摘要

环境污染的急剧增加导致对能够进行现场监测和快速识别的新型采样策略的需求。在这方面，表面增强拉曼光谱是一个很好的候选分析技术。因此，需要付出巨大的努力来选择最佳的纳米平台，使SERS效应最大化，从而达到污染物检测的最低限度。在这项工作中，我们研究了在胶体金纳米星(GNS)表面涂覆一层随厚度增加的银的SERS响应。特别是，我们在精确的银厚度处观察到SERS信号的最大值。利用优化后的GNS@Ag制备了玻璃支撑SERS基板，增强系数好，样品内均匀性高。我们还评估了大规模生产的再现性，再次证明了反应的良好均匀性和底物的整体优良性。我们的玻璃sers活性芯片用于检测诺氟沙星和硫胺，作为有害和有毒污染物的代表。

1 介绍

在过去的几十年里，为了满足不断提高的生活水平，人类在工业、农业、交通运输和全球城市化方面的活动不断迅速扩大，结果导致了环境污染的不可控制的增加。

空气、水和土壤中存在的污染物严重影响我们的生态系统，进而影响人类健康，导致各种慢性和致命疾病。事实上，世界卫生组织(WHO)报告称，2012年全球因环境导致的死亡估计约为1260万人，占所有死亡人数的23%[1]，而最新统计数据显示，2016年因环境导致的死亡人数有所增加，目前占全球死亡人数的24.3%。

在不同的污染源中，以新兴污染物(emerging pollutants, EP)为代表的是现存的燃烧问题。这些化学物质仍未被纳入目前的全球监测计划，它们对环境和人类健康的毒性影响尚不清楚，因此具有潜在的危害性。在这方面，欧盟在2000年通过的《水框架指令》(Water framework Directive)中引入了地表水监测清单(Surface Water Watch List)，以监测这类根据潜在风险选择的新兴物质，但所收集的数据不足以确定实际风险[2]。

检测水中EP的常用方案意味着使用液体或气相色谱法和质谱法等研究技术，通常与显示高灵敏度水平的不同预浓缩方法相结合。然而，这种技术只允许进行非现场测量，在当前的情况下，随着环境污染的严重增加，新的采样策略反过来允许进行现场监测和快速识别是非常可取的。

在这方面，表面增强拉曼光谱(SERS)可能是一个有效的候选。事实上，SERS光谱允许在快速的时间尺度调查内进行现场采样。靠近或吸附在金属或半导体纳米结构上的分子对拉曼散射光的SERS增强取决于化学和电磁效应，当涉及金属纳米结构时，后者占主导地位。散射场的增加是由局部表面等离子体共振(LSPR)的激发引起的。一个关键参数是所谓的增强因子(EF)，理论上定义为所研究的同一分析物的SERS强度与拉曼系数之比[3]。

增强SERS作为常规分析方法需要在不同问题之间找到最佳妥协:更高的EFs，低成本的衬底制造，稳定和可重复的性能以及环境友好的化学路线。在这方面，纳米结构SERS衬底的适当设计起着关键作用，特别是对所涉及金属的性质以及纳米结构的形状和结构起作用。

目前的研究重点是开发不同的合成路线，通过这些合成路线可以获得纳米立方体、纳米棒、纳米板和纳米星等各向异性形状[4,5,6][7]。这类纳米结构具有大量的尖端和边缘，在这些尖端和边缘，由于避雷针效应[8]，电磁场高度集中，从而成为固有热点。

在这些不同的纳米结构中，金纳米星(GNS)具有细长的分支和众多的尖端，通常提供大量的热点，因此被认为是优秀的sers活性底物[9,10,11]。此外，最近有研究表明，通过添加银的覆盖层，可以进一步提高它们的SERS性能[12]。

