当前关于SERS增强机理的研究尚未完全清晰, 其中认可度较高的为物理增强和化学增强, 在实际测量中, 两种增强效应是共存的, 其中物理增强提供主要贡献。

物理增强即电磁增强(electromagnetic field enhancement mechanism, EM), 主要致力于解释金属表面局域场的增强, 是指入射光照在粗糙的金属基底表面时, 由基底某些部位产生的电磁增强, 该增强效应主要与纳米粒子的材料、 大小、 几何形态和聚集程度有关^{[13, 14]}。 物理增强效应是通过金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应(localized surface plasmon resonance, LSPR)、 避雷针效应(lightning rod effect)和镜像场效应(image field effect)实现的, 其中LSPR被公认为SERS信号增强的最主要原因。

化学增强机制中被认为最重要的是电荷转移机理(chemical transfer mechanism, CT), 主要是通过电子转移产生增强, 反映纳米粒子表面化学活性位的性质, 与目标检测物分子与纳米金属表面的化学键形成和分子吸附取向密切相关, 要求被检测分子与基底之间的距离需要足够近。

高质量SERS基底的制备是SERS研究中的重中之重, 高质量基底需要满足: 有高SERS活性、 良好表面均匀性、 重现性、 稳定性和适用性等。 此外, SERS光谱分析作为一种非常有前景的快速检测技术, 在进行基底选择时, 还应该兼顾其灵活性、 经济可行性等因素。

SERS基底通常是通过引入纳米级粗糙度的结构, 产生大量“ 热点” , 从而得到增强拉曼散射信号的效果。 尽管当前SERS增强效应的具体机理尚未完全明确, 但仍可通过控制纳米颗粒的几何构型、 表面形貌、 尺寸大小等参数来创造更多“ 热点” , 提高SERS信号强度, 获得优化的SERS基底。

在农药检测领域, 为适应不同分析需求, 研究人员综合基底特异性、 稳定性、 灵敏性和制备成本等因素发展了多种类型基底, 从基底状态进行分类, 主要有溶胶基底、 固体活性基底和柔性活性基底等(表1)。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 常用基底对比 Table 1 Comparison of common substrates 基底类型 基本原理 常用制备方法 优点 缺点 溶胶类 基底 球状、 立方体、 棒状、 花状、 星状、 爆米花状、 链状、 核壳结构 使用柠檬酸钠、 盐酸羟氨等还原金属化合物, 获得纳米级别的溶胶粒子, 通过控制纳米颗粒的材料、 粒径和形态, 获得所需基底; 可通过将溶胶与被测溶液混合或将溶胶滴在被测物表面的方法进行检测。 种子生长法; 化学氧化/还原法 成本低、 易合成、 SERS性能优异 检测环境对基底影响较大, 胶体粒子易聚集, 易受咖啡环效应的影响, 稳定性和重现性较差。 固体 基底 硅片衬底、 玻璃衬底、 石英片基底 在刚性材料衬底上不可逆地沉积具有SERS活性的纳米结构; 通过将待测溶液滴在基底上进行检测。 自组装技术; 纳米压印光刻; 电子束光刻; 纳米球光刻; 电化学沉积 结构稳定, 具有较好的一致性、 重复性 成本较高、 制备较复杂, 不易柔性形变, 难以在非规则表面上直接测试。 柔性 基底 柔性器件衬底、 柔性聚合物衬底、 柔性碳材料衬底 以柔性材料为衬底支撑纳米颗粒; 可以通过擦拭、 粘贴或包裹被检对象表面的方法直接捕获农药或原位检测。 斜角沉积法; 自组装技术; 喷墨打印技术; 丝网印刷技术; 物理喷镀法 柔韧性强, 机械耐性强, 适应于复杂样品平面的检测, 有利于实现微创或无损检测; 有利于批量生产 制备复杂, 对衬底材料要求高, 样品采集效率较低。

表1 常用基底对比 Table 1 Comparison of common substrates

传统溶胶基底具有成本低、 易合成和SERS性能优异等特点, 其中最典型的是球状纳米颗粒基底, 具有单分散性良好、 尺寸可控和合成方法成熟等优点^{[49, 50]}; 基于“ 避雷针效应” , 有锋利角状边缘的纳米粒子的增强效果更好, 因此众多研究者从尺寸和形态入手进行基底优化, 开发出花状、 星状、 棒状和链状等形态的纳米溶胶颗粒; 此外, 基于复合材料互补协同效应, 一些研究者还发展了一系列的核壳纳米结构, 有助于提升胶体基底的拉曼性能和稳定性。

