靜電紡絲法制備柔性SERS基底及性能研究

陳 穎，吳振剛，魏恒勇，劉燕梅，王學沛，裴 媛，靖亞菲，曹吉林

(1.河北工業大學化工學院，天津 200120；2.華北理工大學分析測試中心，唐山 063210；3.華北理工大學藥學院，唐山 063210； 4.華北理工大學材料科學與工程學院，唐山 063210)

0 引 言

表面增強拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)可顯著增強分子的拉曼散射信號，極大地提升拉曼測試的靈敏度，不僅能分析樣品中痕量成分，還可以分析該成分的化學結構[1-2]。目前SERS基底制備常用的貴金屬中，銀納米粒子(AgNPs)顯示出優異的表面拉曼增強性能，主要歸因于局域表面等離子體共振效應(LSPR)[3-4]。同時研究發現制約銀納米粒子廣泛應用的因素主要是空間利用率低、成本高、穩定性差等[5-6]。靜電紡絲纖維膜具有高比表面積、高孔隙率、三維結構，作為載體一方面可以解決納米粒子聚集的問題，另一方面也可以使更多的納米粒子與檢測分子結合，得到更強的拉曼信號[7-8]。聚乙烯醇(PVA)是一種典型的無毒水溶性高聚物，具有生物相容性和可降解性，可作為金屬和半導體的主體材料，適合用作復合電紡納米纖維的基體[9-12]。本文利用靜電紡絲技術制備了PVA/Ag高活性SERS柔性基底。將硝酸銀、聚乙烯醇按照一定比例混合配置紡絲溶液，紡絲成膜后采用紫外光照射還原法[13]得到SERS基底。將此基底應用于煙酸藥品的拉曼光譜檢測，為生物藥品檢測提出了新的方法。且柔性基底與剛性材料(玻璃片、硅片等)為支撐的基底相比，輕薄柔韌、可任意裁剪、方便攜帶、可隨待測物體發生形變，進一步實現對復雜表面的殘留物進行檢測[14]。制備工藝簡單綠色環保，比傳統方法，比如采用NaBH4化學還原法[15]更快、更簡單、更節約，具有廣闊的應用前景。

1 實 驗

1.1 實驗試劑

聚乙烯醇(1799，醇解度98-99)，十二烷基磺酸鈉(SDS)(AR,98.0%)，硝酸銀(分析純)，無水乙醇(分析純)，羅丹明6G (R6G)，煙酸生化試劑 BR，以上試劑均從上海阿拉丁試劑網購買。

1.2 SERS基底的制備

1.2.1 紡絲液的制備

取4.8 g PVA與0.012 g十二烷基磺酸鈉溶于60 mL去離子水中， 98 ℃水浴加熱溶解攪拌1 h后冷卻至室溫。取一定量的硝酸銀溶于少量去離子水中，緩慢滴加到PVA溶液中，質量分數為0%、4%、8%、12%、16%、20%，攪拌均勻得到紡絲液。

1.2.2 靜電紡絲的制備

將紡絲液注入注射器中，并將其固定在微型注射泵上，在直流高壓電壓下啟動紡絲裝備，用錫箔紙收集納米纖維。紡絲工藝參數為：電壓強度為15 kV、接收距離15 cm、注射速度1 mL/h。

1.2.3 柔性SERS基底的制備

將電紡纖維膜在紫外光源下照射，光源功率為400 W,得到柔性SERS基底。

1.3 SERS基底的性能測試

采用場發射掃描電子顯微鏡(S-4800型，日本日立公司)對薄膜的表面形貌進行表征；采用透射電子顯微鏡(JEM-2800型，日本電子株式會社)對銀納米顆粒進行表征；采用紫外可見近紅外光譜儀(Lambda 750 S型，美國珀金埃爾默公司)對薄膜的光學性能進行測試；采用傅里葉紅外光譜儀(VERTEX 70，德國布魯克公司)對薄膜進行分子結構表征；采用激光拉曼光譜儀(DXR型，美國熱電公司)進行拉曼光譜測試，激發波長633 nm，功率為3 mW。選取羅丹明6G作為探針分子，配制羅丹明6G溶液(10-2mol·L-1)，將納米纖維基底剪切成10 mm×10 mm，浸泡羅丹明6G溶液6 h晾干后，進行拉曼測試。

