的5個(gè)不同位置1、2、3、4、5，可以看出ITO玻璃上生長出的花狀銀納米結(jié)構(gòu)分布均勻；圖2（g）為放大的單銀納米花，其直徑約4 μm，花瓣厚度約為100 nm。

圖2  SERS基底的SEM表征。（a）制備的SERS基底；（b）位置1；（c）位置2；（d）位置3；（e）位置4；（f）位置5；（g）單銀納米花結(jié)構(gòu)。

Fig.2  SEM characterization of the SERS substrate.（a） Fabricated SERS substrate； （b） Position 1； （c） Position 2； （d） Position 3； （e） Position 4； （f） Position 5； （g） Single silver nanoflower structure.

拉曼光譜儀的激光照射SERS基底，如圖3（a）所示。由于光斑大小與微納結(jié)構(gòu)尺寸相當(dāng)，聚焦在基底不同位置時(shí)，光斑區(qū)域內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)數(shù)量不同，如圖3（b）所示。拉曼光譜強(qiáng)度受到微納結(jié)構(gòu)數(shù)目的影響，因此不同的微納結(jié)構(gòu)數(shù)目會嚴(yán)重影響光譜強(qiáng)度的一致性。為了研究其對拉曼光譜強(qiáng)度的影響規(guī)律，定義微納結(jié)構(gòu)在光斑區(qū)域內(nèi)的表面覆蓋度^［25］：

式中：S_nano和S_exciting分別表示光斑照射區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的覆蓋面積和整個(gè)照射區(qū)域的面積。

圖3  拉曼光譜儀示意圖。（a）激發(fā)和接收光路；（b）不同聚焦位置。

Fig.3  Schematic representation of Raman spectrometer. （a） Optical setup for excitation and collection light； （b） Focused at different positions.

在實(shí)際測量SERS基底光譜強(qiáng)度時(shí)，通過拉曼光譜儀及圖像處理技術(shù)可以計(jì)算出光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)的表面覆蓋度，如圖4所示。

圖4  拉曼光譜儀測量表面覆蓋度的圖片。（a）激光打開；（b）激光關(guān)閉；（c）二值化圖像；（d）測試區(qū)域。

Fig.4  Pictures of the surface coverage measured by a Raman spectrometer.（a） Laser is turned on； （b） Laser is turned off； （c） Binarized image； （d） Testing area.

利用拉曼光譜儀控制計(jì)算機(jī)得到圖4（a），激光光斑的大小和位置基本可以確定。關(guān)閉激光，得到光斑區(qū)域內(nèi)的微納結(jié)構(gòu)分布，如圖4（b）所示。對圖像進(jìn)行二值化處理，結(jié)合圖像處理技術(shù)提取光斑區(qū)域微納結(jié)構(gòu)分布，如圖4（c）、（d）。最終根據(jù)區(qū)域內(nèi)白色面積與總面積比值計(jì)算得出表面覆蓋度^［25］。

為了研究表面覆蓋度對SERS基底拉曼光譜強(qiáng)度的影響，使用染色劑羅丹明6G（R6G）作為探針，使用HORIBA LabRAM HR拉曼光譜儀進(jìn)行拉曼光譜測量。拉曼光譜儀的工作波長為532 nm，積分時(shí)間為10 s，激光功率為0.5 mW，儀器可選用20倍、10倍和5倍的物鏡，其對應(yīng)的激光光斑大小分別為10 μm、20 μm和40 μm。為了研究基底表面覆蓋度對光譜強(qiáng)度的影響，首先制備了4片不同均勻度的SERS基底，SEM表征如圖5所示。

圖5  不同SERS基底SEM圖。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。

Fig.5  SEM pictures of different SERS substrates. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.

在10 μm尺度下SEM圖片可以看出基底的微納結(jié)構(gòu)分布，由于制備工藝無法保證基底生長情況完全一致，基底均勻度有所不同，使用拉曼光譜儀測量時(shí)，不同樣品的均勻度會對光斑區(qū)域內(nèi)結(jié)構(gòu)表面覆蓋度產(chǎn)生影響。在研究表面覆蓋度對光譜強(qiáng)度的影響時(shí)，利用20倍物鏡（10 μm光斑）在每個(gè)SERS基底上選取不同位置進(jìn)行光譜測量，得到不同位置的表面覆蓋度，拉曼光譜儀下基底分布及光斑選取區(qū)域如圖6所示。

圖6  拉曼光譜儀下不同SERS基底圖。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。

Fig.6  Pictures of different SERS substrates under the Raman spectrometer.（a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.

