《Optical Materials》：Fabrication and optimization of superhydrophobic substrates with hierarchical micro/nano structures for SERS applications
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基于PDMS的疏水微柱阵列超表面增强拉曼散射（SERS）基底通过激光模板复制和化学还原法合成银纳米颗粒，显著提升药物检测灵敏度。优化基底对罗丹明6G检测限达5×10-10 M，增强因子2.2×107，相对标准偏差5.07%。该技术突破传统纳米颗粒固定工艺，实现低成本的生物医学检测与药物监测平台。
阮玉碧|阮嘉彤|阮秋婷|阮全德|康多安·卡特|邓忠诚|连思霞·阮
越南科学技术院物理研究所，越南河内江武市道潭路10号
摘要
超疏水基底能够促进分析物分子的富集，从而显著提高表面增强拉曼散射（SERS）基底的灵敏度[1, 2]。在本研究中，通过复制激光改性的硅模板制备了具有周期性微柱阵列的聚二甲基硅氧烷（PDMS）基底。通过将微孔间距从32微米减小到17微米来调节表面的疏水性，分别获得了110°、120°和135°的水接触角（θ）。随后，通过化学还原方法直接在微柱上原位合成银纳米颗粒（AgNPs），形成了层次化的微/纳米结构，使接触角进一步提高到125°、133°和152°，从而增强了表面疏水性并调节了分析物分子的分布，最终提高了SERS的灵敏度。优化的SERS基底能够在低浓度5×10^-10 M下检测罗丹明6G（R6G），实现了2.2×10^7的高分析增强因子（AEF）和5.07%的相对标准偏差（RSD）的良好均匀性。此外，多柔比星（DOX）在临床相关浓度10^-7 M下也能被可靠检测到。这些超疏水SERS基底为生物医学传感和治疗药物监测提供了一个稳健、可重复的平台。
引言
在生物医学诊断、环境监测和食品安全等多个领域，对低浓度化学和生物分子的超痕量检测越来越受到关注[1]。在分析技术中，表面增强拉曼散射（SERS）因其指纹识别能力和无需标记以及高灵敏度而成为一种强大的超痕量检测工具[2,3]。表面具有密集且均匀分布的热点的SERS基底是实现高SERS性能的关键因素[2,3]。SERS应用中常见的检测方法是液滴法，即将分析物溶液滴在基底上并干燥后进行测量。然而，亲水表面的“咖啡环”效应会阻碍分析物分子的浓缩过程，导致基底表面分布不均匀。具有超疏水表面（θ≥150°）的SERS基底可以作为分析物分子的浓缩器，有效克服这一限制。超疏水SERS基底可以有效地减少“咖啡环”效应，限制分析物分子的扩散，并提高其在基底上的局部浓度，这是显著提高SERS性能的关键因素[4, [5], [6], [7]]。构建层次化微/纳米结构已被证明是实现这种超疏水表面的有效策略。通过整合微观和纳米尺度特征，这些结构不仅增强了表面粗糙度，还将空气困在多尺度凹凸结构中，从而抑制了液-固接触，产生θ≥150°的表面[8, [9], [10]]。因此，层次化结构使得能够制造出具有更好均匀性、抗润湿转变稳定性和更强分析物分子浓缩能力的超疏水SERS基底。
聚二甲基硅氧烷（PDMS）因其固有的疏水表面（θ约为100°）、高化学稳定性、强附着力、良好的生物相容性、低成本、柔韧性和光学透明性以及无毒性，被广泛认为是制造超疏水SERS基底的优秀材料。更重要的是，PDMS在长波长区域的拉曼背景光谱非常弱，这有效减少了目标分子检测过程中的背景噪声干扰[7,[11], [12], [13]]。当引入层次化微/纳米结构时，PDMS基底可以实现θ超过150°的超疏水性。在现有的制备策略中，模板法是一种在PDMS表面上生成此类结构的直接方法。然而，如莲花叶[14]、玫瑰花瓣[6]和蝉翼[15]等天然模板难以扩大到实验室之外的应用，这限制了它们在大规模生产中的适用性[16]。