通过电解在ITO上制备可扩展、可图案化的纳米点阵列用于高性能SERS

摘要

制备具有可图案化纳米结构的大面积器件对光学或电学器件实际应用至关重要。本文描述一种简便环保方法，通过金属氧化膜电解反应制备大面积纳米点(ND)阵列。通过调节施加电压、电解时间和氧化铟锡(ITO)膜厚度，可获得各种尺寸和形貌的NDs。水滴介质中，150 V电解25 nm厚ITO膜1.5 min可获得50-60 nm尺寸的高密度NDs，沉积薄银层后用于表面增强拉曼散射(SERS)。优化ND结构的SERS底物对罗丹明6G(R6G)检测限达5×10⁻¹² M。4-甲基苯硫酚(4-MBT)和R6G增强因子(EFs)分别达1.12×10⁶和6.79×10⁵。结合光刻步骤，单衬底可创建多区域ND阵列，实现一次实验同时检测含不同分子的不同样品。该方法快速、简便、可图案化、环保，适用于即时检测(POCT)、环境监测、机场安检等领域各种分子的现场快速同步测定。

引言

表面增强拉曼散射(SERS)数十年前从粗糙银电极表面观测到[1]。为理解SERS机制和实现实际应用而广泛研究。发展两大经典SERS底物系列：自组装胶体材料和纳米制造结构[2]。币金属(Ag、Au、Cu)纳米颗粒合成用于SERS研究[3,4]。纳米颗粒体系易用，但重复性和再现性差、灵敏度相对低[5,6]。电子束光刻[7,8]、激光干涉光刻[9,10]、聚焦离子束光刻[11]、纳米球光刻[12]、纳米压印光刻[13]制造的纳米结构显示高信号增强和优异重复性。但这些纳米制造技术需昂贵设备和限制环境(超净室)，制造过程慢。

SERS可直接用于水介质中分子传感识别，无水干扰[14-16]，广泛应用于小分子和生物分子传感。为更好更广应用，易于快速制备SERS微阵列底物仍极需，用于多种分子同时检测，特别是POCT和安全监测。胶体颗粒组装和纳米制造技术均涉及各类化学品或高能耗：颗粒合成需特殊化学品或气体，干法刻蚀工艺亦然；复杂层层设计沉积高能耗。过程产生各类环境污染：有机物、酸、碱、重金属离子、有毒刻蚀气体。

ITO膜可经标准金属沉积技术制备，因透明低成本广泛用作实验室和工业导电衬底。Gao等报道ITO膜在NaOH溶液阴极极化下可转化为铟(In)点[17]。

本工作提出并验证一种更简便、快速、绿色技术：在水环境/介质中直接电解ITO膜一步法在玻璃表面制备NDs。结合光刻工艺，可创建具有图案化多个隔离区域的ND阵列，从而在单衬底上实现含各类分子的不同样品同时测定。电解在低电压水环境中温和条件下进行。

材料与方法

材料与试剂

ITO玻璃(1.1 mm厚)购自洛阳龙羲玻璃有限公司(河南)，ITO厚度25、50、100、200 nm对应方阻93.52、31.05、15.86、6.97 Ω/sq。氟掺杂氧化锡(FTO)玻璃(2.2 mm厚)购自药科光电有限公司(江苏)，FTO厚度400 nm，方阻10.85 Ω/sq。去离子(DI)水(25°C下18.25 MΩ·cm)用Milli-Q Plus超纯水系统(四川沃特尔水处理设备有限公司)制备。乙醇(大茂化学试剂厂,天津)和丙酮(志远化学试剂有限公司,天津)清洗ITO玻璃。光刻胶SUN-120P购自山东三特微电子材料有限公司用于ITO图案化。4-甲基苯硫酚(4-MBT, 98%)、巯基乙磺酸钠(MESNa, ≥98.0%)、盐酸多巴胺购自Sigma-Aldrich(美国圣路易斯)。罗丹明6G(R6G, 98.5%)购自J&K Scientific(北京)。氢氧化钾(KOH, GR 95%)、三聚氰胺(99%)购自Aladdin(上海)。D-(+)-葡萄糖(99%)购自Alfa Aesar(上海)。亚甲基蓝(AR)、尿素(AR, ≥99.0%)、磷酸(AR, 85%)购自大茂化学试剂厂(天津)。甲醛溶液(AR, 37-40%)、磷酸二氢钠脱水(AR, ≥99.0%)、磷酸氢二钠十二水合物(AR, ≥99.0%)购自广州化学试剂厂(广州)。所有化学品即用。

