基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的柔性表面增强拉曼散射（SERS）衬底的制备及其超灵敏检测

该协议描述了一种用于表面增强拉曼散射的柔性基板的制造方法。该方法已成功用于检测低浓度的R6G和Thiram。

本文介绍了一种用于表面增强拉曼散射（SERS）的柔性衬底的制备方法。通过硝酸银（AgNO₃）和氨的络合反应合成了银纳米颗粒（AgNPs），然后使用葡萄糖还原。所得的AgNPs表现出均匀的尺寸分布，范围为20 nm至50 nm。随后，采用3-氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）对已用氧等离子体表面处理的PDMS衬底进行改性。该过程有助于AgNPs在基板上的自组装。通过系统评估各种实验条件对衬底性能的影响，开发出具有优异性能和增强因子（EF）的SERS衬底。利用这种底物，R6G（罗丹明6G）的检测限为10-10 M，Thiram的检测限为^10-8 M，令人印象深刻。该基质被成功用于检测苹果上的农药残留，结果非常令人满意。灵活的SERS基板在实际应用中显示出巨大的潜力，包括复杂场景中的检测。

表面增强拉曼散射（SERS）作为拉曼散射的一种，具有灵敏度高、检测条件温和等优点，甚至可以实现单分子检测1,2,3,4。金属纳米结构，如金和银，通常用作SERS基板，以实现物质检测^5,6。纳米结构表面的电磁耦合增强在SERS应用中起着重要作用。具有不同尺寸、形状、粒子间距离和成分的金属纳米结构可以聚集起来产生许多"热点"，由于局部表面等离子体共振而产生强烈的电磁场 ^7,8。许多研究已经开发了具有不同形态的金属纳米颗粒作为SERS底物，证明了它们在实现SERS增强方面的有效性^9,10。

柔性SERS衬底具有广泛的应用，其纳米结构能够产生SERS效应沉积在柔性衬底上，便于在曲面上直接检测。柔性SERS底物用于检测和收集不规则、非平面或曲面上的分析物。常见的柔性SERS基材包括纤维、聚合物薄膜和氧化石墨烯薄膜^11,12,13,14。其中，聚二甲基硅氧烷（PDMS）是应用最广泛的高分子材料之一，具有透明度高、拉伸强度高、化学稳定性高、无毒、附着力等优点15,16,17。PDMS具有较低的拉曼截面，因此其对拉曼信号的影响可以忽略不计¹⁸。由于PDMS预聚物是液态的，因此可以通过热或光固化，从而提供了高度的可控性和便利性。基于PDMS的SERS衬底是相对常见的柔性SERS衬底，在以前的研究中已被用于嵌入各种金属纳米颗粒，用于检测具有示范性性能的不同生化物质^19,20。

在SERS衬底的制备中，纳米间隙结构的制备至关重要。物理沉积技术具有高扩展性、均匀性和可重复性等优点，但通常需要良好的真空条件和专用设备，限制了其实际应用²¹。此外，使用传统的沉积技术在几纳米尺度上制造纳米结构仍然具有挑战性²²。因此，通过化学方法合成的纳米颗粒可以通过各种相互作用吸附到柔性透明薄膜上，从而促进金属结构在纳米尺度上的自组装。为了确保成功吸附，可以通过物理或化学修饰薄膜表面来改变其表面亲水性来调整相互作用²³。与金纳米颗粒相比，银纳米颗粒表现出更好的SERS性能，但它们的不稳定性，特别是它们在空气中对氧化的敏感性，导致SERS增强因子（EF）迅速降低，影响底物性能²⁴。因此，开发一种稳定的颗粒方法至关重要。

农药残留的存在引起了人们的极大关注，因此迫切需要能够快速检测和识别现场食品中各种危险化学品的可靠方法^25,26。柔性SERS基材在实际应用中具有独特的优势，特别是在食品安全领域。本文介绍了一种通过将合成的葡萄糖包被银纳米颗粒（AgNPs）键合到PDMS底物上来制备柔性SERS底物的方法（图1）。葡萄糖的存在可以保护AgNPs，减轻空气中的银氧化。该底物表现出优异的检测性能，能够检测低至^10-10 M的罗丹明6G（R6G）和低至 ^10-8 M的农药硫兰，具有良好的均匀性。此外，柔性基板可用于通过粘接和取样进行检测，具有众多潜在的应用场景。