在我们的工作中，我们对镀银GNS胶体和固体芯片的性能进行了详细而关键的研究，以期大规模应用于原位检测水和废水中新出现的污染物的SERS传感器。首先，我们通过改变银壳的厚度来深入研究胶体GNS的响应，以设定最佳的合成参数来达到最高的增强效果。通过全场电动力学模型验证了实验结果。在第二个实例中，利用简单的烷氧基硅烷化学将优化后的GNS@Ag接枝到玻片上制备SERS芯片。我们使用两种著名的拉曼报告剂，即罗丹明6G (R6G)和7-巯基-4-甲基coumarine (MMC)，在一年内合成的大量底物上仔细研究了它们的增强和再现性能，以获得可靠的统计数据。随后，GNS@Ag300芯片被用来检测两种具有代表性的水污染物，即诺氟沙星和硫胺。

2 实验

2.1 材料与合成工艺

参考文献[13]，纳米物体的胶体悬浮液是通过一种快速低成本的种子生长方法获得的:在5 mL Triton-X-100水溶液(0.2 M)和5 mL HAuCl4水溶液(4.5 × 10−4 M)混合制备的AuCl4-溶液中加入600µL冰冷NaBH4水溶液(0.01 M)制备起始种子。

GNS生长溶液由50 mL的0.2 M Triton-X-100水溶液开始，在磁力搅拌下加入以下成分:2500µL AgNO3水溶液(0.004 M)， 50 mL HAuCl4水溶液(4.5 × 10−4 M)， 1700µL L-抗坏血酸水溶液(0.0788 M)和120µL上述种子溶液。

在磁力搅拌下，将变体积(75 ÷ 600µL)的AgNO3 (0.1 M)和等体积的抗坏血酸(0.1 M)加入30ml的GNS溶液中，制备银膜。加入NH4OH引发抗坏血酸对银的还原。

分别在10−3和3.12 × 10−5摩尔浓度的水中制备诺氟沙星和西美姆原液，随后在水中进一步稀释以进行SERS测量。

至于固体SERS基板的合成，它们是根据报道的方法[14]制备的，其中特别注意玻璃基板的清洁过程。将干净的载玻片在10% (v/v)的APTES乙醇溶液中60°C浸泡5分钟，使其功能化。然后将载玻片在控制pH值为3左右的GNS@Ag胶体悬浮液中浸泡15 h，将纳米物体固定在固体基底上。

2.2 方法

使用瓦里安Cary 6000i分光光度计在300 ~ 1800 nm范围内对玻璃片和胶体悬浮液进行紫外-可见-近红外吸收测量。

通过Jeol JEM-1200 EX II仪器收集胶体悬浮液的透射电子显微镜(TEM)图像，将10µL 1:100 (GNS)和1:200 (GNS@Ag)稀释溶液沉积在涂有Parlodion膜的镍网(300目)上。

使用Zetasizer Nano-ZS90(来源:极化He-Ne激光器，输出功率30 mW，垂直极化)在1 mL胶体悬浊液上测量GNS和GNS@Ag的Zeta电位。

采用KSV CAM200型静接触角测定仪，采用水滴法测定。

扫描电镜(SEM)显微照片取自一台Tescan Mira XMU变压场发射扫描电镜(Tescan USA Inc.， USA)，放置在帕维亚的Arvedi实验室。用双面碳胶带将载玻片安装在铝桩上，然后在真空中涂上一层薄薄的Pt/Pd (nm)，使载玻片具有导电性。利用束流二次电子探测器在25kv下获得图像，具有较高的空间分辨率。

拉曼和SERS测量在室温下使用自动化和集成的共聚焦微曼光谱仪XploRA Plus HORIBA Scientific，配备奥林巴斯显微镜BX43。三种不同的激光源可用:532 nm, 100 mW, 638 nm, 90 mW和785 nm, 100 mW。具有不同光密度的中性滤光片允许设置入射激光功率。光谱仪配备了一个电动的xy平台，被调查的样品被放置在上面。光谱分辨率约为1cm−1。探测器采用开放式电极CCD相机，采用多级珀尔帖风冷系统。

