0 引　言

罗丹明6G（R6G）又称玫瑰红6G，是一种具有水溶性的荧光染料，常被应用于光学、激光光学、染料等领域。其对人体的毒性非常大，长期接触或使用罗丹明，存在致癌的风险，所以被列入非法添加剂中。但由于其价格低廉，着色性好^[1]，常被不法商家用于纺织、医药、食品等方面，因此需要对其进行痕量检测。目前检测罗丹明的方法主要有高效液相色谱法^[2]、液相色谱-串联质谱法^[3]等。但这些方法存在操作过程较繁琐，成本较高等缺陷^[4]。因此，设计一种痕量检测R6G的新方法很有必要。

表面增强拉曼散射（Surfaced-enhanced Raman scattering, SERS）能极大地增强粗糙金属（金、银、铜）表面分子的拉曼信号，从而提高检测的灵敏度。有学者用光子晶体光纤（PCF）^[5]与SERS技术结合进行检测研究，提升其信号增强因子及灵敏度。文中采用SERS技术检测R6G，可克服传统技术的局限性，提高检测的性能。

研究发现，纳米花^[6]状具有较大的比表面积和较高的“热点”密度，该形状的SERS基底具有极大的研究价值。Huang等人^[7]制备了类似六边形雪花状的金纳米颗粒，对R6G进行检测，检测限约为3×10⁻⁹ mol/L，对有机磷农药的检测限为1×10⁻⁸ mol/L。

文中对米花状基底的性能以及R6G的最低检出限方面进行研究设计。首先采用有限元法对米花型基底进行仿真^[8]，然后利用电化学沉积法制备一种米花型银/氮化钛复合SERS基底并对R6G进行拉曼检测。

1 实验原理

1.1 SERS原理

表面增强拉曼散射是20世纪中后期Fleischmann等人^[9]在做粗糙银电极表面检测吡啶分子实验时发现拉曼信号会增强，将增强效果归根于增加表面积而增加的分子信号。而后做了很多重复实验，验证了表面积增大并不是信号增强的唯一原因。而粗糙银表面吡啶分子与普通拉曼光谱相比增强的强度可以提高10⁵~10⁶倍。因此，将这种在粗糙贵金属表面拉曼增强信号的现象定义为表面增强拉曼散射^[10]。目前，SERS的增强机理主要有两种：物理增强和化学增强。粗糙的金属表面被光照射时，如果恰巧光子的振动频率和金属表面自由电子的振动频率一致并且发生共振现象，这种共振现象会使金属表面的电磁场得到极大的增强，附着在金属表面物质的拉曼信号也会随之增强，此现象称为表面等离子共振（SPR）。这种增强机理属于物理增强。化学增强的实质就是基底与被测物质之间发生化学反应，进而产生增强效应。在SERS的理论研究中发现物理增强机理和化学增强机理并不是独立存在的，研究人员根据两种机理各自不同的性质，结合实际情况，取长补短，去发挥它们各自的优势。1999年，K.KNEIPP^[11]综合考虑电磁增强和化学增强，推导得出SERS强度的计算式：

$ {I}_{\text{SERS}}({v}_{s})={N}^{\prime }I({v}_{\text{L}}){\left|A({v}_{\text{L}})\right|}^{2}{\left|A({v}_{\text{S}})\right|}^{2}{\sigma }_{\text{ads}}^{R} $ (1)

式中：N′代表在SERS效应过程中产生的分子数目；A(v_L)和A(v_S)表示在电磁场增强的情况下，激发光和斯托克斯光频率下的场增强因子；σ_ads表示在化学增强的情况下，吸附分子的拉曼增强散射截面。

1.2 有限元法

有限元方法区别于其他方法的最大特点是将给定域划分为一组简单的子域，称为有限元^[12]。任何允许计算解或其近似值的几何形状，或在子域的选定点（称为节点）的解的值之间提供必要的关系，都有资格成为一个有限元。该方法的其他特点包括在每个元素上寻求连续的，通常是多项式的，以节点值为单位的解的近似值，以及通过施加解的非线性连续性和元素间力的平衡来组装元素方程。下式为有限元的基本方程，被用于有限元分析子区域的计算。

$ \begin{split} &{\displaystyle {\int }_{\varOmega }}\left[\frac{1}{{\mu }_{r}}(\nabla \times {W}_{i})\cdot(\nabla \times E)-{k}_{0}^{2}{\varepsilon }_{r}{W}_{i}\cdot E \right] {\rm{d}} \varOmega =\\ &{\displaystyle {\int }_{{\varGamma }_{D}}\dfrac{1}{{\mu }_{r}}}(\hat{n}\times {W}_{i})\cdot(\nabla \times E){\rm{d}} \varGamma -\\ & {\displaystyle {\int }_{{\varGamma }_{N}}} \left[ \dfrac{j{k}_{0}}{{\eta }_{r}}(\hat{n}\times {W}_{i}) \cdot (\hat{n}\times E) + {W}_{i}\cdot{K}_{N} \right] {\rm{d}}\varGamma - j{k}_{0}{Z}_{0}{\displaystyle {\int }_{\varOmega }{W}_{i}}\cdot{J}_{imp}{\rm{d}} \varOmega \end{split} $ (2)

