新型 SERS 基板平台：空间堆叠等离子体热点薄膜

背景

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的分析方法，可以提供目标分子的振动信息，在生物传感和成像、医学诊断、环境监测和食品检测等各个领域得到了广泛的研究和应用。 1,2,3]。 SERS 技术主要依赖于金属纳米结构的局部表面等离子体共振 (LSPR) [4, 5]。众所周知，金属纳米结构中存在的自由电子在一定条件下与入射光子相互作用时会发生相干振荡，从而产生 LSPR [6,7,8,9,10]。 LSPR 效应将导致锐角/尖端和纳米间隙/纳米间隙附近的局部电磁场极大增强，即等离子体热点 [5, 8]。强烈增强的电磁场可以显着增强热点中目标分子的拉曼信号[5, 8]，导致形态依赖的SERS行为，从而为通过SERS效应进行分析和检测提供基础。

为了获得预期的具有优异拉曼性能的 SERS 平台，通过控制其尺寸、形状、组成等对各种金属纳米结构进行了广泛的研究。例如，金属纳米颗粒、粗糙金属薄膜、多孔纳米结构、周期性阵列和其他层次结构已经通过使用电子束光刻 [11]、模板辅助技术 [12]、电镀 [13] 以及化学反应和蚀刻 [14] 制造。然而，除了高成本、复杂的设备和耗时的合成之外，这些平台中的大多数都受到分布在一维或二维 (2D) 空间中的等离子体热点密度有限的影响。增加等离子体热点的数量本质上是为了提高在热点中捕获目标分子的机会。因此，从实践的角度来看，关键研究课题之一是开发简便、低成本的方法来构建具有高密度等离子体热点的大面积平台。

三维 (3D) 形态金属纳米结构打破了二维 SERS 平台的传统限制，并在激光照明体积内的所有空间平面上提供高密度等离子体热点 [15, 16]，从而增加了 SERS 平台的多功能性 [15] ]。如今，已经提出了许多策略来构建 3D SERS 平台 [16]。例如，已通过无电沉积 [17]、物理气相沉积 [18]、反应离子蚀刻以及退火和沉积 [4] 呈现由银纳米颗粒装饰的介电纳米棒/柱。由于在金属纳米结构中形成具有准 3D 分布图案的高密度等离子体热点，这些混合 3D 纳米结构表现出出色的 SERS 增强。然而，再现性仍然是未来的一个重要研究方向。最近使用了 Ag 胶体纳米粒子的自组装 [15]、氟硅烷化硅晶片上柠檬酸盐-Ag 溶胶液滴的蒸发 [19] 以及水、癸烷和功能化 Ag 纳米立方体的混合物的摇动 [3]获得 3D SERS 平台。这些方法连接了湿态和干态方法，并可能使 SERS 更广泛地应用于各个领域。但是如何在 3D 解决方案中稳定构建的纳米粒子 3D 几何结构仍然是一个挑战。由金属纳米粒子组装作为 SERS 平台的多瓣花也通过使用火花放电、离子诱导静电聚焦和电子束光刻进行设计 [20]。等离子体热点的数量随着花瓣数量的增加呈超线性增加，拉曼增强足以用于单分子检测。然而，昂贵的制造设备限制了其进一步发展。最近，多孔纳米结构 [21, 22] 被认为是高灵敏度 SERS 平台。然而，这些结构的制造需要很长时间或复杂的操作过程。总体而言，3D 等离子体热点平台克服了 SERS 对各种目标分子的超灵敏检测的长期局限性，并有望将 SERS 转化为实用的分析技术。因此，设计和制造最佳等离子体结构对于获得具有丰富等离子体热点的成功SERS平台至关重要。

