单分散贵金属微球磁性组装构建可重复、可循环利用的SERS底物

摘要

通过胶体构建块组装制备均匀阵列薄膜，对于集成单个和集体功能具有实际应用价值。本文提出了一种磁性组装路线，将单分散贵金属微球组装成均匀阵列薄膜，用于表面增强拉曼散射（SERS）应用，实现了单个贵金属微球的信号灵敏度与其组装均匀阵列薄膜的可重复性的集成。为此，通过自制的超声辅助反应体系成功合成了单分散多功能Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂@Ag（FOSTA）胶体微球作为构建块。在SERS检测中，这些多功能微球首先能从溶液中结合分析物（R6G），然后在外部磁场下组装成均匀薄膜，表现出高SERS检测灵敏度和良好的可重复性。此外，由于FOSTA胶体微球中的TiO₂中间层，构建块可通过光催化降解吸附的分析物实现回收和自清洁，用于循环SERS应用。

引言

由于光谱指纹独特、灵敏度高、数据采集无损等无可比拟的优势，表面增强拉曼散射（SERS）光谱已被深入探索为一种强大且极其敏感的分析技术，在生物化学、化学合成、食品安全、环境监测等领域具有广泛的潜在应用[1-3]。自发现粗糙银表面能大幅增强吸附分子的拉曼散射光谱以来，SERS底物一直是研究焦点，因其与拉曼信号强相关[4,5]。后来发现聚集体中的间隙或结点（称为“热点”）对强拉曼信号有贡献[6]，随后在设计和合成含“热点”结构的各种贵金属纳米结构材料方面取得了巨大进展[7]。

迄今为止，已设计出各种由SERS活性纳米颗粒和纳米结构支撑材料组成的材料以获得更高增强[8,9]。通常，SERS底物可分为两大类：结构化薄膜和胶体颗粒。结构化薄膜常通过电子束光刻、AAO模板、胶体阵列模板（如聚苯乙烯）等复杂工艺制备[10-14]，这些结构化薄膜表面均匀，有利于提高SERS信号的可重复性。然而，制备工艺耗时，且难以制备纳米间隙可控且小于5 nm的纳米图案表面[15]。因此，结构化表面的SERS增强通常远低于湿法化学制备的贵金属颗粒或层级微球，因为致密的纳米级间隙分布在整个层级颗粒上[16-18]。不幸的是，虽然层级贵金属颗粒作为SERS底物的信号灵敏度极佳，但因无序聚集导致其可重复性相对较差[19]。

为解决“热点”分布不规则问题，利用自组装策略实现有序聚集，诱导纳米级构建块之间产生相对均匀分布的“热点”[20,21]。基于表面张力、共价相互作用、范德瓦尔斯力和静电吸引力等不同作用力，开发了多种方法[22-29]。例如，Bai等人通过受控蒸发沉积工艺制备了大面积垂直排列的金纳米棒阵列[23]。Kim等人基于PS-b-P4VP胶束报告了一种制备超高密度银纳米簇阵列作为SERS底物的简单方法，具有高灵敏度和优异的可重复性[28]。这些报道的贵金属颗粒薄膜组装展示了高度可重复的SERS信号，但与悬浮液法相比，分析物的结合速率较低。

磁性贵金属微球可通过磁分离在溶液中高效捕获分析物，并在固定在载玻片后表现出优异的SERS性能[30-32]。此外，引入光催化材料制备自清洁SERS底物，使SERS底物易于循环利用[33,34]。遗憾的是，尽管这些多功能磁性复合微球能快速结合分析物并在外部磁场下形成薄膜，但所得薄膜往往无序，导致“热点”分布极不均匀，SERS信号可重复性差。因此，这些磁性贵金属微球在SERS应用中仅限于作为磁分离工具。虽然磁性组装因其在外部磁铁下操作简单而具有吸引力，但要求构建块具有高单分散性，特别是三维组装[35]。迄今为止，尚无研究报道利用磁性组装路线构建可重复和可循环的SERS底物。

本文在自制超声辅助反应体系中成功合成了单分散多功能Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂@Ag（FOSTA）复合微球，适合作为磁性组装的构建块。如方案1所示，多功能FOSTA复合微球首先通过分散和磁分离高效从溶液中捕获分析物（R6G）用于SERS分析。随后，在外部磁场下，这些FOSTA复合微球在载玻片上组装成均匀薄膜，预期表现出高灵敏度和可重复的SERS性能。此外，用过的FOSTA复合微球可在紫外光照射下通过光催化降解吸附的分析物实现回收。