紅色圓圈為10 μm光斑照射區(qū)域。計(jì)算圓圈內(nèi)基底表面覆蓋度并結(jié)合拉曼光譜儀測得的光譜強(qiáng)度，最終測得的結(jié)果如圖7所示，4片SERS基底均表現(xiàn)出拉曼光譜強(qiáng)度隨著銀納米花材料表面覆蓋度的增大而增大。

圖7  SERS基底在不同表面覆蓋度下的拉曼光譜。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。

Fig.7  Raman spectra of the SERS substrate at different surface coverage levels. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.

為了定量研究表面覆蓋度和拉曼光譜強(qiáng)度之間的關(guān)系，選取羅丹明6G的一個(gè)特征峰611 cm^-1波數(shù)的光譜強(qiáng)度代表其光譜強(qiáng)度。然后將611 cm^-1波數(shù)處光譜強(qiáng)度歸一化，得到歸一化光譜強(qiáng)度隨表面覆蓋度的變化關(guān)系如圖8所示。其中▲、●、■和★分別為4片SERS基底的歸一化拉曼光譜強(qiáng)度，實(shí)線為擬合曲線?？梢钥闯觯煌诇y得的拉曼光譜歸一化強(qiáng)度的變化趨勢相似，最終擬合得到拉曼光譜強(qiáng)度與材料覆蓋度的關(guān)系：

圖8表面覆蓋度與歸一化拉曼光譜強(qiáng)度的關(guān)系。（a）基底A；（b）基底B；（c）基底C；（d）基底D。

Fig.8Relationship between the surface coverage and the normalized Raman spectral intensity. （a） Substrate A； （b） Substrate B； （c） Substrate C； （d） Substrate D.

式中r為銀納米花材料的表面覆蓋度。該經(jīng)驗(yàn)公式與本課題組實(shí)驗(yàn)初期得到的結(jié)論吻合^［23］，進(jìn)一步驗(yàn)證了該經(jīng)驗(yàn)公式的有效性。

由上可知，表面覆蓋度會對光譜強(qiáng)度產(chǎn)生較大影響，即使制備出均勻一致的SERS基底，由于測量時(shí)聚焦光斑輻照的位置不同，也會得到不同的光譜強(qiáng)度。為此，本文擬利用表面覆蓋度和光譜強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)公式，通過對測量數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理來消除表面覆蓋度的影響，從而提升SERS基底的光譜一致性，稱之為表面覆蓋度法。首先需要確定一個(gè)基準(zhǔn)表面覆蓋度，然后將測量得到的不同表面覆蓋度下的光譜強(qiáng)度，都依據(jù)公式（2）歸結(jié)到基準(zhǔn)表面覆蓋度下，求出在該表面覆蓋度下光強(qiáng)強(qiáng)度，這樣便可以消除表面覆蓋度的影響。為此，以測量光譜強(qiáng)度的平均值對應(yīng)的表面覆蓋度作為基準(zhǔn)覆蓋度。設(shè)在SERS基底上測量n個(gè)拉曼光譜，其強(qiáng)度平均值：

式中I_i是第i個(gè)光譜強(qiáng)度。根據(jù)公式（2）便可求出光譜強(qiáng)度平均值μ對應(yīng)的表面覆蓋度，即基準(zhǔn)表面覆蓋度：

對于所有表面覆蓋度為r_測、光譜強(qiáng)度為I_測的實(shí)測點(diǎn)，歸結(jié)到基準(zhǔn)覆蓋度r_基后，其光譜強(qiáng)度為：

利用該式即可將所有測量光譜強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為歸集到基準(zhǔn)表面覆蓋度的光譜強(qiáng)度，消除表面覆蓋度的影響。

實(shí)際上，除了表面覆蓋度的影響之外，基底微納結(jié)構(gòu)的均勻一致性也會影響光譜強(qiáng)度的一致性。因此，須分析歸集到基準(zhǔn)表面覆蓋度后的光譜一致性。通常采用變異系數(shù)（相對標(biāo)準(zhǔn)差RSD）來評價(jià)SERS基底的拉曼光譜一致性：