在这项工作中，我们的主题是设计和获得具有空间堆叠等离子体热点的最佳 SERS 平台。由双层金属多孔膜组成的 SERS 平台是通过将简单的磁控溅射与热退火相结合，并辅以氢氟酸的蒸发来创建的。 SERS 双层多孔金膜具有优异的制造灵活性、可扩展性和实用性。在我们的实验中，通过检测罗丹明 6G (R6G)、抗坏血酸和 4-巯基丁脒 (4-MBA) 等不同分子，实现了高灵敏度和良好的均匀性。检出限甚至低至10 ⁻¹³ 由于空间堆叠等离子体热点的出现，R6G 分子的 M。实验结果表明，双层堆叠多孔金膜可用于生物医学、食品安全和环境检测等方面的新型实用SERS应用。

方法

制作

首先，通过磁控溅射在干净的 SiO2 衬底上沉积超薄 Au 膜。超薄金膜的溅射时间由溅射速度和时间控制。在这项工作中，溅射速度控制在 32 nm/min，溅射时间从 19 秒变为 75 s。然后，将溅射的超薄 Au 薄膜与干净的 SiO2 衬底一起放入马弗炉中，在一定温度（180-220 °C）下以 2 °C/min 的退火速度退火约 30 分钟。由于在退火过程中Au材料的分裂和熔化，因此形成了涂覆在SiO2衬底上的单层多孔Au膜结构。接着，将涂有单层多孔金膜的SiO2基板放入密闭容器中。将装有 0.5 M 氢氟酸的烧杯放在样品下方。在室温下轻轻搅拌（600 r/min），由于氢氟酸的高挥发性会产生氢氟酸蒸气。一分钟后，SiO2衬底表面被腐蚀变粗糙，大大降低了Au薄膜的吸附能力。之后，将蚀刻后的镀有单层多孔金膜的 SiO2 衬底缓慢浸入去离子水中，直至单层多孔金膜与 SiO2 衬底分离并完全悬浮在水中。最后，将另一个涂有相同单层多孔金膜的 SiO2 衬底以小倾斜角（约 45°）缓慢插入水中，以避免在涂覆过程中对悬浮的单层多孔金膜造成损坏或弯曲[23, 24] 然后在室温下干燥。因此，在 SiO2 衬底上形成了双层堆叠的多孔 Au 膜。在这项工作中，双层结构中每层Au多孔膜的制备条件和参数是相同的。通过以上步骤，无需复杂的步骤，即可通过简单的方法制备出灵敏的SERS平台。

结构和光学表征

通过扫描电子显微镜（SEM，Hitachi，S3400）观察样品的形貌。将具有双层堆叠多孔金膜的样品浸入不同浓度的目标分子溶液中约24 h，然后在室温下干燥。目标分子包括R6G、抗坏血酸和4-MBA（均购自Aladdin）。采用拉曼光谱仪（Horiba Scientific，LabRRm 750）测量吸附在样品中的目标分子的拉曼信号。使用具有×100的数值孔径和633 nm的激发波长的× 10物镜收集光谱。在这项工作中使用的激光功率为 0.061 mW 和 0.24 mW。信号采集时间为10 s。

结果与讨论

所提出的具有大量纳米间隙或纳米孔的双层堆叠多孔金膜结构如图 1 所示。为了识别目的，这里使用两种不同的颜色（橙色和黄色）分别代表堆叠的两层多孔金膜。正如我们所知，金属纳米结构中纳米孔或纳米间隙的存在提供了丰富的等离子体热点，当它们暴露在光线下时，它们的电磁场得到了极大的增强 [21, 22]。一方面，极度增强的电磁场有助于增强目标分子的拉曼信号。另一方面，丰富的纳米间隙有助于吸附目标分子并进一步增强其拉曼信号 [4, 5]。对于单层多孔金膜，xoy 中的准二维分布等离子体热点 平面被观察到。这种单层多孔金属膜结构已被广泛研究并呈现出优异的光学性能[25]。而对于双层多孔 Au 薄膜，即单层多孔 Au 薄膜包覆具有相同参数的另一多孔 Au 薄膜，除了在 xoy 中出现准二维分布的纳米间隙外 平面，在 z 中也观察到超小间隙 方向。 3D分布式等离子体热点由多孔Au薄膜的堆叠构型决定，极大地方便了等离子体热点中更多目标分子的吸附[26]。