为了解决这个问题，可以通过激光烧蚀技术制造人工模板，这是一种精确、高效且热损伤小的技术，几乎不对材料选择造成限制，并已广泛应用于微/纳米加工[17]。在此过程中，烧蚀的微/纳米颗粒聚集形成具有大表面积和高粗糙度的层次化结构，作为有效的模板[17]。Davaasuren等人证明，从激光烧蚀的网格图案模板复制的PDMS基底可以达到最大171°的水接触角[18]。同样，Gong及其同事通过激光烧蚀制备了带有微槽微孔阵列的不锈钢模板，得到了接触角为154°的透明PDMS表面[19]。此外，从激光刻蚀的深孔模板复制的PDMS微柱阵列也表现出151.4°的超疏水性[20]。
通过压印技术在PDMS上复制层次化微/纳米结构，随后集成银或金等等离子体金属，可以制备出性能提升的超疏水SERS基底。例如，使用飞秒激光处理的不锈钢模板制备的纳米条纹PDMS超疏水SERS基底，能够检测到低至10^-8 M的R6G，适用于农药残留监测[1]。同样，W. Koetniyom及其同事证明，从激光雕刻的铝模板复制并装饰有AgNPs的PDMS基底显示出增强的拉曼信号，可以检测到低至10^-6 M的亚甲蓝[21]。然而，关于这一主题的已发表研究仍然相对有限，且往往缺乏系统性的研究。迄今为止，大多数研究工作依赖于通过溅射（成本高昂且设备要求高[1,11]）或通过化学连接剂介导的预合成纳米颗粒吸附来装饰PDMS复制品[3,4,12]。
在本研究中，我们基于具有层次化微/纳米结构的PDMS开发了超疏水SERS基底，其中定义明确的微柱阵列是从激光制造的带有微孔的硅模板复制的。通过化学还原方法直接在PDMS基底上合成AgNPs，提供了一种简单、低成本且高效的方法。通过改变微柱间距（17–32微米），系统地研究了基底的润湿性和SERS性能。优化的超疏水SERS基底随后被用于检测R6G和抗癌药物DOX，显示出高灵敏度和均匀性。这一应用突显了所制备基底作为生物医学传感和治疗药物监测高效平台的潜力。
材料
试剂：单晶硅片、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、固化剂（Sylgard 184，Dow Corning）、3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTEOS）、硝酸银（AgNO3）、氢氧化钠（NaOH）、氢氧化铵溶液（NH4OH）和葡萄糖均购自Sigma-Aldrich。抗癌药物多柔比星（DOX，10mg/5 ml ≈ 3.7×10^-3 M）由Ebewe Pharma（奥地利）提供。所有溶液均使用去离子水（电阻率>1 MΩ）和乙醇（中国）配制。
仪器：
结果与讨论
使用Nd:YAG纳米秒激光制备了具有17微米（T17）、25微米（T25）和32微米（T32）间距的含微孔的硅模板。所得微孔的开口直径约为15微米，底部直径约为7微米，如图2(a–c)所示。微孔的内表面呈现相对粗糙的纹理，而周围的硅模板表面保持光滑。高倍率SEM图像进一步证实了所有微孔的情况
结论
总结来说，基于PDMS微柱阵列的超疏水层次化SERS基底是通过模板复制和化学还原方法系统制备的。通过将微柱间距从32微米系统地减小到17微米，表面从疏水性转变为超疏水性（θ=152°）。优化的Ag@P17基底表现出良好的SERS性能，具有高灵敏度、大的分析增强因子和稳定的信号重复性。
CRediT作者贡献声明
阮玉碧：正式分析、方法论、初稿撰写、审阅与编辑。阮嘉彤：数据管理。阮秋婷：数据管理。阮全德：数据管理。康多安·卡特：数据管理。邓忠诚：数据管理。连思霞·阮：撰写、审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了越南科学技术院（VAST）的资助，授予编号为VAST01.02/25-26的资助。我们还要感谢IOP和GUST之间的联合光学实验室设施的支持。