1. 纳米粒子的合成

1. 硝酸银溶液的制备
   1. 使用精密称量天平，测量 0.0017 g AR 级硝酸银（AgNO₃，参见 材料表），并将其加入 10 mL 去离子 （DI） 水中。搅拌混合物以产生 ^10-3 mol/L AgNO₃ 溶液。
2. 银-氨络合物的制备
   1. 取 1 mL AR 级氨水 （NH₃.H₂O，见 材料表）使用注射器，并在搅拌的同时逐滴加入硝酸银溶液中。当溶液变得透明时，停止逐滴添加。
3. 葡萄糖溶液的制备
   1. 使用精密称量天平，测量 0.36 g AR 级葡萄糖粉（参见 材料表），并将其加入 10 mL 去离子水中。彻底搅拌混合物以产生 0.2 M 葡萄糖溶液。
4. 银纳米粒子（AgNPs）的合成
   1. 使用移液枪以30分钟的间隔将30μL银氨复合物（在步骤1.2中制备）加入葡萄糖溶液（在步骤1.3中制备）。重复此过程 4-6 次，同时搅拌直到溶液变黄。

2. 柔性基板的制备

1. PDMS衬底的制备
   1. 为了合成PDMS底物，取约5g PDMS A溶液，并以1:10的比例加入B溶液（来自市售试剂盒，参见 材料表）。
   2. 搅拌并充分混合 PDMS A 和 B 溶液。
   3. 将混合的PDMS转移到方形培养皿中，然后在80°C烤箱中烘烤2小时。
   4. 通过上述过程固化后，使用手术刀沿着培养皿的深色网格切割PDMS，形成尺寸约为1 cm x 1 cm的小PDMS立方体。
2. 表面改性
   1. 对上述小PDMS片段进行等离子体处理。使用手持式等离子处理器（参见 材料表）并将其在PDMS表面上方约5-10厘米处来回移动，以进行表面等离子体处理。
   2. 利用等离子体处理器对表面进行修饰，诱导在PDMS表面上形成羟基，使其亲水²⁷。
3. 使用 APTES 进行修改
   1. 制备10%APTES溶液（参见 材料表）。
   2. 将步骤2.2中获得的表面改性PDMS浸入APTES溶液中，并静置10小时。这使得APTES能够与PDMS表面上的羟基结合。
4. AgNP的自组装
   1. 将步骤2.3中获得的PDMS底物浸入步骤1.4中合成的AgNPs溶液中10小时。这将AgNP自组装到PDMS衬底上，从而形成最终的柔性SERS检测衬底。

本研究利用APTES开发了一种由葡萄糖包裹的合成AgNPs组成的柔性SERS底物，并利用APTES在PDMS上自组装，在实际农药检测应用中实现了优异的检测性能。R6G 和 Thiram 的检出限分别达到 10-10 M 和 ^10-8 M，增强因子 （EF） 为 1 x ^{10 5}。此外，基材表现出均匀性。

使用改进的 Tollens 方法合成包裹在葡萄糖中的 AgNP^28,29。这种AgNPs组装不仅产生了强烈的SERS信号，而且有效地屏蔽了AgNPs中的银免受氧化，从而保持了检测性能。从图2的环境扫描电子显微镜（ESEM）图像来看，合成的颗粒看起来相对均匀，大多数直径在40-50nm之间。AgNPs的外层被葡萄糖层包裹。这种结构为AgNPs的外层提供了介电层，并保护银颗粒在暴露于空气中时不被氧化，从而保持了SERS的性能。

很明显，AgNPs的间隙之间形成了强烈的增强电场，这是SERS信号的主要原因。因此，将AgNP密集固定在柔性基板上，以实现增强的性能（图3）。本研究开发的自组装SERS柔性基板简单、质量高、不含有毒有害物质，对环境友好。

本研究制备的SERS柔性衬底表现出优异的检测性能。要评估SERS底物，关键方面是其检测能力。在这里，定义了增强因子（EF）来评估基板的增强性能，并使用R6G（参见 材料表）来确定检测限。EF 由³⁰ 描述:

EF = （I SERS / I_RAMAN） × （N_拉曼 / N_SERS）

R6G的峰位³¹ 及其对应值如 表1所示。

在这项研究中，使用具有 10 倍和 50 倍物镜的 633 nm 激光获得拉曼光谱。测量过程中光谱采集的积分时间设置为10 s，入射激光功率为3.7 mW。通过在衬底上加入30 μL不同浓度的R6G溶液，并通过直接检测观察拉曼信号，图4表明该衬底表现出优异的检测能力，R6G的检测限达到10-10 M，表明检测性能强。随后，使用^10-5 M R6G作为测试探针，计算出基板的增强因子（EF）为1 x 10 5（计算过程详见补充文件1），显示出显着的增强效果（图5）。

灵活的SERS基质能够检测农药。Thiram 是一种在水果和蔬菜种植中广泛使用的二硫代氨基甲酸酯 （DTC） 农药，旨在控制真菌病害并防止储存和运输过程中的变质³².然而，反复接触或摄入Thiram残留物可能会导致健康问题，如嗜睡、肌张力丧失和严重的胎儿畸形^33,34。因此，在水果和蔬菜表面实现痕量硫胺检测至关重要。Thiram 的拉曼峰³⁵ 及其原因概述在表 2 中。