在相同条件和参数下制备的单层多孔金膜（黄色）上堆叠另一种多孔金膜（橙色）制备的双层SERS平台示意图

图 1a-f 显示了制造的 SERS 平台的 SEM 图像，每层多孔金膜的溅射时间从 19 秒增加到 75 s。退火温度为200 °C。为了方便观察，这些 SEM 图像取自堆叠结构的边界，在那里可以清楚地观察到单层和双层多孔 Au 膜结构。在这些单层和双层多孔 Au 薄膜中清楚地发现了超小的纳米间隙或纳米孔。与在单层域中发现的 2D 分布式纳米孔图案不同，在双层堆叠域中实现了纳米孔的显着 3D 分布式图案。这些 SEM 图像展示了所提出的具有 3D 空间堆叠等离子体热点的新型 SERS 平台。单层和双层多孔膜微观形貌的形成可以通过退火过程解释为极其均匀的超薄 Au 膜 [26]，保证了均匀的多孔 Au 膜，这有利于致密和空间分布的等离子体热点。分别为 2D 和 3D 图案。具有集中 3D 等离子体热点的堆叠双层多孔 Au 薄膜有望有助于优化和均匀的 SERS 信号。当溅射时间等于 19 s 时，如图 1a 所示，在样品中发现了一些 Au 纳米颗粒，并伴有大的纳米孔或纳米间隙。随着溅射时间的增加，Au纳米颗粒消失，纳米孔或纳米间隙的尺寸和数量逐渐减少，如图1b-f所示，这与SERS增强密切相关[27, 28]。

从制造样品的边界获取的 SEM 图像，其中可以清楚地观察到单层和双层多孔 Au 膜结构。每层多孔Au薄膜的溅射时间从19s变为75 s。 一 19 秒，b 28 秒，c 37.5 s，d 47 秒，e 56 s 和 f 75 秒。退火温度：200 °C。比例尺为 500 nm

图 2 显示了通过将溅射时间从 19 秒更改为 75 s 的双层多孔金膜结构的拉曼性能。除非另有说明，本工作中的激光功率保持在 0.061 mW，R6G 分子的浓度保持在 10 ^-8 mol/L，退火温度为200 ℃。由于位于双层 Au 多孔膜的尖端/角落、纳米孔和边缘的丰富等离子体热点，当溅射时间控制在 19 到 47 秒的范围内时，可以观察到卓越的拉曼增强性能 [4,5 ,6,7,8] 如图 1 所示。对于通过控制溅射时间为 19 s 制备的样品，强拉曼信号可以归因于这种双层结构中 Au 纳米粒子和纳米孔的 LSPR 的协同作用，如图 1a 所示。随着溅射时间从28s增加到47 s，虽然Au纳米颗粒大幅度减少甚至消失，但拉曼峰的强度逐渐增加。这是因为减小的纳米孔尺寸有助于增强 LSPR [4, 5] 的近场耦合，从而导致拉曼信号增强，这与 [27, 28] 中报告的结果一致。随着溅射时间增加到 75 s，纳米孔的尺寸不断减小，纳米孔的数量急剧下降，导致低密度等离子体热点 [3,4,5,6,7,8,15,16,17,18 ,19]。结果，拉曼信号大大减弱。