式中：Ω代表求解区域；W_i代表加权函数；E为电场强度；$ {\eta _r} $为归一化阻抗；J_imp为电流密度；K_N为边界$ {\varGamma _N} $上的边界源；μ_r=μ/μ₀为相对磁导率；$\varepsilon_{r}=\varepsilon/ \varepsilon_{0} $为相对介电常数；k₀²=ω²μ₀ε₀为自由空间中的波数；Z₀=ω²(μ₀/ε₀)为本征阻抗。

1.3 电化学沉积法

电沉积是在水溶液、非水溶液或熔融盐体系中，将电流引入电极时，阳极发生氧化反应和阴极发生还原反应的过程，即体系中重金属离子在阴极处被还原成单质形态，并沉积在阴极表面^[13]。

电化学沉积法这种化学方法克服了物理方法的极限性，具有容易操作、制备时间短和可控制沉积的形态大小结构等优势。

由于文中要制备的是银纳米颗粒，而金属银容易被还原，因此选用电化学沉积法来进行银纳米颗粒的制备。

2 实验部分

2.1 基底仿真

为了制备更高效的SERS基底，要研究基底结构、形状等对基底的性能、增强效果的影响^[14]。在理想条件下，基于有限元法对基底的增强效果进行仿真^[15]。选用米花型银纳米粒子，通过调节其中心球半径r、米花花瓣轴a、b、c以及中心球与花瓣间距d等结构参数，得到SERS信号增强效应最好的最优参数^[16]。

2.2 仪器和试剂

实验采用激光拉曼光谱仪（DXR）、场发射扫描电子显微镜（S-4800）。无水乙醇（AR）、N,N-二甲基甲酰胺（AR）、四氯化钛（AR）、冰醋（AR），罗丹明6G（95%）、柠檬酸三钠（AR）、硝酸银（AR）、氨气（99.99%）、氮气（99.99%）。

2.3 SERS基底制备

2.3.1 还原氮化法制备TiN薄膜

取10 mLTiCl₄和110 mL无水乙醇，混合得到四氯化钛乙醇溶液。取6 mL四氯化钛乙醇溶液依次加入1 gPVP、2.5 mLN,N-二甲基甲酰胺和10 mL无水乙醇，得到TiO₂前驱体溶液。用台式匀胶机在石英基片上进行镀膜，转速设置为3500 rpm、时间设置为20 s。镀膜结束后放置于80 ℃环境中烘干24 h，之后预烧至600 ℃，保温30 min，得到TiO₂薄膜。将薄膜放入管式炉中氮化，设置升温速率5 ℃/min，保温时间2 h，直至温度达到1000 ℃。期间通入800 mL/min和400 mL/min的NH₃，最终得到氮化钛薄膜^[17]。

2.3.2 银纳米颗粒的制备

银纳米颗粒的制备，用柠檬酸钠作为还原剂，加热一定量的AgNO₃溶液直至沸腾后再加入一定量的柠檬酸钠溶液，搅拌1 h后，形成银纳米颗粒。通过改变AgNO₃与柠檬酸钠的配比，制得不同形态的银纳米颗粒。

2.3.3 米花型银/氮化钛（TiN-Ag）复合SERS基底制备

采用电化学沉积法，以TiN薄膜为工作电极，Pt片为对电极，设定工作模式为恒电位模式，在电压为1 V、2 V和3 V条件下，分别加入沉积银，沉积时间5 min，待沉积结束后取出，在空气中自然晾干，制得不同形态的米花型TiN-Ag复合结构的SERS基底，对比选择与理想型最接近的形态作为SERS基底^[18]。

2.4 拉曼测试

取浓度为10⁻³~10⁻¹³ mol/L的R6G标准品分别滴加到米花型TiN-Ag复合SERS基底上，直至晾干。用激光拉曼光谱仪对其进行拉曼光谱测试，获取光谱数据。光谱参数：波长633 nm，积分时间10 s。

3 结果与讨论

3.1 纳米化状SERS基底仿真

设计了米花型银纳米颗粒作为信号增强基底，设计结构图如图1所示。理想情况下，基于有限元法对基底进行仿真，其理论拉曼增强因子可表示为^[4]：

图 1. (a) 二维纳米花结构；(b) 三维纳米花结构

Fig. 1. (a) Two-dimensional rice flower configuration; (b) Three-dimensional rice flower configuration