水中ITO膜电解

ITO玻璃衬底先切割，依次丙酮、乙醇、DI水超声清洗各15 min，彻底DI水冲洗氮气吹干。图1展示制备工艺示意。DI水滴滴加ITO表面作电解介质。钨(W)线插入水滴连接正极，ITO膜连接电源(GWINSTEK PSW800-1.44, 中国台湾)负极，如图1a。施加电压后，ITO在水覆盖区电解形成In NDs(图1b)。

此外，ITO膜易图案化为微米至厘米范围各区域。ITO膜也可图案化为包含NDs的各隔离区域阵列，实现单衬底多功能区域，这对高通量/多重检测器件极重要。为形成图案化ND阵列，3.5×3.5 cm² ITO玻璃表面经光刻工艺图案化为分离方形区域。随后网格图案化ITO衬底与平ITO衬底面对面结合，形成平行器件，用200 μm厚压敏胶框密封并注入DI水。平ITO和图案化ITO分别连接电源正负极。该方法高度适合大面积图案化ND阵列制备。

SERS测量

调节施加电压、电解时间、ITO膜厚度可改变NDs尺寸和密度。形成NDs通常为数十至数百纳米紧密排列，形成纳米间隙。沉积薄Ag层(PD400, 武汉普德真空技术有限公司)得SERS底物。

表征此类SERS底物灵敏度，用Renishaw inVia拉曼显微镜(英国Renishaw 42 K846)测拉曼光谱。SERS底物浸泡分析物溶液1 h，对应溶剂彻底冲洗1 min，纯氮气吹干。干燥SERS底物置拉曼显微镜台测量。532 nm激光功率~0.14 mW经×50物镜(数值孔径NA=0.5, Leica)聚焦样品。底物激光斑直径1.30 μm。弹性散射激光激发用边缘滤波片去除。每条拉曼光谱累积10 s收集。

此外，为评估通用性和快速检测，选9种探针分子4-MBT、R6G、盐酸多巴胺、尿素、甲醛、亚甲基蓝、MESNa、D-(+)-葡萄糖、三聚氰胺表征制备SERS底物同时测定多种分子。4-MBT和亚甲基蓝溶于乙醇。MESNa溶于pH 2.7磷酸缓冲液调节DI水。D-(+)-葡萄糖溶液用pH 7.5磷酸缓冲液配制。其余样品溶于DI水。每次测量快速滴加3.0 μL制备溶液于底物，立即记录拉曼光谱。分析物浓度分别为：4-MBT乙醇溶液10⁻⁴ M，R6G水溶液5×10⁻¹¹ M，盐酸多巴胺溶液10⁻³ M，尿素水溶液0.5 M，甲醛溶液10⁻³ M，亚甲基蓝乙醇溶液10⁻⁵ M，MESNa溶液10⁻² M，D-(+)-葡萄糖溶液1 M，三聚氰胺水溶液10⁻² M。所有测量即时用拉曼仪器(Finder Insight, 北京卓立汉光仪器有限公司)进行，532 nm激发激光，2.5 mW功率。10 μm直径激光束经×50物镜(NA=0.55)聚焦样品。每条拉曼光谱0.3 s/次，累积10次。

其他表征

场发射扫描电镜(FE-SEM, ZEISS-Ultra 55, 德国蔡司)5 kV加速电压表征制备底物形貌。透射电镜(TEM, JEM-2100HR, 日本JEOL)测量。纳米点(纳米颗粒)刮取分散DI水。FE-SEM配置能量色散谱仪(EDS)和X射线衍射(XRD, X'Pert PRO, 荷兰PANalytical)Cu Kα辐射源，扫描速率0.04°/s，衍射角(2θ)20-65°分析化学成分。吸收光谱用光谱仪(USB 2000+, 美国Ocean Optics)440-650 nm波长范围记录。

