仿生表面增强拉曼散射(SERS)芯片的设计及在爆炸物痕量当前位置：首页 > 科学技术 > 研究进展
仿生表面增强拉曼散射(SERS)芯片的设计及在爆炸物痕量分析中的应用
文章来源：科技信息中心编辑室 时间：2019-01-28
共1页 1
表面增强拉曼光谱技术(SERS)是一种新型的痕量分析技术，它可以将吸附在材料表面的分子拉曼信号放大约106~1014倍，在探测器的应用和单分子检测方面有着巨大的发展潜力。SERS基底材料的性能直接决定着对痕量物质的探测能力，而三维大尺度有序阵列结构的SERS基底，通常具有更好的灵敏性、稳定性及可重复性，成为目前SERS基底开发的热点。利用仿生理念来构筑具有多级有序结构的仿生材料近年来受到人们的广泛关注，而具有三维有序图案化结构的仿生材料的可控制备一直是人们面临的一项挑战。
在此背景下，中国工程物理研究院化工材料研究所率先将仿生思想引入表面增强拉曼技术领域，开展了相关研究，旨在通过移植自然界优异的性能的仿生结构，实现SERS基底综合性能的提升，同时保持仿生特异功能，开辟功能材料设计新思路，推进SERS痕量分析领域的应用发展。经过五年的技术攻关，提出了仿生结构SERS材料的设计、芯片构筑方法，开发了基于蝶翅精细结构光显色效应，荷叶表面超疏水效应，水母触须食物捕获效应，海胆三维分级结构四个特色鲜明的研究体系，获得了10余种仿生功能化的SERS基底，并实现电场全面性能调控，通过探针修饰，突破SERS基底对小分子无捕获的难点，成功将仿生基底用于爆炸物的痕量分析研究。根据待测物固、液、气，水溶性，非水溶性等类型划分，结合SERS芯片特点，开发配套增敏技术，芯片自复活稳定技术，结合数据算法处理，可为爆炸物痕量分析提供准确，快速的数据处理依据，有望获得对多种混合危险物质的痕量分析测试技术。
1 仿生材料基底的制备及表征
针对目前SERS基底材料存在综合性能(灵敏度、稳定性)无法满足实际探测的要问题，我们借鉴自然界中生物体的三维精细图案化结构，率先提出SERS基底性能复合化、智能化、能动化的材料设计策略及构筑方法，从性能上仿生，突破当前仿生材料常规合成方法，引入先进的微电子学科制造技术，光子晶体制备技术，解决了目前大尺度三维有序材料可控制备的技术难题，构筑了具有三维大尺度有序阵列结构的仿生材料，以此仿生材料作为SERS基底。通过综合评估仿生形貌与局域电场等增强因素的关联性，掌握了高灵敏SERS基底和仿生材料的构效关系。这种三维周期复合结构，不仅能对光在金属表面的传播可实现全向控制，能提供高密度SERS活性“热点”，具有更高的SERS增强活性，保证更高的灵敏度，增强因子突破达108；还具有更大的比表面积，对待测有机小分子有更好的捕获能力，有更好的选择性。
如何将自然界生物中的奇特能力与SERS效应相结合，各取所长，发挥性能叠加作用，是能否获得高质量SERS探测芯片的关键。而根据生物特性，我们提取了四类具有鲜明仿生性能的研究体系。通过计算其增强因子(Enhancement Factor)，评估基底的灵敏度，增强因子计算公式
国际通用EF值来评估基底材料的灵敏性，其中ISERS，CSERS，VSERS，SSERS分别表示待测物经SERS增强后的拉曼光谱强度，SERS探测时的浓度，体积，溶液形成表面积，而下标为Ref表示普通拉曼测试时的强度，浓度，体积和表面积。EF值越大，代表增强能力越大，基底材料灵敏性越好。基底材料的稳定性由RSD值衡量，RSD值为测试20次以上每个峰拉曼强度的相对标准偏差，RSD值越小，代表信号重现性越好，基底均一性越好。
(1) 仿生超疏水有序阵列结构的构筑及SERS性能研究
生物体结构经过20亿年的物竞天择的优化,已逐渐形成了各种特殊形态的微纳米尺度分级结构, 呈现出完美的超疏水性。例如荷叶表面、夏蝉翅膀等。根据著名的Cassie-Baxter模型，当接触角度超过150°，称之为超疏水表面。
