Abstract:Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a highly sensitive spectroscopy technique, which is widely used in chemical reaction detecting, medical diagnostics, and food analysis. The construction of the substrate structure has a very important influence on enhancing the SERS signal of the probe molecule. In this paper, a three-dimensional (3D) pyramid stereo composite SERS substrate is prepared by using polymethyl methacrylate (PMMA) to encapsulate silver nanoparticles, which achieves high sensitivity detection of Rhodamine 6G (R6G) molecules. By adjusting the dispersion density of silver nanoparticles in the PMMA acetone solution, the effective oscillation of light in the pyramid valley is realized, which not only ensures the high-density "hot spot" effect of the 3D structure, but also avoids deforming the adsorption probe molecules caused by the metal-molecule interaction. It also effectively prevents the silver nanoparticles from being oxidized and provides a larger range of electromagnetic enhancement for probe molecules, resulting in a stable output of the enhanced Raman signal. This research result provides an effective strategy for designing a high performance and reusable SERS substrate, meanwhile, it has important guiding significance for further designing an SERS substrate with improved 3D structure in the future study. Keywords:surface-enhanced Raman scattering/ sliver nanoparticles/ polymethyl methacrylate/ three-dimensional pyramid stereo composite structure
图4(a)展示了10–7 mol/L的R6G分子吸附在不同混合浓度的三维复合SERS基底上的拉曼光谱. 可以观察到R6G分子的拉曼谱在614, 774, 1183, 1365, 1512和1651 cm–1处显示出明显的特征峰[34]. 为了更直观地显示最优的SERS活性, 我们绘制了在614和774 cm–1特征峰处的拉曼峰强与不同混合浓度的直方图(图4(b)). 可以看出R6G分子的所有拉曼峰强度随银纳米颗粒在PMMA溶液中浓度的增加先增加后减小. 在浓度为0.75 g/mL时, R6G分子的拉曼信号达到最强. 当浓度较低时, 银纳米颗粒数量稀疏, 相应颗粒之间间距较大, 两个银颗粒之间几乎没有相互作用, 只有单个粒子产生的“热点”效应, 导致R6G分子的拉曼信号较弱. 随着银纳米颗粒浓度的增加, 银纳米颗粒的数量增加并且间距减小, “热点”空间区域增大, 拉曼信号逐渐增强. 但当银纳米颗粒浓度超过0.75 g/mL时, 浓度过大导致的银纳米颗粒聚合体不利于强电场的形成, 致使R6G分子的SERS信号减弱. 在我们的实验条件下, 银纳米颗粒浓度为0.75 g/mL时, 复合基底可产生最佳SERS活性. 图 4 (a) 10–7 mol/L浓度的R6G分子在不同浓度AgNPs@PMMA/P-Si基底上的SERS光谱; (b) 对应(a)图中的R6G分子在614 cm–1和774 cm–1处的拉曼峰强 Figure4. (a) SERS spectra of R6G (10–7 mol/L) on the AgNPs@PMMA/P-Si substrates fabricated with different concentrations; (b) corresponding to the Raman peak at 614 and 774 cm–1 for the R6G molecule in Fig. (a).
图5(a)为不同浓度R6G分子吸附在银纳米颗粒浓度为0.75 g/mL的三维复合结构SERS基底上的拉曼光谱. 随着R6G分子浓度的降低, SERS信号有明显的下降趋势. 从图中可以看出, 在10–14 mol/L浓度时, 已有部分拉曼峰无法分析. 因此, 该基底的最低检测浓度可达到10–13 mol/L. 我们选择了614和1365 cm–1位置的峰值来进一步表明SERS信号强度和R6G分子浓度的关系. 如图5(b)所示, 两个R6G分子的拉曼峰的信号强度都随着浓度的变化呈现出良好的线性关系, 拟合之后的线性系数分别高达0.984和0.983. 选用614 cm–1的峰值计算了三维复合SERS基底的拉曼增强因子(enhancement factor, EF)[34], 其示意图如图5(c)所示, 公式为 图 5 (a) 10–10?10–14 mol/L的R6G分子吸附在银颗粒浓度为0.75 g/mL的AgNPs@PMMA/P-Si基底上的SERS光谱; (b) 吸附在AgNPs@PMMA/P-Si基底上的R6G分子在614和1365 cm–1处的拉曼峰强度与浓度的关系; (c) SERS基底的拉曼检测示意图; (d) R6G分子在三维复合SERS基底上的探测极限(10–13 mol/L)和的平面Si基底上的探测极限(10–4 mol/L)光谱的对比 Figure5. (a) SERS spectra of R6G with concentrations from 10–10 to 10–14 mol/L on the AgNPs@PMMA/P-Si with AgNPs concentration of 0.75 g/mL substrate; (b) the intensity of R6G peak at 614 cm–1 and 1365 cm–1 changes as a function of R6G molecule concentration on the AgNPs@PMMA/P-Si substrates; (c) schematic illustration showing the Raman detection of SERS substrates; (d) comparison of the detection limit of the R6 G molecule on the 3D composite SERS substrate (10–13 mol/L) and the detection limit (10–4 mol/L) on the planar Si substrate.
