一种简单的激光烧蚀辅助方法，用于在聚四氟乙烯薄膜上制造超疏水 SERS 基板

背景

表面增强拉曼散射（SERS）自 1974 年被发现以来就引起了公众的极大兴趣，因为它是一种很有前途的超灵敏光谱技术，即使在超稀溶液的情况下也能获得特征分子的振动指纹[1， 2,3,4,5]。金属表面附近的巨大电磁场是SERS中占主导地位的增强因素，它来自称为表面等离子体的自由电子的光激发集体振荡。因此，获得的强分子拉曼信号主要来自位于纳米间隙或裂缝中的分子，即所谓的热点，靠近电磁场大大增强的金属表面。

在之前的工作中，引入了各种形态的 Ag 或 Au 纳米粒子以沉积在玻璃或硅晶片上，以制造 SERS 基板 [6,7,8,9]。不幸的是，玻璃、硅片等常用的基板都是亲水性的，所以分散在溶剂中的纳米粒子在蒸发后可以自由地分散在基板上，导致纳米粒子之间的距离过大，难以形成更大的电磁场增强。考虑到溶质的扩散，有一种方法可以预期成功地将溶质集中在一个小区域内，迫使纳米粒子紧密堆积在一起，分子进入热点区域，从而达到增强的目的。分子的拉曼信号。因此，思路提供了另一种制造有影响的 SERS 基板的方法。最近，基于该概念，由于高增强和提高的再现性，各种疏水或超疏水基板已经被报道为活性 SERS 基板，例如 Ag-NP 装饰的 Si 圆柱微柱阵列基板、银纳米颗粒涂覆的氧化锌纳米棒阵列超疏水底物等 [10, 11]。原因是超疏水表面可以有效地将溶解在溶液中的溶质在水分蒸发后聚集到一个小范围内。然而，许多超疏水底物由于其固有的微/纳米结构而导致溶质丢失 [12, 13]。同时，制造这些基板的过程往往既费时又复杂，而且这些基板通常很昂贵。通常，整个水在室温下挥发需要几个小时，限制了实际应用中的快速检测和分析。由于这些缺点，在现实世界中广泛推广超疏水SERS基底是一个挑战。

在本文中，提出了一种激光烧蚀辅助方法来在 Teflon (PTFE) 上制造 SERS 基板。通过激光雕刻技术改变表面的润湿性。通过设计合适的激光雕刻图案并设置合适的雕刻参数，得到了一种具有微阵列的超疏水聚四氟乙烯基板。微阵列是疏水的，并被激光雕刻产生的超疏水区域包围。

得益于特殊的基质，溶解在水中的溶质在溶剂蒸发后可以成功地收集在疏水小圆圈中，只需 10 分钟。与生物实验室的24孔板类似，开发的带有虚拟孔的SERS基板可以方便地检测分子及其浓度。此外，获得的 SERS 基板成本仅为 20 元，整个制造过程需要 20 分钟。总之，制备了一种低成本、可靠、实用且有源的SERS衬底，可以在不影响本工作检测结果的情况下实现快速蒸发。

方法与实验

材料

硝酸银（99.99%）、PVP（Mw =58,000，K29-32）、硼氢化钠（NaHB4）、乙二醇（EG）、亚甲蓝（MB）和罗丹明6G（R6G）购自上海阿拉丁生化科技有限公司。 （上海，中国）。牛血清白蛋白 (BSA) 购自 Sigma-Aldrich (Taufkirchen, Germany)。所有化学品均按原样使用，无需进一步纯化或处理。使用 Aquapro AWL-0502-H（Aquapro International Company LLC., Dover, DE, USA）生产高纯度去离子水 (18.25 MΩ·cm)。直接使用购买的聚四氟乙烯（PTFE），网上广泛销售，尺寸为50 × 30 × 5mm。

银纳米粒子的合成

根据先前的合成方法合成银纳米颗粒。在实验过程中，引入EG溶液溶解固体或粉末。开始时，将 6 mL EG 溶液加入 100 mL 烧瓶中，然后将烧瓶移入 165°C 温度的油浴中搅拌 1 小时。接下来，依次将 0.08 mL NaHB4 溶液（0.0015 mg/mL）、1.5 mL PVP 溶液（20 mg/mL）和 0.4 mL AgNO3 溶液（48 mg/mL）依次加入到前面的烧瓶中搅拌 20 分钟。之后，得到灰色的银色胶体。可以通过离心从溶液中获得银纳米颗粒，并用乙醇洗涤四次以上。最后，将样品分散在水中进行进一步实验。用去离子水将制备的银纳米粒子制备成不同浓度的银胶体，浓度估计为1.19 × 10 ^-11 , 1.19 × 10 ⁻¹² , 1.19 × 10 ⁻¹³ , 1.19 × 10 ⁻¹⁴ , 和 1.19 × 10 ⁻¹⁵ 米