化工材料研究所研究人员借鉴荷叶乳突结构的高疏水性，引入微电子加工技术，通过光刻方法标定一级结构位置，再结合深硅刻蚀，在一级结构上构筑高度为20 mm的大尺度有序硅柱阵列，如图1所示。而后在硅柱阵列上生长微/纳结构材料，作为SERS基底。用此类方法构筑的复合结构，不仅在微尺度具有三维有序的多孔(片状银或ZnO的孔道)，在厘米级大尺度也具有高度有序的三维结构(微电子加工的模板结构)。这种三维周期复合结构，不仅能对光在金属表面的传播可实现全向控制，能提供高密度的“热点”，具有更高的光学增强活性，保证更高的灵敏度；还具有更大的表面积，对待测有机小分子有更好的捕获能力，有更好的选择性。同时，还具有其他一些特殊的物理性质，如高疏水性。以此作为SERS活性基底，可使水溶性探测分子溶液在表面快速蒸发，引起探测分子局域浓缩，大大缩短了有机分子的探测过程。该研究目前国际国内尚无相关报道，属于多学科交叉的新型技术。且该技术能够在短时间内，使用少量检测溶液(2~5 mL)的情况下，实现待测分子的快速探测。基底EF值高达1.19×109，RSD值小于0.20，将FOX-7进行一步简单水溶性合成后，检出限可以达到1×10-9 mol/L。利用仿生疏水性SERS基底的构筑，可有力解决微体积、超低浓度的有机溶液难以用SERS检测的难题。因此，探索天然超疏水生物表面的奥秘进而进行人工仿生制备具有极其重要的意义。
(2) 仿生结构色三维有序SERS刚性及柔性基底的构筑及痕量爆炸物探测研究
结构色(structural colour)，又称物理色(physical colour)，是一种由光的波长引发的色泽。结构色与色素着色无关，是生物体亚显微结构所导致的一种光学效果。生物表面或表层的嵴、纹、小面和颗粒能使光发生散射或反射作用，从而产生特殊的颜色效应。例如，蝴蝶翅膀。二战期间，科学家通过对蝴蝶色彩的研究，为军事防御做出了巨大的贡献。
中国工程物理研究院化工材料研究所研究人员灵活应用结构色的优势，利用溶液浸渍-胶体合成方法，控制前驱液的添加方式及后期处理过程，成功获得了新型形貌可控的周期性分级微/纳结构ZnO-Ag复合芯片[见图2(a)]。随着光照角度的不同，该芯片呈现不同色彩变化，具有明显的仿生结构色性质，三维的有序精细结构能够对光实现全向调控，能提供高密度的“热点”，由于相互交错的纳米结构之间有大量小于10 nm的间隙，间隙间强烈的电磁耦合会产生大量的SERS“热点”，同时，纳米针侧面有大量尖锐的边缘与棱角，会产生“天线”作用，加强电场传输[见图2(b)]。因此，基于仿生光显色结构构筑的SERS基底，具有更高的光学增强活性，保证了基底具有更高的灵敏度。利用该仿生基底进行分子探测，基底EF值高达7.8×108，RSD值小于0.23，通过探针4-ATP修饰，构建SERS芯片，对TNT检出限可以达到1×10-12 mol/L。由于该芯片制作简便，性能优异，我们将该芯片设计具有化材所标志的产品[见图2(c)]。
柔性仿生材料具备可贴附、可穿戴、便携式、可折叠等特点而备受国内外研究者广泛关注，并逐渐成为当前重要的前沿研究领域之一。化工材料研究所研究人员将刚性芯片的三维阵列结构反转设计，利用盖章概念，将其作为印章，在柔性基底材料上压印出同样具有大尺度可控有序的三维图案化阵列，作为可擦拭卷曲取样的柔性薄膜。该柔性薄膜在光照变化下，呈现不同的结构色变化(见图3)，具有明显的结构色性质。在该项目中首次实现了在柔性材料上的大尺度有序三维阵列，通过修饰硫基探针，利用柔性材料的可卷曲性，对TNT进行擦拭，卷涂采样，可实现pM级的检出限，同时硫基探针对TNT具有很好的选择性响应(见图3)。发展此类柔性材料，有序复合结构作为传感材料，有望应用于多类有机小分子(爆炸物、食品添加剂、可持续性有机污染物)的痕量分析探测中，对痕量有机小分子检测技术的发展与实际应用领域具有重要意义。
2 定向捕获待测物的探针设计及芯片组装
利用表面增强拉曼散射效应进行传感探测，通常被认为是化学增强机理的作用。当分子吸附于基底表面时，表面、表面吸附原子和其他共吸附物种等都可能与分子有一定的化学作用，这些因素对体系极化率的变化影响待测分子的拉曼强度。然而，首先，分子必须吸附到基底表面。在检测前，通过浸泡，滴涂将分子转移到基底表面，然而，有机小分子通常很难直接被富集吸附，即使通过很长的时间浸泡，其检测效果也非常差。