实验部分

Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球的合成

单分散Fe₃O₄@SiO₂微球按前文报道合成[36]。TiO₂壳层包覆在超声槽中进行以避免聚集。典型合成中，将Fe₃O₄@SiO₂（20 mg）分散于羟丙基纤维素（0.1 g）、乙醇（45 mL）和去离子水（0.1 mL）的混合液中。30 min后，用蠕动泵在15 min内将四丁氧基钛乙醇溶液（1 mL，5 mL）完全注入混合液。随后将超声槽中的水逐渐加热至85 °C并回流100 min。产物经外部磁铁分离并用乙醇反复洗涤后，重新分散于含聚乙烯吡咯烷酮（PVP，1.0 g）的75 mL去离子水中超声30 min，再转移到特氟龙高压釜中，在180 °C下将非晶TiO₂壳层转化为锐钛矿结构。

FOSTA微球的合成

银壳包覆同样在超声槽中进行以避免聚集。上述Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球（约25 mg）分散于水/氨水/乙醇混合溶液（2 mL/0.2 mL/13 mL）中，含硝酸银（0.1 g）和PVP（1 g），在超声辅助下于40 °C分散30 min。随后升温至85 °C。反应一定时间后取出烧瓶，产物经外部磁铁瞬间分离，用乙醇洗涤数次。最终产物保存在乙醇中备用。

表征

产物经X射线衍射（XRD，2θ范围10°-80°，Cu Kα辐射，Philips X'pert衍射仪）、扫描电子显微镜（SEM，Hitachi S-4800）、透射电子显微镜（TEM，JEOL-2010）分析。磁性测量用超导量子干涉装置磁强计（SQUID，Quantum Design, MPMS XL）进行。

SERS测量

以R6G作为拉曼探针测试SERS底物的可重复性。制备不同浓度的R6G溶液（20 mL），加入保存在乙醇中的FOSTA复合微球，在振荡床上振荡2 h。用外部磁铁提取产物并用乙醇洗涤。将残留溶液滴在洁净的硅片上（下方放置圆形磁铁），盖上培养皿静置至乙醇完全挥发。全过程在防震台上进行。残留溶液在空气中缓慢干燥后，在拉曼仪器（LABRAM-HR）下测量，激发波长633 nm，激光光斑直径约3 μm，采集时间每谱3 s。

光催化和循环测试

以R6G为模型测试FOSTA复合微球的光催化性能。样品（40 mg）分散于R6G溶液（40 mL, 10^-5 M）中，避光放置30 min进行暗吸附实验。将上述溶液分成八等份，置于自制光催化装置中，用300 W汞灯为光源。每隔一定光照时间取一份（5.0 mL）离心除去光催化剂，上清液在紫外-可见吸收光谱仪（上海仪电分析仪器有限公司）上于525 nm处测定吸光度定量分析。循环测试按上述步骤进行，但紫外光照时间设为100 min，样品用去离子水冲洗数次除去残留离子后进行SERS测试。

结果与讨论

按设计路线，单分散Fe₃O₄微球是磁性组装的关键因素。此处采用本组前文报道的水热法合成[36]。如图1a、e、j所示，合成了直径200 nm的单分散Fe₃O₄微球，分散良好无明显聚集。为进一步提高颗粒分散性和外层生长的相容性，通过Stöber法在Fe₃O₄微球上包覆二氧化硅层。图1b显示获得了均匀的Fe₃O₄@SiO₂复合微球，因其高形貌和尺寸单分散性，在制备SEM样品时倾向于形成六方密排超结构（图1b、f）。虽然均匀的Fe₃O₄@SiO₂复合微球是后续壳层生长的良好磁性平台，但TiO₂和Ag异质沉积过程中需特殊反应体系避免聚集，本实验在超声槽中集成了机械搅拌和回流。未使用机械搅拌和超声合成的Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂复合微球见支持信息附加文件1：图S1和S2，观察到聚集颗粒或表面粗糙颗粒，因颗粒间排斥力减小或反应溶液不均匀导致壳层包覆不均[37]。而在同时具备超声和机械搅拌的自制反应体系中，可成功制备分散良好的Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球（图1c），壳层由微小TiO₂纳米颗粒组成（图1g、k）。非晶TiO₂壳层经水热处理转化为锐钛矿结构后，再通过原位法包覆银，银离子由PVP缓慢还原。所得FOSTA复合微球仍保持良好分散（图1d），TiO₂壳表面沉积了致密的Ag纳米颗粒（图1h、i）。综上，通过自制装置的多步包覆工艺合成了多功能FOSTA复合微球。机械搅拌配合回流保证反应均匀进行，超声保证磁性核在包覆过程中保持良好分散。总之，合成了可作为磁性组装构建块的单分散多功能FOSTA复合微球。