雕刻 PTFE 的制作

购买的原装聚四氟乙烯用水和乙醇冲洗3次以上。然后，使用 CO2 激光雕刻机根据附加文件 1：图 S1 中所示的 CAD 设计雕刻清洗过的原始 PTFE 使用激光雕刻（输出功率：16-24%，雕刻速度：35-75 mm /s，雕刻步长：0.02-0.10 毫米）。

特征化

通过扫描电镜 (TESCAN MIRA 3 FE) 获得雕刻和原始 PTFE 的表面形态。将5微升纳米银水溶液分别滴在原聚四氟乙烯和雕刻聚四氟乙烯上，然后使用高速相机（Phantom V 7.3）获得室温下的蒸发过程和静态水接触角的图像。静态水接触角值由一种标尺商业软件测量。

将两滴 5 μL Ag 溶液分别滴在原始 PTFE 和雕刻的 PTFE 上。随后，将它们放入烤箱（70°C）。蒸发后，分别通过光学显微镜和扫描电镜对聚集在两个表面上的银纳米粒子进行表征。再将5 μL Ag胶体水溶液滴在雕刻好的PTFE上，室温蒸发后得到Ag纳米颗粒聚集体的SEM图像。

在典型的 SERS 分析中，将相同浓度和体积 (5 μL) 的 Ag 水溶液分别沉积在原始 PTFE 基板和雕刻的 PTFE 基板上，形成增强基底。然后，将 5 μL MB 和 R6G 的不同摩尔浓度 (10 ^-9 , 10 ⁻¹¹ , 10 ⁻¹² , 10 ⁻¹³ , 和 10 ⁻¹⁴ M) 作为探针放置在增强型基板上并在干燥箱 (70°C) 中干燥，并使用拉曼光谱仪和 633 nm He-Ne 激光器 (10 mW) 测量 SERS 活性。据报道，分子可以在该温度下保持 SERS 活性 [12]。将 5 微升不同浓度（20、2、0.2、0.02 和 0.002 μg/mL）的 BSA 水溶液置于增强的基材上并在烘箱（40°C）中干燥，并用使用 633 nm He-Ne 激光器 (10 mW) 的拉曼光谱仪。为了保持 BSA 的生物活性，蒸发温度设置为 40°C [14]。在所有测量中每 20 秒扫描一次获得信号。

结果与讨论

实验过程如图 1 所示。使用附加文件 1：图 S1 中所示的 CAD 设计，通过激光处理改变了原始 PTFE 表面的润湿性，导致除了这些未经处理的表面之外，整个表面都变成了超疏水性区域，即疏水表面（圆的直径：0.5 毫米，间隙：0.8 毫米）。雕刻的 PTFE 照片显示在附加文件 1：图 S2 中。然后，将一滴 Ag 胶体溶液 (5 μL) 滴在雕刻的 PTFE 上并在烘箱 (70 °C) 中蒸发。大约 10 分钟后，由于超疏水表面的高度排斥性，Ag 纳米粒子可以聚集成圆形（疏水表面），然后获得活性 SERS 基底。首先，以罗丹明6G（R6G）和亚甲蓝（MB）为探针分子，研究了制备的SERS基底的SERS性能。将一滴分子溶液滴在雕刻的 PTFE 上，覆盖先前沉积的 Ag 纳米颗粒。由于超疏水结构的防水性，分子液滴在蒸发过程中会变得越来越厚，这将有效地将分子富集到纳米粒子间隙处的热点区域。有趣的是，高温蒸发不仅可以加速溶剂蒸发以实现快速分析而不影响实验结果，而且对70°C下溶质的聚集几乎没有不利影响。