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$ {G_{(r,w)}} = {\left| {\frac{{{E_{(r,w)}}}}{{{E_{inc(w)}}}}} \right|^4} $ (3)

式中：$ {E_{(r,w)}} $为增强后的电场强度；$ {E_{inc(w)}} $为入射电场强度。

通过调节其结构参数（中心球半径r、米花花瓣轴a、b、c以及中心球与花瓣间距d）得到SERS信号增强效应最好的最优参数。

首先保持米花花瓣轴a、b、c与中心球半径r不变，探究中心球与花瓣间距d对SERS效应的影响。然后保持米花花瓣轴a、b、c与中心球与花瓣间距d不变，探究中心球半径r对SERS效应的影响。通过计算得到对应的增强因子，如图2(a)、2(b)所示。

图 2. (a)增强因子随间距d的变化；(b) 增强因子随中心球半径r的变化

Fig. 2. (a) Variation of the enhancement factor with the spacing d; (b) Variation of the enhancement factor with the radius of the central sphere r

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由图2(a)、2(b)可得，当花瓣间距d=0.14 nm、中心球半径r=3 nm时，增强因子最高。

其次保持中心球半径r、花瓣间距d不变，探究米花花瓣轴a、b、c对SERS效应的影响，通过计算分别得到随米花花瓣轴变化的增强因子。如图3(a)、3(b)、3(c)所示。

由图3(a)、3(b)、3(c)可得，当米花花瓣轴长为a=36.8 nm、b=8.9 nm、c=9.6 nm时，增强因子最高。

综上可得，纳米颗粒最优参数为d=0.14 nm、r=3 nm、a=36.8 nm、b=8.9 nm、c=9.6 nm。通过模拟仿真计算得到纳米颗粒电场分布图见图4。由公式（3）计算，得到增强因子可以达到15个数量级，说明设计的纳米花颗粒具有良好的SERS信号增强效果。

图 3. (a) 增强因子随米花花瓣轴a的变化；(b) 增强因子随米花花瓣轴b的变化；(c) 增强因子随米花花瓣轴c的变化

Fig. 3. (a) Variation of enhancement factor with rice flower petal axis a; (b) Variation of enhancement factor with rice flower petal axis b; (c) Variation of enhancement factor with rice flower petal axis c

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图 4. 米花型银纳米颗粒电场分布图

Fig. 4. Electric field distribution of rice flower type silver nanoparticles

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3.2 TiN-Ag的表征及电压对结构的影响

为探究电压对米花型TiN-Ag复合SERS基底结构的影响，保持沉积时间与沉积液浓度不变，调节沉积电压分别为1 V、2 V和3 V，制得三种不同结构的基底。

图5(a)~5(c)分别是电压为1 V、2 V和3 V条件下TiN-Ag复合SERS基底的SEM图。

图 5. 基底SEM图。(a) 1 V; (b) 2 V; (c) 3 V

Fig. 5. SEM image of the substrate. (a) 1 V; (b) 2 V; (c) 3 V

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如图5(c)所示，当电压为3 V时，银纳米颗粒团聚成一簇一簇地附着在TiN表面，团聚粒径较大约为1 μm。如图5(b)所示，当沉积电压为2 V时，银纳米粒子聚集花状成层状均匀分布，粒径平均80 nm，而电压减小为1 V时，如图5(a)所示，TiN表面的银颗粒明显降低了立体感，呈现片状，粒径约为30 nm。当电压为2 V时，TiN表面的银颗粒形状与理想型最接近。因此，在制作TiN-Ag复合SERS基底的过程中，沉积电压选择2 V。

图6为SERS信号基底XRD图。由图6可知，当衍射角为36.9°和42.9°时，分别出现了具有NaCl型面心立方结构TiN（111）、（210）晶面的衍射峰^[19]。当沉积电压为1 V时，衍射角为38.2°、64.6°及77.4°分别对应银纳米粒子的（111）、（220）和（311）晶面，这表明单质Ag和TiN两种物相共存，银纳米颗粒已沉积在TiN纳米阵列上。

图 6. XRD图

Fig. 6. XRD map

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3.3 柠檬酸三钠与AgNO₃浓度的比值对TiN-Ag基底结构的影响

保持沉积时间与电压2 V不变，分别配制AgNO₃∶柠檬酸三钠浓度比为1∶1 （1 mmol/L∶1 mmol/L，2 mmol/L∶2 mmol/L）、1∶2 （1 mmol/L∶2 mmol/L，0.5 mmol/L∶1 mmol/） L以及1∶4 （0.5 mmol/L∶2 mmol/L）沉积液，得到不同形态的银/氮化钛复合SERS基底，对其进行SEM测试，结果如图7所示。