为了解决目前SERS效应响应和灵敏度的最大问题——捕获待测有机小分子困难；通过引入探针分子，产生协同等离子体共振效应，获得探针与待测炸药分子间的作用关系，阐明芯片对炸药分子的增强响应机制，有更好的增强活性，对传统SERS传感探测无法检测的有机小分子，如TNT，获得高灵敏的检测效果(检出限4×10-14 mol/L)和好的选择性(见图4)。我们提出的 探针与分子“手拉手”协同效应的设计策略，截至目前是唯一能解决传统SERS传感探测检测有机小分子困难的有效方法，对爆炸物，如TNT，可获得高灵敏的检测效果和好的选择性。
3 特定仿生性能的增敏测试技术
(1) 触须状自聚拢“热点”激发仿生ZnO-Ag的SERS芯片对TNT的高敏探测
水母是海洋浮游生物群落中的重要组成类群，其身体具有大量触角，每个触角上分布无数电极，通过放电而将食物击晕捕食，具有超强的食物捕获能力。利用磁控溅射法在纳米棒上复合Ag纳米颗粒，构筑一种三维的仿生长棒阵列。纤长的纳米棒与水母触须形似，呈发散装，而我们的关键问题，是如何在SERS检测中引入外力微调，使得这些触须自己动起来，去捕捉待测分子？
化工材料研究所科研人员提出并证明了“毛细管力构筑可逆SERS热点并用于分子捕获”的概念(见图5)，发展了利用液体毛细力控制柔性纳米棒阵列形成可控SERS热点的方法和原理。在溶剂蒸发过程中，长度合适的纳米棒阵列在液体粘附力作用下，可以发生微弱形变，在顶端自聚集，同时溶剂当中的待测分子随着溶剂的挥发被逐渐富集到纳米棒顶端，进入纳米间隙内。就好像水母的千万个触角，将待测分子捕捉trap在纳米间隙中。
这种仿生触须结构结合溶剂蒸发过程控制的纳米棒自聚集是一种简单和有效的策略，可以自发形成高度可逆的SERS热点结构，利用此方法探测爆炸物TNT，当信封、衣服、土壤等表面黏附肉眼看不见的TNT残留颗粒物时，可以通过使用低能量的激光(不破坏物体表面)来气化其表面黏附的TNT晶体，用芯片收集TNT挥发出来的蒸汽，拉曼表征后可以鉴定该物质中是否含有TNT，该拉曼芯片在溶液中的检测极限能够达到4×10-14 mol/L的TNT。EF值为4×108，RSD值小于0.2，与同类衍生物苦味酸，DNT, NT同时探测具有优异的选择性，比同类衍生物拉曼强度高出7倍。此外，通过溶剂的合理选择，可以方便的检测各种各样不同性质的分子，例如氨基酸、硝基苯、农药残留物、毒品等，该工作将进一步推动SERS技术成为一种实用的分析方法。
(2) 浓缩策略的仿生SERS芯片对TNT的高敏探测
针对于水溶性待测物，超疏水性构筑的探测平台，在水挥发过程中，可发生冷凝作用，将待测物凝聚集中在很小的范围内。结合1.1的仿生超疏水SERS芯片平台，利用仿生超疏水冷凝浓缩设计方案，不仅可以增加基底灵敏性，还有力解决微体积(3~5 mL)、超低浓度的有机小分子难以用SERS检测的难题，如图6所示。
4 特征拉曼谱图解析方法及化学计量学研究
拉曼光谱作为一种分子特征光谱，通常用低功率激光光源作为激发光源，无损耗不接触检验。由于激光光束很细，分析样本的空间分辨率很高，可以实现显微微区分析，所以对于固态颗粒的混合物分析有较大的优势。然而，采用SERS技术对痕量有机物进行检测分析时，由于拉曼光谱振动频率较弱，拉曼峰峰形复杂且峰位重叠，谱图分析较为困难，甚至不能进行分析。显然，现有技术拉曼光谱法对物质痕量存在着拉曼光谱振动频率较弱，拉曼峰峰形复杂且峰位重叠和谱图分析较为困难等问题。
主成分分析(Principal component analysis，PCA)是一种经典的多元统计分析技术，其主要思想是排除众多化学信息共存中相互重叠的信息，将原变量通过线性组合，得到少数几个正交的新变量，亦即主成分，从而使原数据降维。主成分按其所含信息量多少排序，前几个主成分即包含总信息量的大部分，这就使得新得到的变量尽可能地表征原变量的数据结构特征而不丢失信息。显然，利用主成分分析法对拉曼谱图进行处理，可以增强拉曼谱图的信息含量、隔离噪声和减少数据维数，有助于获得峰形简单、清晰的拉曼谱图。
基于上述开发的仿生SERS基底，对痕量爆炸物进行测定，可获得丰富的拉曼谱图信息。然而丰富的信息，解谱也是很困难的。利用模拟计算获得分子模拟谱图，结合化学计量学主成分分析法，提取混合物或微弱峰的主成分，确定特征区域，编写谱图解析程序，可为痕量小分子快速、准确的探测，提供科学依据和理论支持，如图7所示。