实验过程示意图

为了进一步解释雕刻的 PTFE 在富集溶质的能力上优于原始 PTFE 的原因，获得了使用两种类型 PTFE 基材的高速摄像机的 SEM 图像和蒸发曲线，并显示在图 2 中。在雕刻PTFE时，激光会破坏和烧蚀原始PTFE的光滑表面，从而改变表面的粗糙度，使微/纳米结构出现在PTFE上。在图 2a 中，对于雕刻的 PTFE，所有未处理的圆的表面都显示出相对光滑的表面，但雕刻区域装饰有微/纳米结构，这将 PTFE 变成了超疏水性 PTFE。同时，接触角图像显示雕刻的 PTFE 的静态水接触角比原来的大得多，角度（雕刻的 PTFE）的值为 151.8°，如图 2a 底部所示，已经达到了超疏水结构所需的静态接触角值 [15]。使用高速摄像机观察并记录一滴 5 μL Ag 胶体溶液在室温 (R.T.) 下分别蒸发在原始和雕刻 PTFE 上的蒸发过程。由于蒸发过程需要很长时间，因此分别捕获了蒸发过程开始和结束的蒸发曲线，以直观地解释该过程，如图 2b（原始 PTFE）和图 2c（雕刻 PTFE）所示。对于原始的 PTFE，在蒸发过程中，溶液与基材表面的接触面几乎没有减少。相比之下，雕刻 PTFE 的接触表面存在相对明显的减少，如图 2c 所示。原因是微/纳米结构的疏水性使液滴在 R.T.蒸发，导致接触面积减少。通过比较图 2b 和 c，可以直接观察到，在制造的 PTFE 上的 Ag 纳米颗粒收集的区域比原始 PTFE 小得多。需要强调的是，特殊的超疏水表面（疏水和超疏水表面的交替分布）不会让溶液固定在微米或纳米级纹理上，大部分溶质在蒸发后会被收集在这些圆圈中，如图所示附加文件 1：图 S3。换句话说，特殊的超疏水表面可以避免一般超疏水材料蒸发后分析物残留在微纳米结构中，导致溶质损失和SERS信号减弱的缺点。

一 基材表面原始PTFE和雕刻PTFE的SEM图像及相应的静态接触角图像； b 原聚四氟乙烯溶液的蒸发曲线； c 雕刻的 PTFE 上溶液的蒸发曲线

为了直观地观察到在高温蒸发（70°C）下，与原始 PTFE 相比，Ag 纳米粒子在雕刻的 PTFE 上更密集地聚集在一起，有不同倍数的光学显微镜图像和 SEM 图像，如图 1 所示。 3、分别。所制备的银纳米粒子的 SEM 图像显示在附加文件 1：图 S4 [16] 中。由于咖啡环效应，当所有的水完全蒸发后，大部分 Ag 纳米粒子会聚集在边缘，剩余的纳米粒子会分散在中间，这占据了原始 PTFE 的大部分区域，如图 3a 所示。 -G。对于雕刻的 PTFE，在高温环境下蒸发过程后，Ag 纳米颗粒会聚集在小圆圈中，没有咖啡环效应，如图 3h-k 所示。应该指出的是，通过比较图 3a 和 h，雕刻的 PTFE 上 Ag 纳米颗粒聚集的最终面积几乎是原始 PTFE 的 25 倍。为了减少蒸发时间，将样品放入烘箱中。值得注意的是，高温蒸发可以使纳米粒子比 R.T.蒸发如附加文件 1 所示：图 S5。一种可能的解释是快速蒸发可以使 Ag 纳米粒子更快地聚集在一起。然而，蒸发温度不能提高得太高，因为在非常高的加热温度下分析物分子的结构可能会恶化，导致 SERS 信号降低。由于快速蒸发，可以节省大量时间来准备 SERS 基板。综上所述，对于 5 μL Ag 溶液，制备的基底可以在 10 分钟内有效地将溶质富集到更小的区域。

一 –c 光学显微镜图像和d –g 不同倍数的原始 PTFE 上 Ag 纳米颗粒聚集的 SEM 图像。 h , i 光学显微镜图像和j , k Ag 纳米粒子聚集在不同倍数的雕刻 PTFE 上的 SEM 图像。整个橙色小框代表放大区域，白色虚线圈出Ag纳米颗粒聚集的最终区域

由于雕刻 PTFE 的传感能力高度依赖于表面的疏水性、传感区域的大小和 Ag 纳米粒子的初始浓度，我们通过制造指定的 PTFE 基板来研究这些参数。 1322 cm ⁻¹ 处的主要拉曼峰强度 MB (1 × 10 ⁻⁹ M) 是在各种 SERS 基板上获得的。我们研究了雕刻步长、输出功率、雕刻速度和圆直径大小对表面疏水性的影响。需要指出的是，雕刻步长、输出功率、雕刻速度和圆的直径会相互制约，影响基板的传感能力。为了更清楚地了解每个因素如何影响感知能力，三个变量保持不变，其中一个变量发生变化。

