引用本文
赵倩, 杨宇东, 桂博, 毛海央, 李锐锐, 陈大鹏. 基于纳米锥森林结构的表面增强拉曼散射透明器件研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2020,40(4): 1168-1173.
ZHAO Qian, YANG Yu-dong, GUI Bo, MAO Hai-yang, LI Rui-rui, CHEN Da-peng. Surface-Enhanced Raman Scattering Transparent Devices Based on Nanocone Forests[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020,40(4): 1168-1173.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2020)04-1168-06  
Permissions
Copyright©2020, 《光谱学与光谱分析》期刊社
《光谱学与光谱分析》期刊社 所有
基于纳米锥森林结构的表面增强拉曼散射透明器件研究
赵倩1,2, 杨宇东1, 桂博1,2, 毛海央1,2,3,*, 李锐锐1, 陈大鹏1,2,3
1. 中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心, 北京 100029
2. 中国科学院大学, 北京 100049
3. 无锡物联网创新中心有限公司, 江苏 无锡 214135
*通讯联系人 e-mail: maohaiyang@ime.ac.cn

作者简介: 赵 倩, 女, 1995年生, 中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心硕士研究生 e-mail: zhaoqian@ime.ac.cn

收稿日期: 2019-01-28 接受日期: 2019-04-26
基金: 国家自然科学基金面上项目(61771467), 中国科学院青年创新促进会项目(2018153), 广东省重点领域研发计划项目(2019B010117001), 国家重大专项(2017YFC1200900)资助
摘要

具有无损、 超灵敏和实时检测优点的表面增强拉曼散射(SERS)器件具有重要研究意义。 目前, 针对SERS器件的大部分研究都围绕着非透明的器件展开。 使用此类器件检测高浓度试剂时, 激光只能从正面入射。 这意味着入射激光需要穿透被测试剂分子层才能到达位于其下方的金属纳米结构表面, 因此用于激发金属纳米结构表面等离子体共振(SPR)的激光能量被减弱, 相应地, SERS光谱信号也被减弱; 此外, SERS光谱信号因被测试剂分子层的遮挡, 无法高效返回到电荷耦合元件(CCD)中, 再次被大幅度减弱, 甚至有可能完全无法被检测到。 相比之下, 如果使用透明SERS器件, 检测过程中将被测试剂分子置于器件正面, 激光从器件背面入射, 此时高浓度被测试剂分子层对入射激光和SERS光谱信号的干扰最小。 这种情况下, 可以得到较好的光谱信号。 通过在石英基底上旋涂聚酰亚胺(PI)层, 然后通过氧等离子体对PI层进行无掩模轰击, 在石英基底上自行生成纳米纤维掩模, 配合反应离子刻蚀工艺(RIE)制备了石英纳米锥森林结构。 之后, 通过金属纳米颗粒溅射工艺, 得到 SERS透明器件。 对于该SERS透明器件, 在测试过程中, 拉曼激光可从器件的正面以及背面分别入射。 初步的测试结果表明, 对于罗丹明6G(R6G)在10-3~10-6 mol·L-1这一浓度范围内, 背面入射方式收集的SERS光谱信号强度高于正面入射方式。 另外, 进一步研究了该SERS透明器件背面检测的一致性, 得到了良好的结果, 证明了其在实际生化检测中的可行性。 这一工作有望扩展SERS在分析物检测领域中的应用。

关键词: 纳米锥森林结构; 表面增强拉曼散射(SERS); SERS透明器件; 石英
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Surface-Enhanced Raman Scattering Transparent Devices Based on Nanocone Forests
ZHAO Qian1,2, YANG Yu-dong1, GUI Bo1,2, MAO Hai-yang1,2,3,*, LI Rui-rui1, CHEN Da-peng1,2,3
1. Integrated Circuit Advanced Process R&D Center, Institute of Microelectronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3. Wuxi IoT Innovation Center Co., Ltd., Wuxi 214135, China
*Corresponding author
Abstract