各包覆步骤的产物均经X射线粉末衍射（XRD）表征。图2a中Fe₃O₄的特征XRD在35.3°和62.4°处有两个峰（黑点），分别对应立方相Fe₃O₄的(311)和(440)晶面（JCPDS卡片75-0449）。包覆非晶SiO₂层后，图2b在23°处观察到宽峰[38]。再沉积TiO₂层并水热处理后，Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球的XRD图谱（图2c）比Fe₃O₄@SiO₂新增25.3°、37.9°、48.0°处的峰（红三角），分别对应锐钛矿相的(101)、(004)、(200)晶面（JCPDS卡片75-2545）。在Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球表面沉积致密Ag纳米颗粒后，上述材料的衍射峰虽因Ag在38.1°和44.6°处的强峰（蓝星）而变弱，但仍可观察到，这两个峰分别归属为立方相Ag的(111)和(200)晶面（JCPDS卡片4-783）。图2的XRD图谱显示，特征衍射峰对应FOSTA复合微球中的尖晶石Fe₃O₄、非晶SiO₂、锐钛矿TiO₂和立方相Ag纳米颗粒。特征XRD图谱表明三种不同层按设计路线依次包覆在Fe₃O₄微球上。

研究了Fe₃O₄和FOSTA复合微球的磁性（图3）。图3a显示的零矫顽力和可逆磁滞回线表明Fe₃O₄微球具有超顺磁性。Fe₃O₄微球室温饱和磁化强度为73.3 emu/g，但FOSTA复合微球继承自磁性Fe₃O₄颗粒的磁化强度因额外非磁性材料（SiO₂、TiO₂、Ag壳层）而明显下降。尽管饱和磁化强度值（2.62 emu/g）大幅降低，FOSTA复合微球仍可通过磁分离从悬浮体系中缓慢聚集。

在FOSTA复合微球中，Ag壳层结构至关重要，它不仅决定SERS性能，还影响光催化性能，因此需控制Ag壳层生长以优化整体性能。此处PVP既作表面活性剂又作温和还原剂，故Ag纳米颗粒生长可通过Ag核出现后的反应时间轻松控制。在不同时间间隔取样四个典型产品研究，命名为样品I-IV（图4）。图4a显示，15 min时出现微小Ag纳米颗粒；反应进行至20 min，Ag纳米颗粒长大但未接触；Ag纳米颗粒持续生长，25 min时大部分Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球表面被覆盖；最终Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球表面被大Ag纳米颗粒完全覆盖。生长过程中，Fe₃O₄@SiO₂@TiO₂微球表面的Ag纳米颗粒从纳米颗粒逐渐生长为完整壳层。

上述不同时间间隔的样品首先作为SERS底物测试，以R6G为探针，结果见图4b。图4b中500-1750 cm^-1所有峰均归属为R6G信号，773 cm^-1峰因蒽骨架氢原面外弯曲振动，1187、1311、1363、1509、1651 cm^-1峰分别归属于芳香环的C-H面内弯曲、C-O-C伸缩、C-C伸缩振动[39]。选取最强峰1363 cm^-1比较。样品I显示极弱SERS信号，无清晰可辨峰，因分离的Ag纳米颗粒太小。样品II比样品I信号更强，因局域电磁增随颗粒尺寸增大而增加[40,41]。样品III SERS信号进一步增强，因分离Ag纳米颗粒尺寸达约50 nm，据报道产生最强增强[40]；且这些Ag纳米颗粒靠近形成大量间隙作为“热点”[8]。但Ag纳米颗粒持续生长最终在样品IV中融合，间隙随之消失，降低了SERS活性。因此，综合比较样品III显示最高SERS性能。