使用638 nm激光源进行测量，使用两个不同的物镜:胶体溶液放大10倍，玻璃芯片放大50倍，光斑尺寸分别为100µm2和4µm2。胶体样品的激光功率密度为2 × 104 W/cm2，固体芯片的激光功率密度为2 × 103 W/cm2。在胶体溶液和固体底物中，光谱收集的积分时间分别为5 s和10 s，而在这两种情况下，都使用了等于10的累积数。

我们使用我们所谓的“三明治状结构”进行EF测量，使用著名的拉曼报告因子，即罗丹明6G (R6G)作为探针分子[15]:我们在SERS芯片上沉积80 mL液滴以收集SERS响应，并在空白玻璃载玻片上记录拉曼信号，我们通过用相同尺寸的覆盖玻璃载玻片覆盖SERS和空白基板来传播它。

由于这种方法，我们可以获得几乎均匀的液体膜，允许在相同的实验几何中执行SERS和拉曼检查，即使用相同的物镜。因此，在拉曼和SERS测量中照射的区域是相同的，唯一改变的操作参数是散射体积的高度:两个玻璃载玻片之间空隙中的所有分子都有助于拉曼信号，而只有吸附或靠近金属纳米结构的分子才会产生增强的拉曼信号。

在第一种情况下，拉曼高度等于覆盖玻璃侧与液膜之间的焦点到液膜与纳米结构层之间的焦点的距离。我们使用刻度测微轮测量了这个拉曼高度，结果是大约20 μm。在第二种情况下，SERS高度被认为等于SERS信号降为零的距离，在我们之前的工作[16]中，我们估计它约为10 nm。

目录

摘要 1 介绍 2 实验 3.结果与讨论 4 结论 数据可用性 参考文献 作者信息 道德声明 搜索 导航 #####

3.结果与讨论

原始GNS的代表性TEM图像如图1a所示。总的来说，用于合成金纳米恒星的种子生长方法使我们能够获得相当规则的六支和五支物体，尖端到尖端的最大距离在60到90 nm之间，其吸收光谱由两个主要的LSPR特征主导:接近900 nm的高阶共振和接近1500 nm的第二阶共振，被确定为基本共振模式[17](图1 -黑色光谱)。

原始GNS, GNS@Ag300和GNS@Ag600的a-c透射电镜图像及其紫外-可见-近红外吸收光谱

银和抗坏血酸的加入导致银涂层的形成，对于小体积，主要涉及GNS核，使分支的尖端部分未被覆盖(GNS@Ag300见图1b)，而对于更多的量，涂层本身也开始覆盖分支，直到最高浓度，即样品GNS@Ag600(图1c)，几乎每个物体都被银外壳完全包裹，根本看不到尖端。

银壳厚度的增加导致LSPR波段出现明显的蓝移，最初在1500 nm处达到峰值，随后完全消失(图1d)。同时，一个新的LSPR峰在400 ~ 550 nm范围内出现，随着银和抗坏血酸含量的进一步增加，该峰也会发生蓝移，直到在最高浓度时成为主导峰。在这种情况下，吸收光谱是主要由银组成的纳米物体的特征，正如TEM图像所指出的那样(图1c)。

为了研究GNS@Ag的增强性能与银壳厚度的关系，我们使用罗丹明6G研究了胶体溶液的SERS响应[18]。图2报告了10−5 M R6G溶液的SERS信号随银添加量的变化。正如可以观察到的那样，GNS@Ag300样本是显示最高强度信号的样本。确实，对于起始GNS胶体，信号强度降低了约6倍，而当AgNO3浓度高于300µL时，R6G信号强度再次开始降低。