Surface-enhanced Raman scattering(SERS) devices with advantages of being non-destructive, ultra-sensitive, and real-time are of significance. For now, most SERS devices are constructed on non-transparent substrates. When such non-transparent SERS devices are used to detect analytes with high concentrations, laser can only be incident from their front-sides. It means that incident laser needs to penetrate analyte molecules to reach metallic nanostructures at the bottom, so laser energy used to excite surface plasmon resonance (SPR) of metallic nanostructures is attenuated, and accordingly, SERS spectral signals are also attenuated; besides, SERS spectral signals cannot be efficiently returned to the charge-coupled device(CCD) due to the blocking of analyte molecules, so that the signals are greatly reduced and in some cases, they cannot be detected at all. In contrast, when a transparent SERS device is adopted, the analyte molecules are placed on front-side of the device and Raman laser is incident from the back-side. In this way, analyte molecules with high concentration have minimal influence on incident laser and SERS spectral signals, so better spectral signals can be obtained. In this work, a polyimide(PI) layer was spin-coated on a quartz substrate, and then the substrate was bombarded by oxygen plasma without masks. After that, nanofiber masks were formed on the quartz substrate. Later on, quartz nanocone forests were formed by a reactive-ion-etching (RIE) step. Subsequently, metallic nanoparticles were sputtered on the nanocones, thus, a transparent SERS device was obtained. For this SERS transparent device, Raman laser can be incident from front-side and back-side of the device during the test. The preliminary experimental results showed that for Rhodamine 6G (R6G), in a concentration range of 10-3~10-6 mol·L-1, the SERS spectra from the back-side were with higher intensities than those from the front-side. In addition, repeatability of the device detected from the back-side was further studied. These results demonstrated the feasibility of the device in practical biochemical detection applications. This work is expected to extend the applications of SERS technique in the field of analyte detections.

Keyword: Nanocone forests; Surface enhanced Raman scattering (SERS); SERS transparent device; Quartz
引 言

自20世纪70年代表面增强拉曼散射(SERS)现象被发现以来, 因其具有超灵敏、 无损和实时检测等优点而被广泛应用于多个领域, 如DNA测序、 农药残留测试、 环境监测等[1, 2, 3]。

目前, 针对SERS的大部分研究都围绕着非透明基底的器件展开, 比如硅基SERS器件, 石墨烯基SERS器件等等[4, 5, 6, 7]。 然而, 此类非透明SERS器件在应用时, 激光只能从正面入射, 即试剂分子与入射激光束位于同一侧。 在这种情况下, 可能存在以下几个问题: (1)当被测试剂分子浓度较高或者体积较大时, 入射激光需要穿透试剂分子层才能到达下面的金属纳米结构表面, 而试剂分子层会吸收一部分激光能量甚至完全遮挡激光穿透, 所以用于激发金属纳米结构表面等离子体共振(SPR)的激光能量被减弱, 相应地, 收集的SERS光谱信号也被减弱, 甚至完全无法检测到SERS光谱信号[8]。 (2)当此类非透明SERS器件被进一步集成到微流控芯片上时, 流体层以及盖片层对入射激光以及SERS光谱信号将有进一步干扰[6]。 相比之下, 如果使用透明的SERS器件, 使用时, 将被测试剂分子置于器件正面, 拉曼激光从背面入射, 此时试剂分子层、 液体层、 盖片层对入射激光和散射的SERS光谱信号干扰最小。 这种情况下, 只要器件的透明基底对入射激光的透过率足够高, 绝大多数入射激光就可以在金属纳米结构表面激发SPR, 而且返回电荷耦合元件(CCD)的SERS信号也只需要经过透明基底, 从而得到较好的检测效果。

为了实现SERS透明器件, 已有研究采用PDMS、 玻璃、 石英[8, 9, 10]等材料作为器件的基底。 相比不够耐高温的PDMS和透明度有限的玻璃, 石英既具有耐高温的特点, 也具有优良的透光率。 可见, 石英是一种具备优良潜力的SERS透明器件的基底材料。 然而, 基于石英基底的透明纳米结构的制备却存在各种挑战。 例如, 利用气-液-固(VLS)化学合成生长法, 可以获得二氧化硅纳米线, 配合银镜反应可以在纳米线上附着大密度的金属颗粒, 然而, VLS方法在使用过程中通常需要设置金属催化层, 进而增加了工艺的复杂程度[8]。 多孔阳极氧化铝(AAO)模板法是一种可用于制备大面积纳米结构的简单、 廉价、 有效的方法, 但存在制备周期长的问题[11]。 纳米小球刻蚀(NSL)技术可制备出高度有序、 致密、 可重复性高且结构可控的纳米阵列结构[12]。 然而, NSL技术的实施首先需要实现纳米小球的大面积单层分布, 这在操作中有一定困难。

