有序金纳米柱SERS基底制备及苏丹Ⅱ的拉曼光谱

孙维鑫，王家正，金 磊，张 维，周剑章，杨防祖，周勇亮，吴德印

(厦门大学 化学化工学院 固体表面国家重点实验室，福建 厦门 361005)

苏丹Ⅰ～Ⅳ染料分子在可见光波段有吸收，可产生色泽鲜艳的颜色，被用于食品的染色[1-2]。然而，国际癌症研究署认定该类物质为第三类致癌物，潜在危害人类身体健康[3-4]，其致癌机制主要是代谢出的活性中间体如芳香胺可以与DNA成键[4]。虽然这类化合物被禁止在食物中使用，但该类化合物可以改变食品的品相，因此仍时常作为添加剂被非法使用于食物中。为了更好地防止在食品中加入非法添加剂，人们已发展了不同的食品检测方法，如质谱方法、色谱方法、光谱方法和电化学方法检测[5]，这些方法的联合运用也发展出不同的先进方法，其中电化学方法和拉曼光谱方法结合极为重要，如电化学表面增强拉曼光谱具有很高的检测灵敏度，已成为快检的重要方法之一[6]。

表面增强拉曼光谱(SERS)是基于贵金属表面自由集体激发产生的表面增强拉曼散射(SERS)效应，这是1974年英国科学家Fleischmann等[7]、Jeanmaire等[8]在研究吡啶分子吸附在粗糙银电极上拉曼光谱时首次发现的。这种增强效应主要来自两种机制——电磁增强机制和化学增强机制[9]。电磁场增强效应是获得表面吸附分子拉曼信号的主要来源，但是如果与气相、固体或溶液中分子的拉曼光谱比较，分子与表面吸附作用常会显著改变拉曼光谱线形，从而提供更丰富分子的化学指纹信息。

本文中，为了获取稳定和可重现的SERS光谱分析，笔者首先制备有序金纳米柱阵列结构，并以此为拉曼光谱增强基底，用于苏丹Ⅱ的SERS光谱测量；然后从电磁场增强机制和化学增强机制出发，结合有限元方法和密度泛函理论计算，分析有序金纳米柱结构和分子在表面可能的吸附结构，以期研究其最优化的实验条件。

1 实验和理论方法

1.1 有序金纳米结构SERS基底的制备

金纳米柱阵列结构的制备采用了纳米压印的方法[10]。制作过程如图1所示。首先在镍模板上加软模板，利用电子束蒸发仪FC2000(Temescal，美国)在钢化玻璃一侧气相蒸镀一层100 nm的金镀层，在镀层表面旋涂压印光刻胶，使用纳米压印的方法制备有序纳米孔洞阵列结构，除去表面残胶，露出金导电层后采用电化学沉积法制备了有序金柱结构。这里采用镍模板的大小2英寸，有序周期450 nm，孔洞上沿直径250 nm，孔洞下沿直径190 nm，孔洞深度200 nm。

图1 金纳米柱阵列结构制备流程

纳米压印的方法分为热纳米压印和紫外纳米压印。钢化玻璃的前处理主要包括四步，即玻璃清洗、金属层蒸镀、玻璃前烘和活化、纳米压印胶旋涂。根据模板的长深比计算占空比，确定压印胶旋涂厚度，选择适合该厚度的纳米压印胶，通过转速和胶厚的关系来选择适合的转速和时间。最后，利用反应离子刻蚀机(RIE)除去纳米压印残胶，其中RIE 参数设定为压力150 mTorr，O2流量40 sccm(气体流量单位，表示每分钟的气体体积，cm3)，RF为40 W。

金的沉积所采用的电镀液为Na2SO3体系，以铂片为阳极，饱和甘汞电极为参比电极，去除纳米压印残胶的玻璃为阴极，即工作电极，使用 CHI660e 电化学工作站测量亚硫酸金钠体系的循环伏安曲线，确定金沉积条件。在恒电流模式下电沉积金，通过改变电流密度和电沉积时间，优化最佳的沉积条件。沉积完成后可采用剥离技术去除表面的纳米压印胶(浸泡于冷却后的体积比为3∶ 1的98%浓H2SO4与H2O2混合溶液)，从而比较不同环境介质对该结构的影响。

利用扫描电镜观察纳米压印胶结构状态、表征不同电流密度和时间对电沉积金形貌的影响。结构表征采用S-4800型场发射扫描电子显微镜(Hitachi，日本)和ZEISS Sigma电子显微镜(Sigma，美国)。Cary 5000型分光光度计(Varian，美国)用于金纳米柱阵列结构的反射光谱测定。

1.2 拉曼光谱测量

所用主要实验试剂包括无水乙醇(CH3COOH，国药集团化学试剂有限公司)和Sudan Ⅱ(苏丹Ⅱ，Acros)，水为二次蒸馏水。拉曼光谱测量采用Xplora共聚焦拉曼仪(Horiba，法国)，激光波长分别为785 nm。激光斑点的直径约为1 m，到达样品表面的激光功率15.31 mW/cm2。采集拉曼光谱的积分时间为10 s，拉曼光谱的数值孔径为0.55。