将不同浓度的Thiram应用于柔性底物，以评估其检测性能。 图6 显示，对于Thiram检测，其三个主要特征峰清晰，在^10-8 M处达到检测限。

灵活的基板可实现实际检测。在日常生活中，农药残留有时会持续存在于水果表面。进食未经清洗的水果可能会对健康构成风险。在这项研究中，使用"粘贴和剥离"方法应用柔性SERS基质，将基质附着在苹果表面，然后将其取出进行检查。

图7说明，在这种方法下，实现了^10-7 M Thiram的检测，具有相对清晰的谱线。因此，制备的柔性SERS基质可以促进"糊状剥离"检测方法，有效识别果实表面的农药残留，并提供有价值的实际应用。

本研究提出的柔性SERS衬底不仅表现出显著的检测性能，而且提供了实际应用场景。

图 1:PDMS 柔性 SERS 基板的示意图。 图示描绘了用于表面增强拉曼散射 （SERS） 实验的 PDMS（聚二甲基硅氧烷）柔性基板的设计。 请点击这里查看此图的较大版本.

图2:合成AgNP的ESEM图像。 环境扫描电子显微镜 （ESEM） 图像显示合成的 AgNPs（银纳米颗粒）。图像中的比例尺为 2 μm，AgNP 的直径范围约为 20 nm 至 50 nm。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 3:AgNP 的仿真。 模拟显示AgNPs（银纳米颗粒），在颗粒之间的间隙中发生了显着的局部场增强。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 4:不同 R6G 浓度的 SERS 信号。 针对不同浓度的R6G（罗丹明6G）获得的表面增强拉曼散射（SERS）信号。图中的峰位置与 表1中的峰位一致。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:R6G 在柔性基板上的 SERS 信号。 从柔性基板上的10个随机点收集R6G（罗丹明6G）的表面增强拉曼散射（SERS）信号，以证明均匀性。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 6:不同 Thiram 浓度的 SERS 信号。 针对不同浓度的Thiram获得的表面增强拉曼散射（SERS）信号。 请点击这里查看此图的较大版本.

图 7:Thiram 在果实表面的 SERS 信号。 使用"粘贴和剥离"方法从苹果表面获得的 Thiram 的表面增强拉曼散射 （SERS） 信号。检出限达到Thiram的^10-7 M。 请点击这里查看此图的较大版本.

表1:R6G SERS频谱中的拉曼频移和频率模式分配。 表格列出了R6G（罗丹明6G）表面增强拉曼散射（SERS）光谱中的拉曼位移值及其相应的频率模式分配。

表2:Thiram SERS频谱中的拉曼频移和频率模式分配。 表格列出了Thiram表面增强拉曼散射（SERS）光谱中的拉曼位移值及其相应的频率模式分配。

补充文件1:增强系数（ER）的计算。请点击这里下载此文件。

本研究引入了一种柔性SERS底物，通过化学改性将AgNPs与PDMS键合，并取得了优异的性能。在颗粒合成过程中，特别是在银氨络合物合成（步骤1.2）中，溶液的颜色起着至关重要的作用。滴加过多的氨水会对AgNPs的合成质量产生不利影响，可能导致检测结果不成功。合成过程中应注意底物改性（步骤2.2）;否则，AgNP可能无法与PDMS正确结合，从而导致检测性能下降。

在实际制备中，SERS底物的检测性能可能表现出不稳定性²²。这可以通过改变物质的溶剂来优化。例如，使用乙腈作为Thiram的溶剂比使用乙醇产生更好的结果。此外，Thiram 的质量会影响检测到的 SERS 信号，这强调了在检测过程中确保所用试剂在其有效期内的重要性。

与其他研究^36,37,38相比^，本研究提出的SERS柔性底物检测方法简单明了。AgNPs可以通过简单的方法轻松合成，避免了复杂的实验条件和环境以及复杂的制造过程。基材环保，不引入有害污染物。然而，需要注意的是，由于AgNPs周围的葡萄糖层，会削弱银颗粒的增强作用，这表明需要进一步提高SERS底物的增强因子（EF）。使用本研究方法制备的SERS柔性底物在生物分子检测方面也需要进一步探索。

本研究提出的柔性SERS底物在现实生活中具有适用性，丰富了农药残留检测方法，具有重要意义。此外，在未来的应用中，柔性SERS底物在生物医学应用方面具有巨大的潜力。

作者声明没有利益冲突。

该研究得到了国家自然科学基金（批准号61974004和61931018）以及国家重点研发计划（批准号:2021YFB3200100）的支持。该研究感谢北京大学电子显微镜实验室提供电子显微镜。此外，这项研究还感谢崔莹和北京大学地球与空间科学学院在拉曼测量方面的帮助。