Luo等^[17]研究了金纳米颗粒直径大小对于SERS活性的影响, 筛选出亚胺硫磷、 噻菌灵的最优检测基底为直径64和102 nm的金纳米颗粒溶胶; 在最优检测条件下, 亚胺硫磷和噻菌灵在标准溶液中的LOD为0.1和0.02 μ g· mL^-1, 在苹果萃取液中的LOD为0.5 μ g· g^-1和0.1 μ g· mL^-1。 Dhakal等^[51]使用银纳米溶胶颗粒和785 nm的激光源, 实现了对牛奶中四环素的现场检测, 检测限为0.01 ppm, 相关系数为0.88。

在拉曼光谱检测中, 加入一定浓度的电解质可对溶胶起诱导和活化作用, 改变待测分子与增强基底的聚集程度, 对SERS信号起到增强效果。 彭义杰等^[19]对NaCl溶液的加入量进行了对比分析, 优化检测条件, 使用自适应迭代惩罚最小二乘法(air-PLS)对数据进行预处理, 使用内标法对鸭肉提取液中萘夫西林的残留进行了定量分析, LOD为0.2 mg· L^-1。 李耀等^[52]以NaCl溶液为胶体的活化剂, 以金纳米溶胶为增强基底, 对鸭肉提取液中氧氟沙星残留的检测限为0.05 mg· L^-1。

各向异性的纳米溶胶颗粒, 如花状^[24]、 星状、 棒状和链状等结构的纳米粒子, 表面具有多支结构和较大的比表面积, 可为拉曼信号增强提供大量“ 热点” , 表现出更强的SERS活性。 Zhu^[26]等采用种子生长法合成了具有复杂结构的金纳米星颗粒, 研究表明金纳米星颗粒的浓度和几何形状都会对福美双的检测结果产生影响, 在最优条件下, 在福美双标准溶液中的检测限可达到10^-10 mol· L^-1, 在苹果中的检测限为0.24 ng· cm^-2。 Wu等^[23]采用种子生长法合成了平均长度60 nm、 横纵比约为3的金纳米棒(Au NRs)溶胶基底, 在不考虑农药渗透的前提下, 通过直接将Au NRs胶体滴到被甲基对硫磷污染的水果表面和植物叶子上获取其拉曼光谱, 其中橘子表皮、 苹果表皮、 植物叶面上的检测限分别为0.22, 0.11和0.44 μ g· cm^-2。 Jiao等^[28]使用高度互联的超细双金属颗粒制备了蠕虫状AuAg纳米链, 以此为基底检测苹果表皮的福美双残留物, 检测限为10^-7 mol· L^-1。

基于复合材料互补协同效应的核壳结构纳米粒子可以最大化利用核壳两种材料的优势, 从而提高粒子的功能和效率^[53]。 Yaseen等^[29]采用种子生长法制备了Au@Ag(金核银壳)纳米颗粒, 对噻虫啉、 丙溴磷和杀线威标准溶液混合物和桃子提取物进行了检测, 检出限分别为1 mg· L^-1和1 mg· kg^-1。 徐念薇^[30]等使用种子生长法合成Au@Ag纳米粒子, 研究不同粒径和金银比例对亚胺硫磷检测的影响, 其中42 nm Au@Ag NPs(金核19 nm)和78 nm Au@Ag NPs(金核43 nm)对亚胺硫磷标准溶液的增强效果最好, 检测限均可低至0.05 mg· L^-1, 检测效果优于金纳米颗粒^[17]; 而苹果汁中亚胺硫磷的检测限则分别为5.0和0.5 mg· L^-1。 研究表明苹果汁中非目标化合物对于Au@Ag NPs的SERS增强效应有较大的负面影响, 为了降低果胶、 果糖和有机酸等非目标分子SERS信号的影响, 需对苹果汁溶液进行提取、 净化的相关操作, 增加了检测的繁琐程度, 将来需要进一步研究样品基质对SERS检测效果的影响和消除办法, 以实现快速、 超灵敏检测。 对于痕量或难吸附物质的检测, 研究人员可以通过在基底上增加修饰特殊结构物质的方法来提高检测灵敏度。 Jiang等^[54]以优化的Au@Ag NPs溶胶为基础, 结合适配体DNA与靶标分子之间具有高特异性、 强亲和力的特点, 将SERS与适配体技术进行联用, 制备了基于SERS的双链适配体传感器, 检测纯牛奶中的卡那霉素, 在浓度范围为10^-11~10^-7 g· mL^-1时线性良好, 检出限为0.90 pg· mL^-1。 具有可控孔隙结构和良好透光性的二氧化硅非常稳定, 容易吸附待检测分子, 有助于提升稳定性。 Muhammad等^[32]以SiO₂包裹银纳米粒子(SiO₂@Ag NPs)为基底, 对鸡蛋内膜中的氟虫腈的最低检测限为10^-7 mol· L^-1。