结果与讨论

水介质中ITO膜电解形成纳米点

ITO膜作为透明导电衬底广泛应用于发光器件(LED)[18]、显示器[19]、太阳能电池[20]等光电器件。通常ITO腐蚀对电子器件应用有害。本工作利用电解反应诱导ITO腐蚀形成紧密堆积NDs用于SERS应用。电解诱导ND形成示意见图1a,b。电解前ITO膜表面平整透明(图1c)。ITO通常由In₂O₃和SnO₂不同比例组成。EDS表征ITO成分(附件1:图S1)。电解反应一段时间后，ITO表面干燥变半透明黄色。SEM表征发现玻璃表面形成紧密堆积NDs(图1d)。XRD测量图1e显示电解后出现三新峰，对应In元素(101)、(002)、(110)晶面。但ITO峰变低。TEM图1f确认形成NDs为In材料。

ITO膜为金属氧化物材料，形态含晶态和非晶态，典型纳米级表面粗糙度[21]。报道ITO可被NaOH腐蚀形成In纳米颗粒[17]。施加电压跨ITO膜时，阴阳极间电子转移。阴极和阳极电化学反应可用方程(1)(2)描述：

阴极：In₂O₃ + 3H₂O + 6e⁻ → 2In + 6OH⁻ (1)

阳极：4OH⁻ → O₂ + 2H₂O + 4e⁻ (2)

ND形成过程可图2说明。初始电解反应在ITO表面均匀进行。但ITO膜非完全均匀，正常ITO制备工艺存在厚度变化，特别是非晶ITO膜[22]。随时间演化，较薄区域因电场强度大、厚度小而消耗更快形成缺陷。水中达到饱和浓度后，还原In原子开始表面累积形成NDs。电解过程中透明度和颜色变化显著。根据脱湿过程界面张力效应，表面形成大量NDs。此法无特殊处理和化学品要求，在水介质施加电压即可实现，可视为环保技术。

电解参数：反应时间、施加电压、ITO膜厚度

NDs尺寸和密度与ITO膜厚度和反应动力学相关[23]。本工作考察反应时间、施加电压、ITO蜜厚度有效因素优化实验参数制备高灵敏度SERS底物。图3a显示150 V恒定电压、25 nm ITO膜厚下不同时间SEM图像。明显展示从连续ITO膜(图1c)到嵌入膜中小NDs、粗糙NDs、光滑NDs、直立分离NDs的序列形成过程(图3a左至右)。这种形貌和尺寸渐变可用ITO膜电解反应和扩散控制ND形成过程理解。

初始ITO膜表面开始反应。通常较薄区域电场强度高，初始反应速率快。故连续膜薄点(区)先形成缺陷，产生In原子累积形成NDs。此阶段形成小NDs仍在缺陷区，被ITO膜包围。随反应时间增加，大部分ITO材料还原形成表面In NDs。反应时间达0.5 min，大量NDs形成嵌入ITO膜。时间增至1.5 min，NDs尺寸和密度增加，NDs间间隙减小。进一步增至3.0和5.0 min，获得NDs变大变圆，间隙增大。电学测量显示ND区域不导电，意味着获得无连续互连的隔离NDs。从图3a SEM图像观察，1.5 min反应时间形成NDs尺寸相对均匀且紧密排列。较小间隙通常意味更强电磁增强。故选1.5 min制备SERS样品进一步实验。

随后考察施加电压对形成NDs尺寸密度影响。选25 nm ITO玻璃，1.5 min不同电压电解。图3b显示形成NDs密度随电压增加。50和100 V低电压形成NDs数量少，同区域密度低，明显分离。电压增至150和200 V，形成更多NDs，显示紧密排列模式。均匀尺寸和高密度对获取高灵敏度可重复拉曼光谱至关重要。故SERS底物制备最佳施加电压设150 V。