如图 4a 所示，接触角（红线）和拉曼强度（黑线）随着雕刻步长的增加而减小。原因是雕刻步长越小，微/纳米结构越致密。借助圆圈外更致密的微/纳米结构，溶质可以成功富集到这些小圆圈中，进而提高基板的传感能力。由于激光雕刻机精度的限制，本工作中最小雕刻步长为 0.02 毫米。如图 4b 所示，随着输出功率的增加，接触角增加，但拉曼强度呈现先增加后减小的趋势。随着输出功率的增加，原有的聚四氟乙烯被强激光破坏和烧蚀，导致基板表面出现更多的微/纳米结构。由于更多的微/纳米结构，如接触角的增加所证明的，衬底表面变得更加疏水。值得注意的是，多余的微米或纳米结构对分子拉曼信号的增强有不利影响。原因是足够的微/纳米结构使基材具有超疏水性，能够将分析物富集到疏水环中，但随着激光功率的增加，多余的聚四氟乙烯碎片很容易覆盖疏水小环。随后，溶质在蒸发过程后保留在微/纳米结构上，导致溶质损失，从而导致拉曼强度减弱。可以得出结论，20%输出激光制备的雕刻PTFE是最佳的SERS基板。

一 接触角、拉曼强度与雕刻速度的关系（输出功率：20%；雕刻速度：55mm/s；圆直径：0.5mm；Ag浓度：1.19 × 10 ^-12 米）。 b 接触角、拉曼强度和输出功率的关系（雕刻步长：0.02mm；雕刻速度：55mm/s；圆直径：0.5mm；Ag浓度：1.19 × 10 ^{− 12} 米）。 c 接触角、拉曼强度与雕刻速度的关系（雕刻步长：0.02mm；输出功率：20%；圆直径：0.5mm；Ag浓度：1.19 × 10 ^-12 M) d 接触角、拉曼强度与圆直径的关系（雕刻步长：0.02mm；输出功率：20%；雕刻速度：55mm/s；Ag浓度：1.19 × 10 ^{- 12} M)

在图 4c 中，随着雕刻速度的增加，接触角减小，拉曼强度先上升然后下降。与图 4b 和图 4c 中的接触角相比，可以得出结论，在 PTFE 表面上雕刻速度的影响与输出功率的影响相反。原因是随着激光速度的增加，激光点在聚四氟乙烯表面的曝光时间变短，导致原聚四氟乙烯烧蚀减少。因此，产生较少的微/纳米结构，导致接触角减小。根据拉曼强度与雕刻速度的关系，55mm/s激光速度产生的SERS基板具有最好的传感能力。因此，实验中选择 55 毫米/秒作为雕刻速度。如图 4d 所示，接触角和拉曼强度会随着圆直径的增加而下降。由于圆圈是未经处理的 PTFE，这些区域保持其原始润湿特性，即疏水状态。当将一滴溶液滴入雕刻的 PTFE 基材中时，液滴往往会停留在疏水环中。由于圆圈旁边的超疏水结构具有防水性，雕刻的聚四氟乙烯上的液滴具有相当大的接触角。随着圆直径的增加，液滴与表面的接触面积增加，液滴会慢慢变平而不是球体。由于不同基板上液滴的体积相同，接触角逐渐减小。该效应使雕刻 PTFE 的表面从超疏水变为疏水，这会影响溶质的富集，导致溶质的损失，最终减弱拉曼信号。同时，随着圆直径的增加，Ag纳米颗粒会分散到更大的区域，这会增加Ag纳米颗粒之间的间隙，从而削弱SERS信号。另一方面，由于圆直径的增加，分析物分散在更大的区域，使SERS检测变得困难。综上所述，分子的拉曼强度会随着圆直径的增加而减弱。由于激光雕刻机精度的限制，0.5mm为最小圆直径。

同时，Ag 纳米粒子的初始浓度也会影响附加文件 1：图 S6 中显示的 SERS 强度。随着银纳米粒子浓度的增加，拉曼强度急剧上升，然后趋于稳定。随着银纳米粒子的增多，衬底上的“热点”越来越多，导致拉曼信号增加。支持信息中提供了更详细的讨论。为了节省银纳米粒子，1.19 × 10 ⁻¹² 选择 M Ag 胶体溶液作为 Ag 纳米粒子的初始浓度。综上所述，在这项工作中，0.02 毫米的雕刻步长、20% 的输出功率、55 毫米/秒的雕刻速度、0.5 毫米的圆直径和 1.19 × 10 ^-12 选用M Ag纳米颗粒。