将纳米粗糙结构整合到硅片、 石英、 玻璃片等固体衬底表面的基底结构稳定, 具有较好的一致性、 重复性, 在实际应用中更具优势。

Wang等^[33]使用金核银壳纳米颗粒在液-液界面上组装成二维金属纳米点阵列, 以硅片为衬底, 在标准溶液、 梨萃取汁、 苹果萃取汁和橙汁萃取中福美双和噻菌灵的检测限分别为0.001 1, 0.005 2, 0.013, 0.005 9; 0.051, 0.10, 0.18和0.68 ppm。 Zhu等^[34]以玻璃基板为衬底, 为了抑制咖啡环效应^[55], 借助葡萄糖溶液的黏稠性阻止银纳米颗粒到达落点边缘, 将银纳米颗粒/葡萄糖溶液滴入到孔状PDMS结构中, 形成平坦均匀的SERS薄膜阵列, 对福美双标准溶液的检测限为10^-10 mol· L^-1。

柔性基底可以通过擦拭、 粘贴或包裹不规则或粗糙被检对象表面的方法直接进行被检物的收集或原位检测, 有利于实现微创或无损检测。 应用于农药残留领域的SERS柔性基底主要有以下三类: 基于柔性器件SERS基底、 基于柔性聚合物的SERS基底、 基于柔性碳材料的SERS基底。

鉴于滤纸^{[36, 37, 56]}、 胶布^[38]、 滤膜^[40]和蝉翼^[57]等柔性器件具有使用方便、 表面粗糙、 价格低廉等优点, 许多课题组以此为衬底, 制备SERS柔性基底。 杨焕娣等^[39]以银纳米立方为组装单元, 使用疏水微孔滤膜制备SLIPS衬底, 构建出具有三维热点的SERS基底, 对福美双乙醇溶液的检测限为41.6 nmol· L^-1, 在浓度范围为41.6 nmol· L^-1~1.04 μ mol· L^-1时, 福美双1 381 cm^-1处的特征峰强度与浓度呈线性关系, 然而随着福美双浓度的升高, 特征峰强度在1.04 μ mol· L^-1时达到最大值, 这是因为只有紧密接触纳米颗粒那一层分子的拉曼信号可以被最大化增强, 随着福美双浓度升高, 外层分子与纳米粒子距离增大, 从而导致特征峰的强度呈饱和甚至降低的趋势。 Yan^[58]等使用磁控溅射的方法将铜纳米颗粒溅射在蝉翼上, 制备了Cu/CWs基底, 对4-氨基苯酚(4-ATP)的检测限为10^-7 mol· L^-1, 对结晶紫的检测限为10^-7 mol· L^-1。 为提升检测精度, 该团队^[59]使用直流磁控溅镀系统将铜纳米颗粒和银纳米颗粒溅射在蝉翼上, 制造了一种可以调节纳米间隔和组件的Ag₄@Cu₂₄@CW三明治结构基底, 以4-氨基苯酚(4-ATP)为探针分子, 增强因子可达3.136 9× 10⁵, 检测限为10^-11 mol· L^-1; 对于结晶紫的检测限为10^-10 mol· L^-1。

常用于做衬底的聚合物有聚二甲基硅氧烷(PDMS)^{[41, 42]}、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)^{[45, 48]}、 聚乙烯醇(PVA)和壳聚糖等。 Kumar等^[41]使用PDMS涂层的银纳米棒制备的SERS阵列基底, 可承受高达30%的拉伸应变值, 且不会损失SERS活性; 通过粘贴和剥离的方法, 结合785 nm激光源对苹果表皮的福美双进行检测, LOD为10^-6 mol· L^-1。 Alyami等^[42]制造了具有透光性的Ag NPs/PDMS基底, 将其“ 粘贴” 在鱼皮上, 对结晶紫进行原位检测, 检测限为10^-7 mol· L^-1。 Li等^[60]以柔韧性好、 拉曼特征峰少的聚偏氟乙烯(PVDF)为衬底, 将花形银纳米颗粒分散在PVDF表面形成基底, 结合532 nm的激光源进行检测, 在盐酸恩诺沙星标准液浓度范围是1.0~200 nmol· L^-1时, SERS峰强和盐酸恩诺沙星的浓度存在线性关系, 其决定系数为0.999 2, 检测限为0.01 nmol· L^-1。 Wang等^[44], 以表面疏水化的阳极氧化铝(AAO)为模板, PDMS为注塑材料旋, 制备了高密度3D仿壁虎脚的“ 纳米触角” 阵列衬底, 将银纳米粒子沉积于衬底上形成G-SERS基底, 该基底灵敏度高、 稳定性强、 重现性好, 具有高密度纳米触角, 可以增大基底与待检测样品的接触面积, 采用“ 粘贴-揭起” 的方法, 对黄瓜表皮上的福美双、 甲基对硫磷和孔雀石绿混合物进行原位检测, 在获得的光谱中, 各组分残留的特征峰可以清晰辨别。