随后以R6G研究样品I-IV的光催化性能。图4c显示，样品I-III在紫外光照下均能完全降解R6G。图4c插图显示，磁性微球上TiO₂-Ag复合材料的TiO₂核在紫外光下被激发，电子从TiO₂导带转移到Ag导带，生成高活性氧化物种（如•O₂^-和•OH），进而导致R6G降解[42]。但随FOSTA复合微球中Ag含量增加，样品I-IV降解能力呈下降趋势。前人研究显示，负载在TiO₂上尺寸和密度优化的贵金属纳米颗粒是获得优异催化性能的必要条件。较大Ag含量可能有害于光降解性能，因Ag颗粒也可作为复合中心。故实验中随Ag含量增加完全降解时间变长，样品III长达近3 h。虽样品III降解效率相对较弱，但吸附的R6G分子仍可完全降解，满足自清洁要求。因此，综合考虑样品III具有最强拉曼增强，应为组装SERS底物的最优构建块。

磁性组装被报道为极强大的组装方法，因磁场梯度驱动的磁性堆积力能诱导颗粒局域浓缩从而启动结晶过程[43]。在外部磁场引导下，因具有超顺磁性和单分散特性，FOSTA复合微球（样品III，下同）能快速高效组装成有序结构。图5a显示，单分散FOSTA复合微球在外部磁铁下成功组装成大面积均匀薄膜（称“磁组装薄膜”），放大局部区域可见六方密排结构（图5b）。为比较，也制备了无外部磁场下FOSTA复合微球自组装薄膜（称“自组装薄膜”），但获得粗糙无序结构薄膜（图5c），归因于溶剂蒸发时的随机聚集（图5d）。此外，磁组装薄膜比自组装薄膜更平滑。上述结果表明，FOSTA复合微球磁性组装可获得更均匀的薄膜，包括有序性和平整度。通过在底物上选取20个点研究有无外部磁场组装薄膜的SERS信号可重复性（图5e、f）。R6G溶液浓度10^-8 M，记录对应拉曼强度（1363 cm^-1），见图5g。磁组装薄膜平均相对标准偏差（RSD）约0.05，远低于自组装薄膜的约0.197。还观察到磁组装薄膜拉曼峰强度平均略高于自组装薄膜，可归因于颗粒间产生的二级“热点”，显示出阵列结构增强效应[44]。综上，实验结果表明磁性组装赋予FOSTA复合微球在灵敏度和可重复性上双重优势。进一步测试R6G浓度依赖的SERS光谱考察FOSTA复合微球检测限。用10^-6至10^-12 M宽浓度范围R6G溶液评估磁组装薄膜检测能力。图5h显示，FOSTA复合微球在10^-6至10^-11 M浓度范围显示明显增强信号，甚至在10^-11 M低浓度下插图中所有增强峰仍清晰可见。以1363 cm^-1峰对数强度对R6G对数浓度作图（附加文件1：图S3）。R6G检测线性范围为10^-6至10^-11 M，检测限（LOD）为10 ppb，显示设计SERS体系具有高灵敏检测能力[45,46]。

实验中通过结合Ag和TiO₂壳层等不同功能层集成了SERS技术和光催化性能。通过重复SERS和光降解测试研究其可循环性（图6）。FOSTA复合微球先浸入含R6G分析物溶液，经SERS测试后分散于去离子水中紫外光照约100 min。再用去离子水冲洗数次除去残留离子和分子。观察到主要峰消失，SERS底物拉曼光谱与新制备的相似。因吸附在底物上的分析物量极低，自清洁目标实现非常简单容易。底物清洁后可重复使用多次。三个循环后R6G拉曼峰的SERS信号衰减极小，每次自清洁后均未检测到SERS信号，表明FOSTA复合微球可重复用作SERS底物。此外，三个完整循环后，FOSTA复合微球形貌无明显变化（见图6插图），暗示其物理强度稳定。

结论

为制备高可重复性和可循环SERS底物，在自制超声辅助反应体系中开发了多功能微球作为构建块。在外部磁场下，所得FOSTA复合微球组装成平滑阵列结构薄膜，展现灵敏可重复的SERS性能。得益于TiO₂壳层，用过的FOSTA复合微球可通过自清洁程序进一步循环利用。通过在磁性微球上集成SERS和光催化功能，磁性组装路线是制备可重复、可循环SERS底物的有前景技术。

数据与材料可用性

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