针对以上问题, 本文基于一种常规干法去胶工艺提出了一种可用于制备石英纳米锥森林结构的新型工艺方法。 通过在所制备的石英纳米锥森林结构上溅射金属纳米颗粒, 获得了开放式的SERS透明器件。 为了研究SERS透明器件的实际检测能力, 将不同浓度的罗丹明6G(R6G)液滴滴在SERS透明器件的正面上, 使液滴在器件表面自然扩散并且溶剂完全蒸发。 然后, 激光分别从正面和背面入射, 进行测量。 对于所制备的这种SERS透明器件, 在10-3~10-6 mol· L-1这一浓度范围内, 背面入射的结果优于正面入射, 这扩展了SERS这一技术在较高浓度分析物检测中的应用。 此外, 本文进一步研究了该SERS透明器件背面检测的一致性, 得到了良好的结果, 证明了其在实际生化检测中的可行性。

1 实验部分
1.1 材料仪器

实验中用到的四寸双抛石英片JGS2购置于上海高施光电有限公司, 厚度为500 μ m。 聚酰亚胺(PI)光刻胶ZKPI-5400来自于北京波米科技有限公司。 R6G购自北京百灵威科技有限公司, 分子式为 C28H31N2O3Cl, 分子量为479.01。 热板PHP-8和匀胶机RC-150购置于苏州美图半导体技术有限公司。 反应离子刻蚀机RIE-100由中国科学院微电子研究所研制。 高分辨率扫描电子显微镜S-5500(8寸)来自于日本HITACHI公司。 磁控溅射台JPGF-400D来自于北京北仪创新真空技术有限责任公司。 紫外-可见-近红外分光光度计Cary 5000来自美国Varian公司。 SERS信号测试采用的共焦显微拉曼光谱仪inVia-Reflex来自于英国 Renishaw 公司。 在633 nm激光和50× 物镜下获得了拉曼光谱。 使用WIRE 3.0 控制软件进行界面编辑和数据后处理。

1.2 样品制备

本文所涉及的这种新型纳米结构制备技术由常规干法去胶工艺发展而来。 根据我们前期的研究工作, 利用等离子体轰击光刻胶, 能够形成大面积的纳米纤维森林结构[6, 7, 13, 14]。 基于这种现象, 图1给出了石英纳米锥森林结构和SERS透明器件的制备工艺流程。 首先, 在石英衬底[图1(a)]上旋涂约为7 μ m厚的PI层[如图1(b)所示]。 之后, 采用氧等离子体对PI层进行轰击, 轰击过程中氧气流量为50 sccm, 腔体压强为5 Pa, 腔体功率为200 W, 时间持续40 min。 这一步骤之后在石英衬底上得到了分布密集的纳米纤维森林结构[如图1(c)所示], 该森林结构由大量直立于衬底上的纳米纤维构成。 可作为干法刻蚀的纳米掩模。 采用反应离子刻蚀(RIE)的方法对石英衬底进行各向异性刻蚀, 形成纳米纤维-石英纳米锥双层森林结构[如图1(d)所示]。 RIE工艺过程中混合气体及其流量为SF6/CHF3/He: 5/32/150 sccm, 射频功率为200 W, 腔体压力为1 850 mTorr, 刻蚀时间6 min。 随后, 在室温下利用NH4F∶ HF为7∶ 1的氧化腐蚀缓冲剂(BOE), 对纳米纤维森林结构漂洗5 s, 使之完全去除, 即可得到石英纳米锥森林结构[如图1(e)]。 最后, 通过磁控溅射工艺, 在石英纳米锥森林结构上制备约5 nm厚的银纳米颗粒层, 进而得到基于石英纳米锥森林结构的SERS透明器件[如图1(f)]。 溅射过程中, 保持功率为50 W, 腔体真空度稳定在6× 10-4 Pa。

图1 基于石英纳米锥森林结构的SERS透明器件制备工艺流程Fig.1 Process flow for preparation of SERS transparent device based on quartz nanocone forests

1.3 测试过程

首先, 以去离子水为溶剂, 通过梯度稀释法配制不同浓度的R6G溶液。 然后, 采用滴定蒸发法使被测试剂中的分子分布在所制备的 SERS器件上, 即用移液枪吸取待测溶液3 μ L, 滴于裂片后约1 cm× 1 cm 的开放式SERS透明器件的表面, 然后在室温下静置约半个小时, 直至溶液中的溶剂完全蒸发, 被测试剂分子被固定在SERS器件的表面上。 最后, 将器件置于拉曼光谱仪载物台上进行测试。