1.3 有限元方法计算

对于金纳米结构柱阵列结构的电磁波响应计算，采用有限元方法划分网格，并基于一定的初始条件和边界条件，数值求解每个网格内的麦克斯韦方程组，即可以得到整个SPR结构对电磁波的响应[11-12]。这里用了COMSOL Multiphysics计算软件的波动光学模块。通过设置端口边界条件模拟电磁波的入射，对模型中各个不同的材料设置相应的折射率，调用稳态频域或波长域研究接口进行计算，得到反射率、吸收率、纳米结构内部的电场强度分布、功率损耗分布等相关的电磁场信息。对于二维阵列的SPR结构，对阵列结构的基元建模，并结合周期性边界条件将模型延伸至整个平面，从而求解阵列整体的电磁波响应。金的折射率来自于实验值[13]，其余参数细节如图2所示。

图2 COMSOL数值模型示意

1.4 密度泛函理论方法(DFT)计算结构和拉曼光谱方法

2 结果与讨论

2.1 金柱状有序纳米结构的制备和光学吸收

在玻璃表面进行电化学沉积金时可以明显观察到沉积表面颜色随着时间的变化，笔者通过控制沉积时间得到不同高度的金纳米柱状结构，并测量这些结构的吸收光谱。图3给出恒电流沉积下制备填满孔洞的纳米金柱阵列结构的SEM图和吸收光谱。由图3可知，单一柱状结构的直径约为200 nm。对于该结构，未剥离胶的有序金纳米柱状阵列有3个吸收峰，分别在490、590和710 nm。吸收光谱短波长处有一个宽的490 nm吸收峰，其可归属为金d→sp的带间跃迁吸收[13]。在590 和710 nm处的2个吸收峰均为SPR峰，其主要由金纳米柱底与金镀层的耦合及金纳米柱顶部的耦合构成。

图3 恒电流沉积下填满孔洞的纳米金柱阵列结构的SEM图(a)和吸收光谱(b)

图4是经剥离后的实验测量SEM图和不同高度的金纳米柱阵列结构的吸收光谱。由图4可知，剥离压印光刻胶之后，有序金纳米柱阵列结构的吸收光谱发生明显变化，峰型变尖，吸收峰强度变大。图4(a)的SEM图是金纳米柱高为120 nm时的SEM图。对于60 nm高金纳米柱，在580 nm处有一个光吸收峰，而80 nm高金纳米柱在600 nm有一个光吸收峰。这表明随着金纳米柱增高，吸收峰会红移,但随着金纳米柱的生长，光吸收峰不再出现红移的规律性，而是出现了明显的蓝移，且高度增高时，吸收峰向短波长移动。

图4 经剥离后120 nm的金纳米柱阵列结构SEM图(a)和不同纳米柱高度的吸收光谱(b)

2.2 模拟与金纳米柱高度相关的SPR效应

为了探究金柱阵列结构的SPR峰与柱高度的关系，利用有限原方法模拟了该结构的光学性质。柱状结构单元参数分别为柱直径d=200 nm、柱高度h=160 nm、周期为450 nm。介质高分子模板层采用纳米压印胶的折射率n=1.5。理论模拟反射谱如图5所示，与实验结果相似，有3个光吸收峰，峰值分别为440、582和655 nm，且与长波长相比，短波段的峰型较宽。图5(b)显示短波段的吸收峰对应于金本身的光学吸收，即金的带间跃迁[14]。由图5(b)可知：582 nm的吸收峰由金纳米柱与金镀膜层的耦合产生，该吸收峰与图3(b)实验值吻合较好；655 nm的吸收峰主要来自金纳米柱顶端的SPR效应，该峰较实验值相比有一定蓝移，且峰宽更窄，实验值吸收谱峰较宽。这是由于本实验中沉积的金纳米柱表面分布有较小的纳米金颗粒，进而影响到吸收谱峰线形。

图5 模拟柱状金电极的反射谱(a)及其电场分布(b)

为分析金纳米柱高度对SPR性质的影响，笔者模拟了剥离光刻胶后不同高度金纳米柱阵列在空气中的反射光谱，结果如图6所示。图6(a)是模拟30～90 nm金纳米柱高度的反射谱。由图6(a)可以看到，当柱状高度为30 nm时，在540 nm处有一个小的吸收峰出现，随着柱体增高，该吸收峰逐渐红移且强度增大。该现象到90 nm出现反转，随着金纳米柱的高度继续增大，570 nm吸收峰逐渐蓝移且强度逐渐变低。当金纳米柱高度高于140 nm时，该峰逐渐并入在450～540 nm处的主吸收波段。为了解释这种现象出现的原因，考察不同吸收峰的电场分布(图6(b))。由图6(a)可知，540 nm的吸收峰由纳米柱顶端耦合贡献，并且峰的红移程度与高度呈正相关。由图6(b)可知，当金纳米柱高超过90 nm时，由尖端耦合贡献的峰逐渐蓝移并且逐渐合并到450～540 nm附近的吸收峰，出现了一个极宽的主吸收峰，该吸收波段同时包括柱尖端、中部和底端与金镀层的耦合以及金的带间跃迁。