1.4 SERS基底的在藥物分析中的應用

配置煙酸溶液(10-2mol·L-1、10-3mol·L-1、10-4mol·L-1、10-5mol·L-1)，將基底浸泡到溶液6 h后晾干，測試拉曼光譜，對基底拉曼增強性能進行表征。

2 結果與討論

2.1 形貌分析

為了研究不同硝酸銀濃度復合納米纖維膜的形貌變化，對樣品進行了SEM分析。

圖1為復合纖維膜SEM照片，當硝酸銀含量為0%，4%，8%，12%，16%時，纖維表面光滑、直徑均一，純PVA纖維膜平均直徑為340 nm，加入硝酸銀后，纖維直徑減小，纖維直徑大約在230～260 nm之間。當硝酸銀含量達到20%時，圖1(f)中顯示出串珠樣纖維，纖維直徑增大到360 nm，且分布不均。這是由于加入硝酸銀，溶液中的銀離子與聚乙烯醇發生絡合，氫鍵斷開，減少了溶液中各分子的相互作用，從而使紡絲溶液的粘度降低，纖維平均直徑有減小趨勢；但同時硝酸銀的加入量增大，紡絲液電導率增加，當液滴在電場中所受電場力增大到一定程度，細流未經完全拉伸下落到接收板上，形成串珠狀纖維。

圖2 16%硝酸銀復合電紡纖維TEM照片及EDS掃描圖Fig.2 TEM image of electrospun nanofiber(16%AgNO3) and EDS scanning

圖2為電紡纖維透射電鏡圖及EDS掃描圖，可觀察到銀納米粒子大部分均勻地分布在纖維中，個別顆粒出現了團聚，銀納米顆粒呈球形，粒徑小于10 nm，這是因為紡絲后照射紫外光還原，銀納米粒子失去了自由流動的環境，降低了繼續增長和聚集的幾率，此外，EDS分析表明纖維TEM照片中顆粒為銀。

2.2 紫外可見光譜分析

圖3為硝酸銀含量為16%的PVA復合纖維基底，分別經紫外光照射0 h、1 h、2 h、3 h、4 h后的紫外可見吸收光譜圖。

圖3中a顯示復合納米纖維膜基底未經紫外光照射時，在400～800 nm區域幾乎沒有吸收，b，c，d，e顯示復合纖維膜經過紫外光照射后，在428 nm左右有特征共振吸收峰，這是由納米銀顆粒的表面等離子體共振吸收引起的。紫外光照射時間增加，納米銀粒子等離子共振吸收峰強度增強，這是因為紫外光照射在納米復合材料中引起光化學反應，通過從聚乙烯醇鏈上釋放電子[16]，使剩余的離子進一步還原為金屬銀(Ag+— Ag0)，從而增加了納米銀顆粒的濃度，空間分布密度增大，有利于形成更多的“熱點”。紫外光照射時間繼續增加到4 h，等離子體共振吸收峰的最大吸收波長略微紅移到433 nm，這表明納米顆粒的尺寸和尺寸分布寬度增加[17]。將紫外照射時間設置為3 h，納米銀的成核和生長反應可在這段時間內達到性能相對穩定狀態[18]。

2.3 紅外光譜分析

圖4為純PVA膜與含16%硝酸銀的PVA復合纖維膜紫外光照射前后的 FT-IR 譜圖，純PVA 在3 325 cm-1，2 941 cm-1和1 714 cm-1處的峰分別為O-H的伸縮振動，C-H的伸縮振動和殘留的醋酸酯鏈結構的C=O的伸縮振動峰；1 332 cm-1處的吸收峰為O-H振動與在1 423 cm-1處C-H振動的耦合峰(CH-OH)。1 332 cm-1、1 423 cm-1處，譜圖4b，4c與4a相比，1 332 cm-1較1 423 cm-1處伸縮振動峰較強度增大，這是由于O-H與Ag之間作用，對O-H和C-H伸縮振動峰產生了解耦作用[19]。

圖3 不同紫外照射時間電紡纖維 基底的紫外可見光譜圖Fig.3 UV-Vis spectra of electrospun fiber substrates with different UV irradiation time