具有良好柔韧性、 高比表面积、 优良光学特性的石墨烯、 碳纳米管等碳材料, 适合与金、 银等贵金属纳米粒子复合来制备SERS基底。 Ouyang等^[47]通过将柔性膜传感器上的银纳米阵列使用石墨烯进行包裹改进了SERS基底, 使用具有高透光性和化学惰性的石墨烯外壳层为惰性保护剂, 在检测期间阻碍隐形孔雀石绿向孔雀石绿的化学转移, 使得孔雀石绿和隐形孔雀石绿可以单独被检测, 对孔雀石绿水溶液的检测限为2× 10^-11 mol· L^-1, 在鱼肉提取物和鱼鳞中的检测限均为1.4× 10^-9 mol· L^-1, 证实了该基底在壳分离拉曼检测中具有很好的活性和化学稳定性。 Shi等^[61]使用平均尺寸为65 nm的金纳米颗粒、 氧化石墨烯和具有3D超疏水纳米结构的蝉翼, 制作了AuNPs/GO/CW基底, 以罗丹明6G为探针分子, 其增强因子可达1.08× 10⁶, 检测限可低于10^-8 mol· L^-1。

在进行痕量定性分析时, 以检测限(LOD)为评价指标, 可以衡量基底的增强效果; 针对定量分析的时候, 需要重点关注均一性和可重复性。 基底灵敏度与均一性和重复性尚未达到完美的平衡, 从表2和上述分析中可以看出, 溶胶类基底可获得更理想的检测限, SERS性能更优越, 但是胶体粒子形态不易控制、 容易集聚、 易受咖啡环效应影响, 且被检环境对其影响也很大, 导致了可重复性相对较差; 固体基底和柔性基底的结构稳定, 重复性较好, 但在一定程度上损失了部分灵敏度。

当前针对有机磷农药的研究较多且检测结果较为理想, 针对喹诺酮类等抗生素的研究较少; 此外, 多为定性分析, 定量分析的效果还不甚理想, 因此以LOD为衡量指标, 整理了当前研究中针对常用农药的性能优良基底(表3): 具有锋利角状边缘的各向异性纳米溶胶对有机磷农药的检测效果最好(雪花状纳米溶胶在标准溶液和苹果表皮中的检测性能均较为理想), 柔性基底对孔雀石绿和喹诺酮类抗生素的检测效果最好。

表3

Table 3

表3(Table 3)

表3 针对不同农药的性能优良基底 Table 3 Substrates with excellent performance for the detection of different pesticides 农药 类别 被检农药 被检基质 参考文献 标准溶液 实际样品 基底 LOD 基底 LOD 有 机 磷 农 药 福美双 Au nanostars with fractal structure[26] flat Ag NPs-based SERS active films[34] 10-10 mol· L-1 Au nanostars with fractal structure[26](苹果皮); worm-like AuAg nanochains[28] (苹果皮) 0.24 ng· cm-2 [26, 28, 33-34, 36, 39, 41-42, 44, 46, 48, 56] 甲基 对硫磷 snowflake-like Au NPs[25] 10-8 mol· L-1 (0.026 3 ng· cm-2) snowflake-like Au NPs[25] (苹果表皮) 0.026 ng· cm-2 [23, 25, 44] 亚胺 硫磷 snowflake-like Au NPs[25] 10-8 mol· L-1 (0.031 7 ng· cm-2) snowflake-like Au NPs[25] (苹果表皮) 0.032 ng· cm-2 [17, 25, 30] 苯并 咪唑 噻菌灵 Au NPs/UF membrane[40] 0.01 mg· L-1 Au NPs colloid[17] (苹果萃取液) 0.1 μ g· g-1 [17, 33, 37, 40, 62] 孔雀 石绿 孔雀 石绿 glass fiber paper modified with AgNPs[35] 5× 10-10 mol· L-1 Au NP-MHS array film[43] (鱼肉提取物) 10-10 mol· L-1 [35, 43-45, 47, 50, 63] 结晶紫 Au NP-MHS array film[43] 10-12 mol· L-1 Ag NPs/PDMS composites[42] (鱼皮) 10-7 mol· L-1 [28, 42-43, 50, 58-59] 喹诺 酮类 恩诺 沙星 Ag-based PVDF membrane[60]; Ag-TiO2 substrate[31] 1011 mol· L-1; 3.94× 10-11 mol· L-1 PATP-coated AuNPs multiple immune-nanoprobe[64] (牛奶提取液) 0.695 ng· L-1 [31, 50, 60, 64-66]

表3 针对不同农药的性能优良基底 Table 3 Substrates with excellent performance for the detection of different pesticides