图3c显示150 V、1.5 min电解反应下25、50、100、200 nm ITO膜形成NDs SEM图像。25 nm ITO膜观察到比其他三种厚度更高密度、更均匀NDs。报道导电衬底表面粗糙度和电阻率影响结晶度[22]。通常表面粗糙度随膜厚增加。较薄ITO膜形成更均匀NDs归因于更平坦表面缺陷少。另一方面，ITO膜电阻率影响初始In ND形成过程。25、50、100、200 nm ITO膜方阻分别为93.52、31.05、15.86、6.97 Ω/sq。同电压下薄ITO膜电流低，实现缓和反应。这与实验结果一致：较薄ITO膜形成更均匀高密度NDs。据此选定SERS应用NDs制备实验参数：ITO膜厚度25 nm、施加电压150 V、电解反应时间1.5 min。此外FTO膜也用于电解。附件1:图S2显示电解后形成微纳颗粒，提示该电解反应在不同条件下也适用于其他金属氧化物膜，对其他应用有潜力。

SERS表征

评估高密度NDs制备底物SERS效应，选4-MBT作探针分子，因其峰少易表征、拉曼散射截面大[24]。优化条件制备高密度NDs底物沉积薄Ag层。附件1:图S3a-c显示Ag覆盖NDs形貌，Ag层厚度分别30、77、160 nm。随Ag层厚度变化NDs间隙减小。Ag厚度77 nm获最高平均拉曼强度(附件1:图S3d)。

图4a,b展示优化条件制备In NDs沉积77 nm Ag SERS底物详细表征。参考样品为直接沉积77 nm Ag于ITO(25 nm)玻璃。ND SERS底物上拉曼信号显著增强。4-MBT分子两主要特征峰1079和1594 cm⁻¹在ND SERS底物清晰观测。1079 cm⁻¹峰代表苯环呼吸模式、C-H面内弯曲和C-S伸缩组合。1594 cm⁻¹峰归因于苯环伸缩运动(8a振动模式)[25]。

考察制备ND SERS底物大面积相对均匀性，同底物随机移动样品台进行10次测量。图4b显示测得拉曼光谱，各4-MBT特征峰信号强度相对一致。1594 cm⁻¹拉曼强度相对标准偏差(RSD)约4.1%，表明该制备工艺SERS底物具高信号重现性。

此外R6G也用于展示SERS底物可靠性和灵敏度。图4c显示制备ND SERS底物和参考Ag膜测得拉曼光谱。R6G特征峰观测于614、771、1187、1362、1507、1571、1648 cm⁻¹。614、771、1187 cm⁻¹峰分别归因于C-C-C环面内弯曲、C-H面外弯曲、C-O-C伸缩振动。1362、1507、1571、1648 cm⁻¹峰与芳香C-C伸缩振动相关[26]。

图4d展示制备ND SERS底物上R6G水溶液浓度5×10⁻¹²至5×10⁻⁷ M拉曼光谱。R6G拉曼强度随浓度降低明显减弱。特征峰甚至在5×10⁻¹² M低浓度仍清晰辨识，表明制备ND SERS底物高灵敏度。定量表征制备ND底物SERS效应，计算增强因子(EF)。纯4-MBT和R6G粉末拉曼光谱(附件1:图S4)及EF计算详情(附件1:图S5)见补充信息。4-MBT和R6G EFs分别在特征拉曼峰1079和1648 cm⁻¹处计算为1.12×10⁶和6.79×10⁵。此外，拉曼截面较小的MESNa[27]也用于SERS测量(附件1:图S6)，展示可靠SERS效应。

一般SERS增强源电磁(EM)和化学(CM)效应[28]。附件1:图S7显示77 nm Ag覆盖ND底物吸收光谱。参考底物为77 nm Ag沉积裸ITO(25 nm)膜。NDs SERS底物在优化实验参数(ITO厚度25 nm、电压150 V、电解1.5 min)制备。激发波长等于或接近表面等离子体共振(SPR)峰时，电磁等离子体耦合发生诱导强SERS增强[29]。NDs SERS底物SPR峰~453 nm(附件1:图S7)，接近实验用532 nm激发波长，故SERS增强主要源NDs间隙"热点"电磁增强。进一步研究EM增强，有限差分时域(FDTD)模拟研究NDs间隙电场。相对总电场增强结果见附件1:图S8。模拟显示电场增强主要发生NDs间隙。最大因子3.0代表场增强|E|²为10³，对应EF 10⁶，与实验结果吻合(4-MBT 1079 cm⁻¹处1.12×10⁶，R6G 1648 cm⁻¹处6.79×10⁵)。