这些发现和透射电镜的结果似乎表明，性能最好的纳米结构是分支几乎完全被银壳覆盖，只有尖端的最后一部分露出来的纳米结构(图1b)。

进一步增加银镀层厚度，SERS强度开始降低，直到GNS@Ag600样品达到最小值，即GNS完全嵌入时。

收集的10−5 M R6G溶液的SERS光谱用于每个被研究的胶体样品

基于边界元方法的理论模拟验证了实验观察结果，该理论模拟了一颗浸在水中的六支金纳米星，该纳米星被厚度不断增加的银壳包围(图3)[19](模型细节在[13]中有深入描述)。

R6G模式在610 cm−1下的SERS综合强度(蓝色直方图)与图中报告的模型配置(即原始GNS, GNS@Ag300和GNS@Ag600)计算的场增强四次方的平均值的比较。下图为上述样品在λ = 633 nm处的局部场增强图(在线彩色图)。

事实上，通过观察图3下侧λ = 633 nm处的局部场图，人们注意到，当尖端从银壳伸出时，获得了更大的场增强，但一旦纳米星分支被包围，增强就会衰减。为了更好地突出这一点，我们比较了GNS、GNS@Ag300和GNS@Ag600三个代表性样品在610 cm−1处R6G模式的综合强度趋势和场增强四次幂(|E|4)的计算平均值。由于可以观察到，与GNS@Ag300样品的结构相对应的银包封不淬灭主共振的结构具有最佳的性能。因此，我们选择GNS@Ag300胶体，通过简单的基于烷氧基硅烷的单层自组装方法制备SERS芯片。

这种合成方法是一种成熟、快速、低成本的方法，可以获得相当致密和均匀分布的纳米物体，至少在同一制备批次内，样品内和样品间具有相当好的可重复性。鉴于潜在的大规模生产，我们根据玻璃表面覆盖的良好性测试了样品的可重复性，进而测试了SERS响应的均匀性，将研究扩展到一年内合成的大量SERS传感器。这使我们得到了一个可靠的统计数据。

所有样品在300 ~ 1800 nm范围内均表现出较宽的LSPR吸收，在400 ~ 600 nm范围内再次以强带为主，与胶体溶液中纳米物体的模式重叠。70%的调查人群吸光度为中等值，即0.35-0.55,20%的调查人群吸光度在0.55 - 0.65之间，只有10%的调查人群吸光度在0.15-0.35之间。

当利用SERS效应时，SERS基板的吸光度值是关键问题，因为必须在SERS传感的两个不同物理方面之间建立妥协:较高的abs值通常导致较高的SERS信号，因为更有效的能量转移，但必须避免激光引起的热损伤。

验证了GNS@Ag300胶体的合成具有可重复性，并给出了不同制备过程中具有相同紫外可见吸收光谱的纳米物体分布。因此，我们认为，对于性能最好的基板来说，介质吸光度值的偏差取决于纳米物体锚定在aptes功能化玻璃载玻片上的不同方式，这一点将在下面强调。abs值较低的玻片是由于起始胶体溶液的沉淀导致玻片本身锚定的GNS@Ag数量较少，从而导致质量较低的SERS基板。然而，如果这些低abs值芯片应该被丢弃，以充分利用GNS@Ag基板的潜力，具有高abs值的芯片仍然可以用作传感设备。

这些高abs值芯片的明显特点是锚定的数量增加GNS@Ag。事实上，这些基材导致了一个更强烈的深色相对于中等abs值的。然而，SERS检查提供了更严格的证据。从显微镜下的相机可以立即清楚地看到微米尺寸的暗区域的存在，如图4所示，由于SERS响应的同质性测试，结果是巨大的聚集体，并且有大量的热点。特别是，我们通过收集7-巯基-4-甲基coumarine (MMC)的SERS信号验证了GNS@Ag300底物响应的均匀性，MMC是一种通过形成稳定的Au-S键与金属纳米结构强烈相互作用的分子。因此，芯片在MMC(10−5 M)的乙醇溶液中浸泡1小时，在N2通量下洗涤和干燥，然后进行SERS测量。