图 7. 不同AgNO₃与柠檬酸三钠浓度比值制备TiN-Ag复合基底的SEM图

Fig. 7. SEM images of TiN-Ag composite substrates prepared by different concentration ratios of AgNO₃ to trisodium citrate

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当AgNO₃：柠檬酸三钠浓度比为1∶1 （1 mmol/L∶1 mmol/L，2 mmol/L∶2 mmol/L）时，银纳米颗粒呈球状且粒径较小，均匀分布在TiN表面。等比例增加AgNO₃与柠檬酸三钠浓度（2 mmol/L∶2 mmol/L），银纳米颗粒数量明显增多，分布较小浓度更加均匀。当AgNO₃：柠檬酸三钠浓度比为1∶2 （1 mmol/L∶2 mmol/L，0.5 mmol/L∶1 mmol/L）时，纳米银颗粒数量减少，团簇粒径可达250 nm，形状不一。当AgNO₃：柠檬酸三钠浓度比为1∶4 （0.5 mmol/L∶2 mmol/L）时，银纳米粒子部分团簇现象明显，其粒径约可达1.5 μm，且分布较不均匀，故选择AgNO₃和柠檬酸三钠浓度均为2 mmol/L时，制作TiN-Ag复合SERS基底。

通过探究沉积电压以及柠檬酸三钠与硝酸银浓度比值得出，当沉积电压为2 V，柠檬酸三钠与硝酸银浓度比值为1∶1 （2 mmol/L∶2 mmol/L）时制得的TiN-Ag复合SERS基底的结构为米花状纳米颗粒，跟物理仿真模型形态最接近。SERS基底形貌SEM测试结果如图8所示。因此，选用此条件下制得的基底进行拉曼检测。

图 8. 米花型基底SEM图

Fig. 8. SEM image of rice flower type substrate

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3.4 基底增强性考察

为了探究米花型TiN-Ag复合SERS基底的增强效果，选择R6G作为拉曼探针分子，把制备的米花型TiN-Ag复合SERS基底分别在浓度为10⁻⁹~10⁻¹³ mol/L的R6G溶液中浸泡5 min，浸泡后取出晾干，用激光拉曼光谱对其进行拉曼检测，得到拉曼信号图谱如图9所示。通过对得到的SERS信号图谱进行分析处理。

图 9. 不同浓度R6G吸附在米花型TiN-Ag基底的SERS图谱

Fig. 9. SERS patterns of different concentrations of R6G adsorbed on rice flower type TiN-Ag substrates

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由图9可以看出，R6G的特征峰在628 cm⁻¹、780 cm⁻¹、1180 cm⁻¹、1360 cm⁻¹、1505 cm⁻¹、1577 cm⁻¹和1650 cm⁻¹处较为明显，与参考文献[20]中报道的R6G特征峰相符。其中，628 cm⁻¹、780 cm⁻¹和1180 cm⁻¹处的峰为R6G氧杂蒽环的面内、面外弯曲和C-C键的拉伸振动峰；1360 cm⁻¹、1505 cm⁻¹、1577 cm⁻¹和1650 cm⁻¹处的峰为R6G苯环上C-C键的伸缩振动峰^[21]。由于SERS基底的特征峰在628 cm⁻¹和780 cm⁻¹处存在干扰，因此选择1180~1650 cm⁻¹范围的特征峰对R6G进行分析，以1650 cm⁻¹处为例，该SERS基底在浓度为10⁻¹³ mol/L时仍能观察到R6G的峰值，证明米花型TiN-Ag复合SERS基底对R6G的检出限能达到10⁻¹³ mol/L。

通过与最新的报道进行对比，文中研究具有较大的优势，对比结果如表1所示。

3.5 稳定性能测试

为了验证米花型TiN-Ag复合SERS基底性能，将基底放置三天后，再把基底用10⁻³的R6G浸泡5 min，晾干后对其进行拉曼信号测试，得到拉曼信号图谱，如图10所示。

图 10. 拉曼信号图谱

Fig. 10. Raman signal mapping

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由图10可知，R6G特征峰处依然还有很强烈的信号，说明米花型TiN-Ag复合SERS基底具有稳定性。

4 结　论

文中通过有限元法仿真对比得到米花型结构基底在不同中心球半径、米花花瓣轴以及中心球与花瓣间距条件下的场强变化，得到米花型银/氮化钛薄膜基底的最佳增强因子为10¹⁵。制备米花型TiN-Ag复合SERS基底，利用电化学沉积法，通过对比实验，当沉积电压为2 V，柠檬酸三钠与AgNO₃浓度配比为1∶1 （2 mmol/L∶2 mmol/L）时，得到的米花型TiN-Ag复合SERS基底与仿真模型形态最接近，且稳定性强，对R6G的最低检测浓度为10⁻¹³ mol/L。