式中：σ為拉曼光譜強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)差，μ為拉曼光譜強(qiáng)度的平均值。變異系數(shù)越小，SERS基底的光譜一致性越高。利用該式可以求解SERS基底拉曼光譜一致性，進(jìn)而評價(jià)表面覆蓋度法的有效性。

為了驗(yàn)證表面覆蓋度法的有效性，基于制備的4片基底的拉曼光譜數(shù)據(jù)，首先利用公式（6）計(jì)算其變異系數(shù)，然后再利用表面覆蓋度法和公式（5）對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行歸集處理，進(jìn)而計(jì)算得到變異系數(shù)，最終結(jié)果如圖9所示?？梢钥闯?，依據(jù)原始測量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的4片基底的變異系數(shù)分別為34.2%、24.2%、18.6%和9.3%，光譜一致性較差，且不同基底之間差異較大。利用表面覆蓋度法處理后，4片基底的變異系數(shù)分別減小到6.3%、6.2%、6.2%和5.7%，且不同基底的變異系數(shù)經(jīng)改進(jìn)后都減小到6%左右。該結(jié)果表明，對于10 μm的檢測激光光斑，表面覆蓋度法能將不同基底的拉曼光譜變異系數(shù)減小到6%左右，大幅提升了SERS基底的光譜一致性。

圖9  不同基底的變異系數(shù)

Fig.9  Coefficient of variation for different substrates

為了研究激光光斑面積對拉曼光譜一致性的影響，分別選取20倍、10倍和5倍的物鏡對基底C進(jìn)行拉曼檢測，對應(yīng)的光斑尺寸分別為10 μm，20 μm和40 μm。不同倍鏡下拉曼光譜強(qiáng)度的測量值以及利用公式（5）處理后的光譜數(shù)據(jù)如圖10所示，圖中■和●分別代表測量的拉曼光譜強(qiáng)度和表面覆蓋度法處理后的光譜強(qiáng)度，實(shí)線表示測量拉曼光譜強(qiáng)度平均值。可以看出，對于不同激光光斑，表面覆蓋度法處理后，光譜強(qiáng)度起伏都更小，且更靠近測量平均值。

圖10同一基底多次測量的拉曼光譜強(qiáng)度。（a）10 μm光斑；（b）20 μm光斑；（c）40 μm光斑。

Fig.10Raman spectral intensities measured on the same substrate with multiple times.（a） 10 μm spot； （b） 20 μm spot； （c） 40 μm spot.

對于圖10中的數(shù)據(jù)，利用公式（6）進(jìn)一步處理，得到同一基底在不同測量光斑下的變異系數(shù)，結(jié)果如圖11所示。可以看出，即使是同一片SERS基底，由于激光光斑面積不同，其光譜一致性也不同。同時(shí)，變異系數(shù)都隨著光斑面積的增大而減小，且近似為線性關(guān)系。這是由于激光光斑的增大會減小光斑覆蓋區(qū)域內(nèi)微納結(jié)構(gòu)分布的不一致性，從而減小測量位置帶來的誤差。當(dāng)光斑從10 μm增大到40 μm時(shí)，利用表面覆蓋度法處理后，變異系數(shù)從6.2%減小到2.3%，說明增大測量激光光斑可以進(jìn)一步提升SERS基底的光譜一致性。但由于光斑越大，光譜強(qiáng)度越弱，基底光譜增強(qiáng)效果^［25-27］也會降低。從圖10中也可以看出，10 μm光斑的光譜強(qiáng)度比40 μm光斑的要高得多。因此在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)綜合考慮進(jìn)行選擇。此外，經(jīng)表面覆蓋度法處理后，對于10 μm、20 μm和40 μm光斑，SERS基底的拉曼光譜一致性分別提高3倍、2.3倍和1.8倍，即SERS基底的一致性都獲得約2倍以上的提升。因此，針對不同大小的激光光斑，表面覆蓋度法均能提升基底的光譜一致性。

圖11  光斑大小對光譜變異系數(shù)的影響

Fig.11  Effect of spot size on the spectral coefficient of variation