一般测量程序包括对同一样品以及来自同一和不同制备批次的样品进行多次采集，以评估样品内和样品间的均匀性。在高abs样本的情况下，我们还执行了跨这些宏观聚合的自动采集。作为一个例子，我们在图4中报告了用50x物镜获得的彩色地图，并通过绘制MMC模式在1170 cm−1处的综合强度作为光斑位置的函数而获得。相对于周围原则上应该存在一层覆盖物的地方，可以在聚集区域中体会到MMC信号的巨大增加。

高abs值芯片上的宏观聚合体的代表性图像，带有叠加的彩色地图，显示了报告聚合体的一部分在1170 cm−1处的MMC模式的综合强度(在线彩色图)

此外，我们根据所研究的MMC模式的综合强度计算相对标准偏差(RSD)，如图5a所示，通过对单个洛伦兹曲线进行拟合得到，RSD为30%。该RSD值太高，无法断言SERS底物具有良好的均匀性，但这是高热点浓度的自然结果。因此，由于局部场的巨大增加，这种衬底可以非常有用地获得灵敏度，进而达到低检测极限。然而，为了对潜在的被调查污染物进行校准曲线，从而不仅要敏感，而且要定量，SERS响应的均匀性必须成为底物的关键因素。出于这个原因，我们在研究中使用了中等abs值的基材。事实上，如前所述，通过使用MMC报告器进行均匀性测试，我们再次使用50倍物镜进行5次线性采集，每次60 μm扫描收集10个光谱，发现在这种情况下RSD值约为16%。此外，我们进行了进一步的采样，通过5倍物镜收集地图采集，面积约为1 mm2，我们发现RSD值约为10%。根据[13]，该值表明我们的中等abs值衬底具有良好的信号均匀性[20,21]。作为一个例子，图5b报告了我们用来说明1170 cm−1时MMC模式高度随空间位置变化的彩色地图。

在GNS@Ag300芯片上采集的10−5 M MMC的代表性SERS光谱。插图:在1170 cm−1模式上使用洛伦兹曲线执行最佳拟合程序的示例。b高度为1170 cm−1模式的彩色地图，随空间位置变化

在第二个例子中，我们通过量化增强因子来探索所选SERS衬底的性能。我们再次使用分子罗丹明6G在10−5 M和10−3 M稀释溶液中分别进行SERS和拉曼测量。第2.2节详细描述了我们所遵循的程序。为了计算EF，我们采用一般公式[3]:

其中，ISERS和IRS为610 cm−1 R6G模式的综合强度，NRS = cRS V和NSERS = cSERS V分别为拉曼和SERS实验中散射体积(V)中的平均分子数。但是，正如上文所述，由于我们能够使用相同的散射几何，因此相关参数仅为散射体的高度，因此我们操作地使用了如下表达式:

其中，cRS和cSERS分别为R6G溶液的摩尔浓度，分别为10−3和10−5 M, HRS为拉曼高度，约为20 μm, HSERS为10 nm。通过这一推理，我们估计了非谐振条件下的EF约为107，这与文献中报道的用快速廉价的方法合成固体芯片的值很好地吻合。

在深入验证了我们的sers活性芯片的可信度之后，我们成功地利用它们检测了一种抗生素诺氟沙星和一种杀虫剂thiram。

特别是，对于诺氟沙星和西美姆，我们的检测限(lod)在很大程度上超过了欧盟为这些污染物设定的最大残留水平(MRLs)。特别是，该研究使我们能够执行校准曲线，诺氟沙星的最低检测限为3 ppb，西美姆的最低检测限为100 ppb。研究结果的详细描述见文献[13]。在这里，我们希望将注意力集中在拉曼光谱和SERS光谱之间的比较上，以获得有关所研究分子与金属纳米结构相互作用方式的信息。事实上，了解分析物在SERS底物存在下的行为，对于优化传感器的性能，从而在常规和原位检测中获得更好的控制和提高灵敏度具有重要意义。