为了在同一基板上实现多次检测，将雕刻的PTFE制成24孔板（图5a），类似于细胞培养的24孔板。得到的基板可以实现对同一个雕刻的聚四氟乙烯上同时检测不同的物质。同时，雕刻的 PTFE 表面上的微/纳米结构可以充当两个不同液滴之间的虚拟孔，可以防止不同的液滴合并。为了进一步解释带有微阵列的雕刻 PTFE 基板的优点，选择原始 PTFE 进行比较。 MB 分子的 SERS 光谱如图 5b 所示。与原始 PTFE 相比，在微阵列上获得的 MB 的 SERS 信号强度明显增强。已经知道蒸发在原始基板上的 Ag 纳米粒子倾向于扩散到比根据图 3 雕刻的 PTFE 上更大的区域。因此，分散在原始 PTFE 上的 Ag 纳米粒子远离彼此甚至在边缘，导致拉曼信号不佳。然而，就带有微阵列的 PTFE 而言，它可以使大量纳米粒子聚集在一起，并且纳米粒子之间的距离减小可以增强 SERS 信号。正如之前报道的[17,18,19]，间隙的尺寸越小，两个纳米粒子之间间隙的电磁场就越强。另一方面，雕刻的 PTFE 能够将分析物分子集中在超稀释的水溶液中，而原始的 PTFE 则没有，与原始的 PTFE 相比，在雕刻的 PTFE 上的入射激光光斑的焦点区域内会产生更多的分子。同时，由于超疏水缩合效应，底物可以帮助分子输送到热点区域[20]。值得注意的是，获得分子SERS信号的高概率是活性SERS底物的另一个非常重要的因素。为了证明在雕刻的PTFE上检测到MB分子的概率高于原始PTFE上的概率，进行了系统映射测量，分子浓度为1 × 10 ^-9 M，如附加文件 1 所示：图 S7。图 5c、d 分别显示了 MB 分子和 R6G 分子的光谱，它们收集在雕刻的 PTFE SERS 基板上。说明MB分子的拉曼信号随着分子浓度的降低而逐渐减弱，但可以区分主峰，检测极限浓度为1 × 10 ^-14 M，如图 5c 所示。此外，如图 5d 所示，通过 R6G 光谱发现了类似的结果。为了证明雕刻的 PTFE 在生物应用中的应用，使用蛋白质，牛血清白蛋白 (BSA) 来测试开发的 SERS 基材的性能。在水中检测到不同浓度的 BSA，拉曼光谱如图 5e 所示。此外，附加文件 1：表 S1 中列出了在各种底物上或使用不同方法检测到的 MB、R6G 和 BSA 的检测限。

一 在雕刻的 PTFE 上检测物质的示意图。 b 相同浓度MB分子的SERS光谱(1 × 10 ⁻⁹ M) 分别在原始 PTFE 和雕刻 PTFE 上获得。 c , d , 和 e 不同浓度MB分子、R6G分子和BSA的SERS光谱

结论

总之，通过适当的雕刻参数和图案对 PTFE 进行雕刻，制备了一种低成本、活性和超疏水的 SERS 基板，可以实现在同一个基板上的多次检测。通过比较原始和雕刻的 PTFE 的接触角图像和蒸发曲线，雕刻的 PTFE 具有更好的疏水性，并成功地减少了基板表面的接触面积。此外，雕刻区域的 SEM 图像揭示了雕刻 PTFE 由于微或微/纳米结构而具有更好疏水性的原因。更重要的是，通过获得的关于银纳米颗粒在两个基板上聚集的 SEM 图像，与原始 PTFE 相比，具有微阵列的 PTFE 可以有助于将银纳米颗粒收集到一个非常小的区域，导致产生大量的热点在雕刻的 PTFE 表面上。 MB 拉曼光谱强度 (10 ⁻⁹ M) 与原始 PTFE 相比，在雕刻的 PTFE 上获得了巨大的增强。需要指出的是，R6G和MB的最低浓度为1 × 10 ^-14 M 在制造的超疏水 SERS 基底上检测到。同时，证明该底物可用于检测 BSA (0.002 μg/mL)。总之，本文提出了一种价格低廉、灵敏度高、活性高的SERS基底，具有很大的商业价值，可用于多个领域。

缩写

BSA：

牛血清白蛋白

EG：

乙二醇

MB：

亚甲蓝

NaHB4 :

硼氢化钠

聚四氟乙烯：

铁氟龙

R.T.：

室温

R6G：

罗丹明6G

SEM：

扫描电子显微镜

SERS：

表面增强拉曼光谱