双层多孔Au膜结构的拉曼光谱随每层多孔Au膜的溅射时间从19s增加到75 s

为了了解空间堆叠等离子体热点对拉曼性能的影响，我们比较了单层和双层多孔金膜的拉曼光谱，两种结构中每层金膜的溅射时间相同。图 3a 显示了吸附在单层和双层多孔 Au 膜中的 R6G 分子的拉曼特性。每层多孔Au薄膜的溅射时间约为19 s。为了比较，此处还提供了 19 s Au 薄膜上 R6G 分子的拉曼光谱。显然，吸附在双层多孔 Au 膜中的 R6G 分子的测量拉曼信号大于在单层多孔 Au 膜和超薄 Au 膜上测量的拉曼信号。几个特征峰的拉曼强度（613、775、1125、1368、1510和1653 cm ^-1 ) 在图 3a 中的三个拉曼曲线中显示在图 3b 中。可以清楚地观察到，在双层多孔 Au 膜中测得的所有这些特征峰分别比在单层多孔 Au 膜和 Au 膜中测得的特征峰至少大 2 倍和 15 倍。 1653 cm ^-1 双层多孔Au薄膜中R6G分子的最大增强 甚至达到比单层多孔金膜测量的大 3.7 倍。由于 3D 空间堆叠等离子体热点的出现，这些证明了双层多孔 Au 膜的卓越拉曼增强能力 [4, 26]。也就是说，与先前报道的单层多孔Au膜相比，具有大量空间堆叠纳米间隙的堆叠双层多孔膜更有利于理想的SERS[29]。

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为19 s

图4a显示了吸附在单层和双层多孔Au薄膜和Au薄膜中的R6G分子的拉曼特性。多孔Au膜和Au膜每层的溅射时间为28 s。与图 3 中观察到的不同，这里测量的吸附在单层多孔 Au 膜上的 R6G 分子的拉曼信号与吸附在 Au 膜上的信号接近。而对于双层多孔 Au 薄膜，R6G 分子的拉曼信号得到极大加强。如图4b所示的几个典型拉曼峰的拉曼强度，最大和最小增强在613 cm ^-1 和 1125 cm ⁻¹ 分别比在单层多孔金膜和金膜中观察到的大 10 倍和 5 倍。这些再次证明了双层多孔金膜具有优异的拉曼增强性能。

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为28 s

图5a显示了吸附在单层和双层多孔Au薄膜和Au薄膜中的R6G分子的拉曼特性。多孔Au薄膜和Au薄膜各层溅射时间为37.5 s。与图 4 中观察到的类似，吸附在单层多孔 Au 膜中的 R6G 分子的拉曼信号与吸附在 Au 膜上的信号接近。而对于具有 3D 空间分布等离子体跳点的双层多孔 Au 薄膜，R6G 分子的拉曼信号仍然得到极大增强。如图5b所示的几个典型拉曼特征峰的拉曼强度，最大和最小增强在613 cm ^-1 和 1125 cm ⁻¹ 分别是单层多孔金膜和金膜的 7 倍和 5 倍。

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为37.5 s

当每层多孔Au膜和Au膜的溅射时间增加到47 s时，最大和最小拉曼增强比分别在单层多孔Au膜和Au膜中观察到的分别大10倍和8倍，如图所示在图6中，随着每层多孔Au膜和Au膜的溅射时间增加到56 s，虽然R6G分子的拉曼信号仍然有很大的增强，最大和最小增强在613和1125 cm ^{- 1} 分别比在单层多孔金膜和金膜中观察到的大 4 倍和 2 倍，如图 7 所示。增强效果变得不明显，直到每层多孔金膜和金的溅射时间薄膜增加到 75 s，如图 8 所示。这表明当每层多孔 Au 薄膜的溅射时间从 19 s 增加到 56 s 时，双层多孔 Au 薄膜的高度可扩展制造。 3D 空间分布的等离子体热点 [4, 26] 在增强的拉曼效应中起着重要作用。需要注意的是，图 1 和 5 中特征峰的不规则拉曼强度比。 3, 4, 5, 6, 7主要源于单层和双层多孔Au膜结构之间拉曼信号的增强不一致。

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为47 s

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为56 s

一 单层和双层多孔金膜结构和超薄金膜的拉曼光谱。 b a中三个拉曼曲线中观察到的几个典型拉曼峰的强度变化 .多孔Au薄膜和薄膜每层溅射时间为75 s

还研究了退火温度对拉曼增强的影响，如图 9 所示。退火温度从 180 °C 变化到 220 °C，步长为 20 °C。此处 633 nm 激光的功率为 0.24 mW。每层多孔金膜的溅射时间为19 s。不难发现，这些光谱中的拉曼峰都大大增强了。 200 °C制备的样品的拉曼增强效果与220 °C制备的相似，这也表明在一定退火温度区域制备双层多孔Au薄膜具有可扩展性。