图6 模拟30～90 nm柱状金电极的反射谱(a)和COMSOL模拟100～200 nm柱状金电极的反射谱(b)

2.3 苏丹Ⅱ分子的SERS光谱

图7是苏丹Ⅱ固体拉曼光谱和不同浓度苏丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光谱。由图7(a)可知，固体苏丹Ⅱ在低波数区主要有2个谱峰，714和985 cm-1，它们来自苯环的环外变形和苯氮伸缩振动[17]。在高波数区有,4个特征拉曼谱峰，如1 227、1 381、1 497和1 610 cm-1的拉曼谱峰。它们可依次指认为苯环环内变形、苯环—CH3伸缩振动、C—C伸缩振动、苯环骨架的伸缩振动[17]。图7(b)是不同浓度的苏丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光谱。这里采用120 nm金纳米柱阵列结构为SERS基底，将其浸入在不同浓度(1、0.5、0.2和0.05 mmol/L)的苏丹Ⅱ乙醇溶液过夜，晾干后，采用785 nm波长的激光进行激发并采集拉曼光谱，功率51.2 mW，积分时间10 s。随着苏丹Ⅱ浓度的下降，其SERS信号也在不断降低。当其浓度为 0.05 mmol/L时，仍可观察到位于1 227和1 382 cm-1处的振动峰，由此确定该结构对苏丹Ⅱ的最低检测浓度为0.05 mmol/L。

图7 苏丹Ⅱ分子的固体拉曼谱(a)和不同浓度苏丹Ⅱ乙醇溶液的SERS光谱(b)

2.4 密度泛函理论计算结构和拉曼光谱结果

DFT计算考虑了苏丹Ⅱ的4个低能构型，如图8(a)所示，笔者分别定义这4个构型为反式NH(trans-NH)、反式OH(trans-OH)、顺式NH(cis-NH)和顺式OH(cis-OH)。短线前的反式trans和顺式分别表示苯环上甲基与萘环上不与偶氮键相连的苯环的相对位置，如在偶氮的同侧则用顺式cis，相反则用反式trans。NH和OH表示活性氢连接偶氮的单原子和连接萘环上的氧原子。相对于trans-NH结构的能量，其他3种异构体的能量依次为2.25、2.59和4.69 kcal/mol。依据Boltzmann分布，4种结构中主要是trans-NH结构。

图8(b)给出采用PW91PW91交换相关泛函计算反式NH结构的拉曼光谱。图8(b)中(i)和(ⅱ)分别是自由分子和考虑乙醇溶剂化后的计算拉曼光谱。首先溶剂化效应对相对拉曼强度影响较小，但绝对强度因溶剂化效应增大约4倍，这是溶剂场效应的结果[14]。与图7的较强拉曼谱峰相比，与N—N键伸缩相关的1 380 cm-1谱峰明显较弱。因苏丹Ⅱ分子在可见光产生吸收，采用TD-PW91PW91计算，在考虑乙醇溶剂化作用的条件下，其第一单重激发态S1跃迁能量为2.36 eV，其有一个大的跃迁振子强度0.619 0，表明该激发态时π→π*。第二电子激发S2为π→π*。跃迁能量为2.39 eV，振子强度仅为0.000 2。为此，笔者以785 nm为激发光，计算了预共振拉曼光谱，图8(b)(ⅲ)。与其他3个原本较强的拉曼谱峰相比，谱峰1 380 cm-1明显增强。这主要是该谱峰与N—N键伸缩振动相关，尽管在激发光能量与激发态能量相差加大的情况下，785 nm激发光仍明显影响到该分子的拉曼光谱相对强度。

图8 在PW91PW91/6-311+G**水平计算苏丹Ⅱ在乙醇溶液中的构象相对稳定性(a)和模拟拉曼光谱(b)

3 结论

制备了有序金纳米柱的SERS基底，并用于苏丹Ⅱ的SERS光谱检测，在120 nm高的金纳米柱阵列结构上，采用785 nm激光，激光功率15.31 mW/cm2，采集拉曼光谱的积分时间为10 s时，检测限仅0.05 mmol/L。这不是目前最好的检测限，主要是采用的激发波长并不是SPR共振最有效的位置。基于实验测量和有限元方法计算，对于450 nm周期120 nm高的金柱阵列结构，其SPR吸收峰主要位于550 nm处。基于密度泛函理论计算，首次确定了苏丹Ⅱ的稳定结构和其理论模拟拉曼光谱，采用PW91PW91广义梯度泛函给出最优的预共振拉曼光谱。上述实验和理论研究为SERS检测苏丹Ⅱ提供了实验基础。