从图6中可以观察到，粉末的拉曼光谱与所研究化合物的10−5 M分析溶液的SERS光谱之间的比较，突出了某些模式的增强和位置的差异，这通常发生在SERS实验中。

诺氟沙星拉曼和SERS光谱(图6a)由三种主要模式主导，740 cm−1处为C-F基团与环变形的对称拉伸振动，1390 cm−1处为羧基的对称拉伸振动，1620 cm−1处为(C-C)芳环的拉伸振动[22,23]。当模态强度在1390 cm−1处归一化时，很明显，增强机制主要影响较低能量的模态。事实上，通过对这些模式执行最佳拟合程序，所得的fwhm明显大于拉曼光谱所得的fwhm。相反，在高能量模式中没有观察到这一点。这可能表明，C-F基团比分子的其他部分更能感受到由金属纳米结构引起的扰动。这一事实可能是由于纳米粒子的距离和方向之间的相互作用。事实上，更高的SERS增强预期来自更紧密的振动单元和那些显示极化率沿局部电磁场方向变化的模式。

关于thiram，我们可以从图6b中清楚地看到，大多数模式的特征是峰值能量和相对于拉曼的相对增强强度比的相关变化，以及SERS光谱中相对于拉曼响应的新模式(即1510 cm−1)的出现。只有在555 cm−1处被分配到S-S拉伸的模态似乎受到的影响较小，至少在能量位置上是这样。SERS谱在430 cm−1处有一个模态，属于CH3CN的弯曲和C=S键的拉伸;923 cm−1处有一个模态，属于CH3NC和C=S的振动;1386 cm−1处有一个强烈的模态，属于与CN拉伸弱耦合的CH3对称变形模态;1510 cm−1处有CN拉伸产生的新生模态[24,25]。

这些模式受SERS底物影响的不同方式可能取决于分子与金属表面相互作用的方式。事实上，与诺氟沙星不同，锡美姆在S-S键断裂后，通过硫原子(S-Ag键)与银表面形成牢固的共价键。因此，如果我们在拉曼光谱和SERS光谱中观察555 cm−1模式和1386 cm−1模式的相对强度比，很明显，增强机制对555 cm−1模式的强度有轻微影响;然而，这与S-S键的减少是一致的，这是由于解理和随后在Ag表面的吸附造成的。此外，影响C=S和C - S键模式的强烈变化支持了S - ag键形成的进一步证据，例如430和923 cm−1的键。最后，在1510 cm−1处拉伸的CN模式的增长似乎表明，thiram共振结构与金属表面垂直结合[25]。

10 ~ 5 M诺氟沙星和b - thiram溶液拉曼光谱(虚线)与SERS光谱(实线)的比较。对于所研究的两种分子，拉曼光谱的强度归一化为主要的SERS模式之一，即诺氟沙星在1390 cm−1处的模式和西美姆在555 cm−1处的模式

最后，通过比较两种污染物的SERS活性，也可以了解在相同的SERS底物上，相同光谱区域的增强产额如何明显不同。特别是，为了从GNS@Ag底物的SERS增强中获得最大的效果，我们必须研究诺氟沙星的低能量模式，即600-700 cm−1，而对于thiram，则研究高能量模式，约为1400 cm−1。

4 结论

在本研究中，我们进一步研究了GNS@Ag-based SERS传感芯片，深入表征了它们在增强SERS响应能力和均匀性方面的特性，并将分析扩展到大量样本。我们观察到再现性方面的一些问题，大约30%的样品吸光度值过低或过高，无法常规使用。尽管如此，我们证明了70%的GNS@Ag芯片显示出良好的平均EF，并且可以信任SERS响应的良好同质性。

基于这些底物的优良性能，它们被成功地用于检测诺氟沙星和西美，其LODs都明显低于欧盟规定的MRLs，即诺氟沙星为3 ppb，西美为100 ppb。在此基础上，我们仔细分析了这两种分子的SERS模式及其与正常拉曼模式的关系，获得了一些可用于水中污染物检测的SERS芯片设计的信息。

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