在 180、200 和 220°C 下制造的双层多孔 Au 膜结构的拉曼光谱。激光功率：0.24 mW

通过在不同的双层多孔金膜中随机选择四个点来检测 R6G，还研究了该平台增强 SERS 的均匀性。激光功率为 0.24 mW。每一层多孔金膜的溅射时间从19到28 s再到47 s。正如我们在图 10 中可以清楚地观察到的那样，从这些随机点测量的 R6G 分子具有相同的振动模式。例如，在 613 cm ⁻¹ 处的均匀峰 是由于 C-C-C 环面内弯曲模式和 775 cm ^-1 处的峰值 是由于 C-H 面外弯曲模式。因此，来自所提出的双层堆叠多孔 Au 膜的 SERS 信号的良好均匀性归因于空间堆叠的致密等离子体热点，包括由于 LSPR 的激发和耦合，多孔 Au 膜中水平和垂直排列的纳米孔中的热点.因此可以得出结论，制备的具有优异一致性拉曼增强的双层多孔Au薄膜有利于实现优异的SERS活性平台。

不同层溅射时间在双层多孔金膜结构的不同位置随机测量的拉曼光谱。 一 19 秒，b 28 s 和 c 47 秒。激光功率：0.24 mW

同时，为了研究等离子体热点的空间分布对双层多孔 Au 薄膜拉曼增强均匀性的影响，在由 15 μm × 15 μm 包围的区域上进行逐点 SERS 映射测量。图 11a 中的黑色方块用于检测 R6G。该区域位于单层和双层多孔金膜的边界处。左侧暗域为单层多孔金膜，右侧灰色域为双层多孔金膜。每层多孔金膜的溅射时间为37.5 s。 x 中映射的步长 和 y 方向为 1.5 μm（10× 10 点）。如图 11b 所示的映射结果，双层多孔 Au 膜中的拉曼强度远高于单层多孔 Au 膜中的拉曼强度。此外，在双层多孔金膜中获得的拉曼强度显示出非常高的均匀性。因此，我们可以得出结论，3D 空间堆叠的多孔 Au 膜确实对多孔膜结构的 LSPR 效率有重大影响。图 11c 和 d 显示了分别从单层和双层多孔 Au 膜域中的点测量的 R6G 分子的拉曼光谱，如图 11b 中所示的圆圈。作为堆叠结构中单层和双层域中随机测量的位置，在双层多孔 Au 膜中发现的更强的拉曼信号证实了 3D 空间堆叠等离子体热点对均匀拉曼增强的关键作用，这是非常重要的对潜在的 SERS 应用具有重要意义。

一 示例图像和 b SERS 映射取自制造样品的边界，每层多孔金膜的溅射时间为 37.5 秒。在单个 c 中测量的拉曼光谱 和双层 d 箭头所指的多孔金膜

拉曼平台的检测极限通常通过在拉曼信号完全消失（即仍然可检测）之前将分析物的浓度稀释到极低值甚至单个分子来确认 [30, 31]。为了进一步评估 SERS 性能，通过改变 R6G 分子的浓度来分析制造样品的检测限。图 12a 显示了在制备的双层多孔 Au 膜中具有不同浓度的 R6G 溶液的 SERS 光谱。这里，每层多孔金膜的溅射时间为47 s。 R6G分子的浓度从10 ^-8 变化 M 到 10 ⁻¹³ M，激光功率为 0.24 mW。如图 12b 所示，虽然存在一些噪声，但当 R6G 浓度降至 10 ^-13 时，这里仍然可以区分拉曼信号 M，表明 SERS 效应的灵敏度非常高，并且通过拉曼峰强度的变化有前景的拉曼传感应用。为便于观察和比较，单层多孔Au薄膜中R6G分子的拉曼信号随浓度从10 ^-8 变化 M 到 10 ⁻¹⁰ M 呈现在图 12c 中。与在双层多孔Au薄膜中观察到的明显拉曼峰不同，对于单层多孔Au薄膜，当R6G的浓度增加到10 ^{时，R6G分子的拉曼信号完全被噪声信号所掩盖。 −10} M. 这些再次证明了双层堆叠多孔 Au 膜与单层多孔 Au 膜相比的优异性能。此外，1368 cm ⁻¹ 处的SERS强度 图 12d 显示了 R6G 的对数浓度。 1368 cm ⁻¹ 处SERS强度与R6G对数浓度的近似线性关系 获得。