式中SERS和RS分别表示三维复合基底SERS和平面Si基底上获得可探测到的R6G水溶液的极限浓度的SERS光谱和一般拉曼光谱. I和N分别是在对应条件下的拉曼光谱峰值强度和被入射激光作用的目标分子数. 图5(d)显示了R6G分子在三维复合SERS基底上的探测极限(10–13 mol/L)和平面Si基底上的探测极限(10–4 mol/L)光谱的对比. 可以看出, 10–13 mol/L浓度的R6G在614 cm–1 处的特征峰强度是平面Si基底上10–4 mol/L的R6G分子的3.95倍. 因此, 计算可得${I_{{\rm{SERS}}}}/{I_{{\rm{RS}}}} = $ 3.95, ${N_{{\rm{RS}}}}/{N_{{\rm{SERS}}}} = {10^9}$, 则该SERS衬底对R6G分子水溶液的EF为3.95 × 109, 拉曼增强效果明显. 在0.75 g/mL浓度的AgNPs@ PMMA/P-Si基底上对10–7 mol/L的R6G水溶液的拉曼光谱进行检测并选择了图中所示的方框区域内随机选择10个活性热点进行多次重复测量(图6(a)). 在三维立体金字塔结构中, 金字塔的倾斜面结构有利于水溶液中的探针分子在塔基底部聚集, 同时金字塔型可提供一个大的比表面积, 因此在单位投影面积上可以吸附更多的银纳米颗粒, 使探针分子聚集的同时又产生大量的“热点”. 图6(b)为相应光谱中614 cm–1峰的强度分布, 黑线表示10个峰值的平均强度, 最大强度偏差(D)按照以下公式计算: 图 6 (a) 0.75 g/mL浓度的AgNPs@ PMMA/P-Si基底塔基位置处10个随机位置R6G分子(10–7 mol/L)的平均SERS谱(红线为10条SERS谱线的平均值); (b) 相应(a)图中614 cm–1处拉曼峰强度变化统计图 Figure6. (a) Average SERS spectrum of the 10–7 mol/L R6G molecules from 10 random positions in the base tower of AgNPs@ PMMA/P-Si with concentration of 0.75 g/mL substrate (red line is the average of 10 SERS spectrum lines); (b) statistical diagram of variation of Raman peak intensity at 614 cm–1 is in the corresponding Fig. (a).
$D = \frac{{{I_{{\rm{Max}}}} - {\bar{ I}}}}{I},$
式中IMax为最大拉曼峰强, ${\bar{ I}}$为平均峰强. 可以计算得614 cm–1峰处的强度偏差仅为8%. 根据科学标准的SERS信号再现性, 强度偏差应低于20%[35]. 这表明我们的基底具有较高的均匀性. 这主要是由于PMMA的存在填充了银纳米颗粒的间隙, 为探针分子提供了均匀的热点区, 导致强烈的电磁场耦合, 进而获得更加均匀的SERS信号. 我们对比了10–7 mol/L R6G分子分别吸附在AgNPs/PMMA/P-Si, AgNPs/P-Si以及AgNPs@ PMMA/P-Si三种SERS复合基底的SERS光谱(图7(a)). 可以看到, 全包裹型复合基底(AgNPs@PMMA/P-Si)的SERS活性要高于相应条件下其他两种基底. 根据文献表明[27], PMMA材料的电磁率高于空气, 银纳米颗粒产生电磁场效应在PMMA中产生影响空间范围较大, 使产生“热点”作用的范围扩大, 也就意味着会有更多的吸附分子会被作用. 因此, 收集到的分子的拉曼信号会被加强, 产生相应的SERS效应. 图7(b)进一步证明了所制备的SERS基底的稳定性. 随时间的增加, 在AgNPs@PMMA/P-Si基底上采集得到的R6G分子的SERS光谱有轻微的衰减, 而在AgNPs/PMMA/P-Si的SERS基底上, 其SERS强度表现出明显降低. 这是因为暴露在空气中的银纳米颗粒容易与空气中的成分反应, 极易被氧化, 而将银纳米颗粒嵌入PMMA材料中, 不仅可以有效防止银颗粒与周围环境相接触造成氧化, 还可以有效避免银纳米颗粒与探针分子直接接触引起的吸附探针分子变形导致的信号失真等问题. 图 7 (a) 10–7 mol/L的R6G分子分别吸附在AgNPs@PMMA/P-Si, AgNPs@PMMA/F-Si和AgNPs/P-Si基底上的拉曼光谱; (b)在18 d时间内每隔3 d分别在AgNPs@PMMA/P-Si和AgNPs/PMMA/F-Si基底上所采集到的10–7 mol/L的R6G分子614 cm–1峰处的拉曼强度 Figure7. (a) The Raman spectra of R6G molecule with 10–7 mol/L on the AgNPs@PMMA/P-Si, AgNPs@PMMA/F-Si, and AgNPs/P-Si substrates; (b) the intensity of the signal at 614 cm–1 of R6G (10–7 mol/L) collected with 18 days every three days respectively on the AgNPs@PMMA/P-Si and AgNPs/PMMA/F-Si substrate.