此外，半导体材料(In₂O₃、SnO₂、TiO₂)据报通过分子-材料电荷转移增强SERS信号(如R6G-过渡金属氧化物、4-MBA/4-NBT-SnO₂)，关联CM[28,30-33]。ITO由In₂O₃和SnO₂不同比例组成。水介质中ITO电解后因电化学还原形成In NDs，同时ITO峰仍明显如图1e。为探究In₂O₃/SnO₂-分子电荷转移CM增强对SERS效应贡献，分别测ITO玻璃、ITO电解后NDs底物、77 nm Ag涂层ITO玻璃、77 nm Ag涂层NDs底物上10⁻⁴ M 4-MBT和5×10⁻⁷ M R6G拉曼光谱(附件1:图S9)。NDs底物按优化参数制备。4-MBT和R6G特征拉曼峰在ITO玻璃、电解后NDs底物、Ag涂层ITO玻璃上难以分辨；但在Ag涂层NDs底物清晰观测到明显峰。故In₂O₃/SnO₂-分子电荷转移CM增强被认为微弱，与EM增强相比可忽略。高度增强SERS效应主要源In NDs间隙间电磁增强。

图案化ND阵列实现单衬底多样品同时SERS表征

前文证实此法可通过纳米级ITO膜简单快速电解反应轻松创建NDs。此外，ITO膜可通过局部保护或分割图案化，在单衬底形成阵列，如图5a示意。三片3.5×3.5 cm²衬底分别图案化为1×1、3×3、5×5 SERS区域，如图5b。因电解反应ITO面积增大较滴加电解，总电荷数增加致电流增大电阻降低。按电源电流限制1.512 A，图案化平行电池In NDs制备最大输出电压~75 V。考察电解时间(附件1:图S10)。5.0 min反应时间获得最高密度均匀性ND阵列。此处用优化参数：ITO膜厚度25 nm、施加电压75 V、电解反应时间5.0 min制备大面积图案化ND阵列SERS底物。实现~50×50 μm²方形ND阵列，间隙距离~5.0 μm(附件1:图S11)。

优化条件制备3×3区域底物用作SERS底物多样品同时检测。图6a示意9个单独液滴(各3.0 μL)含9种不同分析液滴加于图案化9区域。选9探针分子4-MBT[25]、R6G[26]、盐酸多巴胺[34]、尿素[35]、甲醛[36]、亚甲基蓝[37]、MESNa[38,39]、D-(+)-葡萄糖[40]、三聚氰胺[41]分别标记为样品1-9置于底物。图6b显示所有9分子显示明显拉曼特征峰。证明利用单底物同时检测不同样品概念。

结论

综上，提出并验证一种简便、快速、廉价方法，在大面积表面制备可图案化结构NDs作为SERS底物。NDs形成基于水介质中ITO膜电解。电解时间、施加电压、ITO膜厚度决定NDs尺寸和密度。滴加电解法下，150 V电解25 nm厚ITO膜1.5 min获得50-60 nm范围良好分布NDs。沉积~77 nm Ag后制备ND底物经多种探针分子评估SERS效应。4-MBT和R6G获得可重复灵敏拉曼光谱，EFs分别~1.12×10⁶和~6.79×10⁵。此外结合光刻，3.5×3.5 cm²衬底可图案化1、9、25 SERS区域，仅需各分析液一滴即可单底物同时实现多样品检测。这对POCT、环境监测、机场安检等现场特定分子快速定性高度需求。该技术显示温和条件易制备、可大面积图案化形成阵列、可集成微流控实现高通量光流体应用优势。