一 Raman spectra of R6G molecules with the concentration changing from 10 ⁻⁸  M to 10 ⁻¹³ M in the dual-layer porous Au films. b Magnified Raman spectra of R6G molecules with the concentration of 10 ⁻¹³ M in the dual-layer porous Au films. c Raman spectra of R6G molecules with the concentration changing from 10 ⁻⁸  M to 10 ⁻¹⁰ M in the single-layer porous Au film. d The relationships of peak intensities at 1368 cm ⁻¹ and the logarithmic concentrations of R6G. The sputtering time of each layer of porous Au films is 47 s. Laser power:0.24 mW

In order to further confirm the SERS sensing capability, we also measured the SERS spectra of ascorbic acid and 4-MBA molecules in the dual-layer porous Au films as shown in Fig. 13a and b, respectively. The concentration of ascorbic acid changes from 10 ⁻² to 10 ⁻⁹  M and of 4-MBA changes from 10 ⁻² to 10 ⁻¹⁰  M. The sputtering time of each layer of porous Au films in these two data is 47 s and the laser power is 0.24 mW. As shown in Fig. 13a, the SERS spectra of ascorbic acid display excellent Raman sensing performance. Two prominent characteristic peaks near 1080 cm ⁻¹ and 1590 cm ⁻¹ can be clearly observed even when the concentration of ascorbic acid decreases to 10 ⁻⁹  M. These demonstrate the stacked dual-layer porous Au films are also appropriate for the detection of other molecules with low concentration. In Fig. 13b, the Raman peak at 1610 cm ⁻¹ for the 4-MBA molecules can still be discerned when the concentration is down to 10 ⁻¹⁰  M. These results are comparable to those of many other metal SERS platform, whereas the detection concentration is one or two orders of magnitude lower [32]. These again demonstrate the high Raman sensing performance of the stacked dual-layer porous Au films.

Raman spectra of a ascorbic acid molecules with the concentration changing from 10 ⁻² to 10 ⁻⁹  M and b 4-MBA with the concentration changing form 10 ⁻² to 10 ⁻¹⁰  M in the dual-layer porous Au films. The sputtering time of each layer of porous Au films is 47 s. Laser power:0.24 mW

结论

We have illustrated a facile and economical method for fabricating an excellent mechanical flexible platform based on double-layer-stacked porous Au films as the SERS-active platform. The fabrication of SERS platforms only needs to incorporate the simple sputtering, annealing, stripping, and transfer methods, assisted by the vapor of hydrofluoric acid. High sensitivity and good homogeneity are realized in our experiment by detecting R6G, ascorbic acid, and 4-MBA. The detection limit down to 10 ⁻¹³  M is achieved for the R6G molecules adsorbed in the dual-layer porous Au films. Moreover, the SERS dual-layer porous Au films possess excellent fabrication flexibility, scalability, and practicability. The experiment results suggest that the dual-layer stacked porous Au films can be used for the novel and practical SERS applications in the biomedicine, food security, and environment detection.

缩写

二维：

Two-dimension

3D:

Three-dimension

4-MBA:

4-Mercaptobutyramidine

LSPR:

Localized surface plasmonic resonance

R6G:

Rhodamine 6G

SERS:

Surface-enhanced Raman scattering