圖4 電紡纖維基底的紅外光譜圖 (a)純PVA;(b) 未經紫外照射16%硝酸銀復合膜;(c)紫外照射后 16%硝酸銀復合膜Fig.4 FT-IR spectra of electrospun fiber substrates (a)pure PVA;(b)electrospun nanofiber substrates(16%AgNO3) prepared without UV irradiation;(c)electrospun nanofiber substrates(16%AgNO3) prepared by UV irradiation

2.4 SERS性能分析

以羅丹明6G為探針分子，配制羅丹明6G溶液(10-2mol·L-1)，將納米纖維基底裁剪成10 mm×10 mm，浸泡羅丹明6G溶液6 h晾干后，進行拉曼測試，圖5為不同硝酸銀含量的復合纖維膜基底拉曼光譜，插圖為硝酸銀含量16%的SERS基底照片。

圖5 不同硝酸銀含量的復合電紡纖維基底SERS光譜圖Fig.5 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different content of AgNO3

圖6 不同紫外照射時間的電紡纖維基底SERS光譜圖Fig.6 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different UV irradiation time

圖中位移1 652 cm-1,1 364 cm-1,1 314 cm-1處為苯環C-C鍵的伸縮振動，C-H的彎曲振動位移為1 184 cm-1，773 cm-1，以及C-C-C的伸縮振動1 514 cm-1,620 cm-1位移。從圖5a可以看出，沒有添加硝酸銀的純PVA纖維膜檢測不到拉曼信號，圖5b，5c，5d，5e隨著硝酸銀含量的增加，羅丹明6G的拉曼增強效果明顯增強。其主要原因在于硝酸銀含量加大，生成的納米銀隨之增加，表面等離子體共振增強，拉曼增強效應越來越顯著。結合掃描電鏡形貌圖，硝酸銀含量16%時纖維光滑均一，拉曼增強效應顯著，且SERS基底具有良好的柔性特征，如圖5中插圖所示。

圖6為不同紫外光照射時間的納米纖維基底拉曼光譜圖，隨紫外光照射時間的增加，羅丹明6G的拉曼光譜信號增強，紫外光照射時間增加至4 h，拉曼檢測強度減弱，與圖3紫外可見光譜圖結果相符合，紫外照射時間3 h，基底性能相對穩定。

2.5 在藥物分析方面的應用

制備拉曼增強基底，硝酸銀含量16wt%，紫外光照射3 h，配置煙酸溶液，濃度分別為10-2mol·L-1、10-3mol·L-1、10-4mol·L-1、10-5mol·L-1，基底浸泡6 h晾干后，拉曼檢測結果如圖7和圖8所示。

圖7 電紡纖維基底上不同濃度煙酸的SERS光譜圖Fig.7 SERS spectra of electrospun fiber substrates with different content of nicotinicacid

圖8 煙酸濃度對數與1 024 cm-1處的拉曼強度對數關系圖Fig.8 Relationship between logarithm of nicotinic acid concentration and logarithm of Raman intensity at 1 024 cm-1

煙酸特征峰主要出現在837 cm-1、1 024 cm-1、1 375 cm-1、1 576 cm-1處，1 024 cm-1，1 576 cm-1對應于煙酸結構中吡啶環的呼吸振動，837 cm-1位移處的特征峰是平面內環變形，1 375 cm-1位移處對應-COOH基團對稱拉伸模式[20]。從圖7可以看出，隨著煙酸濃度的逐漸降低，拉曼檢測強度不斷減弱，檢測至10-5mol·L-1時，僅有微弱信號，因此拉曼增強基底對煙酸藥物的最低檢測限為10-5mol·L-1。圖8表明煙酸濃度的對數與1 024 cm-1處拉曼信號強度的對數間呈一定的線性關系，標準曲線為Y=3.333+0.457X，相關系數R2為0.948。

3 結 論

本文利用靜電紡絲技術制備了聚乙烯醇/銀納米粒子高活性SERS柔性基底。紫外光照射還原后Ag納米顆粒均勻分布在納米纖維中，可產生大量熱點，具有優異的SERS性能，可應用于煙酸藥品檢測，檢測限可達10-5mol·L-1。柔性基底具有良好的柔韌性，有望實現對復雜表面殘留物的檢測。