2 结果与分析
2.1 SERS透明器件的制备

图2给出了SERS透明器件工艺流程中不同步骤对应结构的SEM照片。 图2(a)所示为石英衬底上PI层经过氧等离子体轰击后形成的纳米纤维森林结构, 单根纳米纤维的高度约为5.8 μ m, 直径约为50 nm。 几十根相邻的纳米纤维集成纳米纤维束, 纤维束间距约为500 nm。 以此纳米纤维森林结构为掩模, RIE刻蚀石英衬底, 之后采用BOE工艺去除掩模后, 得到密集的石英纳米锥森林结构, 如图2(b)所示。 可以看到, 石英锥高度并不均匀, 其在100~600 nm之间分布, 这是由于作为掩模的纳米纤维的直径并不均匀, 所以当用RIE刻蚀时, 在直径稍粗的纤维掩模下方形成的纳米结构比在直径稍细的纤维掩模下方形成的结构更高更粗。 在石英纳米锥森林结构上溅射5 nm的Ag颗粒后, 得到如图2(c)所示的SERS活性基底(也即, SERS透明器件), 图中可以清晰地看到Ag纳米颗粒随机离散地附着在石英纳米锥森林结构上, 形成丰富密集的热点。

图2 (a)纳米纤维森林结构的SEM照片, (b)石英纳米锥森林结构的SEM照片, (c)SERS透明器件的SEM照片Fig.2 (a) SEM image of the nanofiber forests, (b) SEM image of quartz nanocone forests, (c) SEM image of structures on a SERS transparent device

2.2 石英纳米锥森林透过率测试

图3给出了石英纳米锥森林结构在500~800 nm这一波段下的透射率光谱。 从图中可以看出, 此结构透射率优良, 特别是在波长较长处。 而在SERS检测常用的三个激发波长514, 633和785 nm处, 其透射率分别为85%, 90%和93%。 这表明石英纳米锥森林结构在制备透明SERS器件这一方向具有极大的应用价值。

图3 石英纳米锥森林结构透射率光谱Fig.3 Transmittance spectrum of quartz nanocone forests

2.3 SERS透明器件性能测试

为了验证所制备的SERS透明器件的性能, 分别在此器件的正面和背面开展SERS光谱信号的测试。 图4(a)和图4(b)分别是这两种测试方式下被测试剂分子和激光相互作用的示意图。 激光从器件正面上方入射到器件表面时, 入射激光先经过被测试剂分子, 再照射到被测试剂分子下方附着于石英锥纳米森林结构表面的金属纳米颗粒上激发SPR。 当激光经过被测试剂分子时会被这层分子吸收、 反射、 散射掉一部分能量, 导致拉曼光谱信号被减弱, 且被测试剂分子浓度越高, 信号强度减弱越严重[8]。 然而, 当拉曼激光从器件背面入射到SERS器件上时, 此时被测试剂分子的厚度对入射激光和散射的SERS光谱信号干扰都最小。 另外, 在测试所用波长(633 nm)处石英纳米锥森林结构对入射激光的透过率为90%, 因此入射激光很容易穿透石英衬底, 在器件正面, 被测试剂分子下面的金属纳米结构表面激发SPR。 此外, 拉曼光谱信号在返回信号收集器的路径上也没有被测试剂分子对其的阻挡和吸收, 从而可以得到较好的检测效果。

图4 SERS器件测试过程中激光、 被测试剂分子与SERS透明器件表面的金属纳米结构之间的作用关系示意图
(a): 激光正面入射; (b): 激光背面入射Fig.4 Schematic diagram of the interaction between the laser, the molecules and the metal nanostructures on the surface of the SERS transparent device during the SERS device test
(a): Laser incident from the front-side; (b): Laser incident from the back-side

对浓度为10-3~10-6 mol· L-1的R6G分子的SERS光谱信号进行测量, 其结果如图5(a)— (d)所示。 为了更好对比两种方法得到的SERS光谱信号强度, 取1 360和1 510 cm-1波数处的光谱信号强度值进行分析, 结果如图5(e)和(f)所示。 从图中可明显看到, 采用背面入射检测方式时, SERS光谱信号强度(黑色曲线)随着R6G分子浓度的下降而单调降低, 且线性度较好。 而对于正面检测情况, SERS光谱信号(红色曲线)强度随着R6G分子浓度的下降先上升后下降, 在被测试剂分子浓度较高时其强度反而较低(如10-3 mol· L-1), 这正是由于高浓度被测试剂分子形成了较厚的分子层, 对入射光具有遮挡作用。 而当浓度降低时, 分子对激光的遮挡作用在减弱, 信号强度增大, 随后, 当分子浓度进一步减小时, 由浓度减小造成的信号变弱这一作用成为影响信号强度的主要因素。 而且更为重要的是, 在10-3~10-6 mol· L-1这一浓度范围内, 背面检测所得信号强度都高于正面检测所得信号强度, 在被测试剂分子浓度较高的时候, 相差更大; 当分子浓度逐步降低时, 随着被测试剂分子数量的减少, 分子对光传播过程的影响变小, 表现为两种检测方式下信号强度差距也在逐步减小。 以10-3 mol· L-1的R6G试剂检测结果为例, 背面检测所得的信号强度约是正面检测信号的5倍。 而对于10-6 mol· L-1的R6G分子, 正面检测所得的信号强度接近背面检测所得的信号强度。

图5 (a)— (d) SERS透明器件上不同浓度R6G分子(10-3~10-6 mol· L-1)正反面检测所得SERS信号, 以及(e)和(f) SERS信号在1 360和1 510 cm-1峰的强度随分子浓度的变化, 激光波长为633 nmFig.5 (a)— (d) SERS spectra of R6G molecules with different concentrations (10-3~10-6 mol· L-1) detected from the front-side and back-side on a SERS transparent device; (e), (f) Intensities of SERS spectra at 1 360 and 1 510 cm-1 peaks as a function of molecular concentrations, the wavelength of the laser is 633 nm

图6 (a)SERS透明器件上10个不同位置处背面检测所得的SERS光谱信号, 激光波长为633 nmFig.6 (a) SERS spectra obtained from the back-side of the transparent device at 10 different locations, the wavelength of the laser is 633 nm

为了进一步研究该SERS透明器件背面检测方法的检测一致性, 使用10-6 mol· L-1的R6G试剂通过背面检测的办法在该器件表面测量了10个不同位置处的SERS信号, 所得SERS谱线如图 6所示。 通过对SERS谱线中1 510和1 360 cm-1的峰值强度进行相对标准偏差(RSD)的计算, 得到该器件在这两个峰值处的RSD分别为16.7%和15.6%。 这一结果表明所制备的 SERS透明器件具有较好的检测一致性。

3 结 论

提出了一种制备石英纳米锥森林结构的新型工艺方法, 并基于石英纳米锥森林结构开发了一种制备SERS透明器件的办法。 对于这种SERS透明器件, 在测试过程中, 拉曼激光可从器件的正面以及背面分别入射。 测试结果表明, 对于R6G试剂, 在10-3~10-6 mol· L-1这一浓度范围内, 背面入射所得SERS谱线信号强度要好于正面入射的结果。 另外, 该SERS透明器件背面检测的一致性较好, 证明了其在实际生化检测中的可行性。 这一工作有望扩展SERS在分析物检测领域中的应用。

参考文献
[1] MO Bing, LI He-ping, CHEN Juan, et al(莫冰, 李和平, 陈娟, 等). Chinese Journal of Light Scattering(光散射学报), 2013, 3: 4. [本文引用:1]
[2] Ouyang L, Hu Y, Zhu L, et al. Biosensors & Bioelectronics, 2017, 92: 755. [本文引用:1]
[3] WANG Xiao-bin, WU Rui-mei, LING Jing, et al(王晓彬, 吴瑞梅, 凌晶, 等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2016, 36(3): 736. [本文引用:1]
[4] Li X M, Zhang Y H, Wu Y L, et al. ACS Applied Materials & Interfaces, 2015, 7(34): 19353. [本文引用:1]
[5] Xu W, Mao N, Zhang J. Small, 2013, 9(8): 1206. [本文引用:1]
[6] Mao H Y, Wu W G, She D D, et al. Small, 2014, 10(1): 127. [本文引用:3]
[7] Mao H Y, Huang C J, Wu W G, et al. Applied Surface Science, 2017, 396: 1085. [本文引用:2]
[8] Hwang J S, Chen K Y, Hong S J, et al. Nanotechnology, 2010, 21(2): 025502. [本文引用:4]
[9] Oh Y J, Kang M, Park M, et al. BioChip Journal, 2016, 10(4): 297. [本文引用:1]
[10] Wu Y, Jiang Y, Zheng X, et al. Royal Society Open Science, 2018, 5(4): 172034. [本文引用:1]
[11] Chen G, Wang Y, Wang H, et al. RSC Advances, 2014, 4(97): 54434. [本文引用:1]
[12] Zhu Z, Li Q. Nanoscale Research Letters, 2014, 9(1): 25. [本文引用:1]
[13] YANG Yu-dong, MAO Hai-yang, LI Rui-rui, et al(杨宇东, 毛海央, 李锐锐, 等). Journal of Infrared and Millimeter Waves(红外与毫米波学报), 2018, 37(2): 246. [本文引用:1]
[14] Yang Y D, Mao H Y, Xiong J J, et al. IEEE Transactions on Nanotechnology, 2018, 17: 719. [本文引用:1]