本發(fā)明屬于功能納米材料和分析檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高活性和高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底及其制備方法。

背景技術(shù)：

拉曼光譜的產(chǎn)生來自于分子振動對入射電磁波的非彈性散射，它可以為分子的結(jié)構(gòu)解析提供十分重要的指紋信息。但是，傳統(tǒng)的拉曼光譜的光散射強(qiáng)度較低，導(dǎo)致光譜信號較弱致使其無法在實(shí)際生產(chǎn)生活中大規(guī)模得以應(yīng)用。在過去的將近半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，一種被稱為表面增強(qiáng)拉曼光譜(sers)的技術(shù)備受關(guān)注，并得到了很大程度的發(fā)展。通常來說，sers中所采用的基底是金、銀等貴金屬的納米或微米級結(jié)構(gòu)，光在入射到這些結(jié)構(gòu)的時(shí)候會引起金屬表面的自由電子的振蕩，產(chǎn)生局域表面等離子共振(lspr)現(xiàn)象，這導(dǎo)致的結(jié)果就是在相鄰的金屬結(jié)構(gòu)之間的納米級空隙內(nèi)以及比較尖銳的金屬結(jié)構(gòu)邊緣處，電磁場強(qiáng)度獲得巨大的增強(qiáng)，這些區(qū)域就是所謂的“熱點(diǎn)”。在“熱點(diǎn)”內(nèi)的分子，其拉曼光譜的信號強(qiáng)度會被顯著放大，這使得極其少量的被測物的分析成為可能。

在過去的幾十年中，人們?yōu)榱俗非蟾鼉?yōu)異的增強(qiáng)效果，制備了多種多樣的sers基底。通常來說，這些結(jié)構(gòu)大體可以分成兩類：膠體金屬納米粒子及其聚集體和基底支持的金屬納米結(jié)構(gòu)。相比而言，后者因?yàn)楦玫姆€(wěn)定性、方便使用以及利于小型化等優(yōu)點(diǎn)而更受關(guān)注。在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，一個(gè)理想的sers基底需要具備出色的增強(qiáng)效果和均一性、制備成本低、可大面積制備等素質(zhì)。但在已報(bào)到的研究成果中，能夠同時(shí)滿足上述要求的sers基底并不多見。一些比較精密的技術(shù)，例如電子束刻蝕、聚焦離子束刻蝕、干涉刻蝕、掩板沉積、納米切割、原子層沉積等通?？梢杂糜跇?gòu)筑尺寸可控的納米間隙，但是這些技術(shù)往往需要十分昂貴的儀器，制備過程也都比較復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，并不適用于制備大面積的樣品和批量化生產(chǎn)。相比而言，自組裝技術(shù)可以大大節(jié)約成本，亦可滿足大面積制備的要求。但是，通過自組裝的方法制備得到的金屬納米結(jié)構(gòu)常常會有納米間隙的尺寸可控性較差、“熱點(diǎn)”在整個(gè)基底上分布不均勻等為人詬病的劣勢。雖然sers光譜中的信號強(qiáng)度是被照射區(qū)域內(nèi)的所有分子信號的總和，但信號中的絕大部分來自于增強(qiáng)效果較好的“熱點(diǎn)”區(qū)域的分子，而這些“熱點(diǎn)”在一般的自組裝的sers基底上分布不均，導(dǎo)致sers信號在整個(gè)基底上可重現(xiàn)性較差。因此，急需發(fā)展一種簡單、低成本的方法，用以制備大面積的高活性和高均一性的sers檢測基底。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有表面增強(qiáng)拉曼散射基底存在的制備過程繁瑣、成本高、信號可重現(xiàn)性差、面積小等技術(shù)問題，提供一種簡單、低成本的方法，用以制備大面積的高活性和高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底。

本發(fā)明利用靜電吸附作用，在基底上均勻地組裝上尺寸均一的球形金屬納米粒子陣列。在此基礎(chǔ)上，再沉積一層金屬，得到金屬納米球與納米孔的雜化結(jié)構(gòu)，同時(shí)在納米球和納米孔之間形成的環(huán)形納米縫隙充當(dāng)了sers的“熱點(diǎn)”。而環(huán)形縫隙的寬度可以通過沉積金屬的厚度進(jìn)行可控調(diào)節(jié)，從而對基底的拉曼增強(qiáng)效果進(jìn)行優(yōu)化。此外，為了實(shí)現(xiàn)出色的表面均一性，本發(fā)明所采取的措施主要包括以下三方面：a)采用單分散的球形金屬納米粒子。這樣可以保證環(huán)形納米間隙的寬度比較均勻，避免尺寸不一帶來的信號強(qiáng)度差異；b)粒子在基底上均勻分布。這樣可以保證在測試的激光照射范圍內(nèi)，環(huán)形納米縫隙的數(shù)目以及被激發(fā)的被分析物分子的數(shù)目在整個(gè)基底上相對恒定；c)調(diào)低納米粒子溶液的離子強(qiáng)度，從而增大基底上的納米粒子間距。這樣可以消除粒子之間的近場耦合效應(yīng)，排除了粒子聚集形成的分布不均的“熱點(diǎn)”對sers基底的均一性的負(fù)面影響。

本發(fā)明所述的一種高活性、高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底的制備方法，其具體步驟如下：

1)將檸檬酸根穩(wěn)定的單分散的球形金屬納米粒子溶液通過離心的方法，使其完全沉降至離心管底部；撇去上清液后，向其中加入與原溶液等體積的氯化鈉水溶液，即得到離子強(qiáng)度(離子強(qiáng)度為溶液中每種離子的物質(zhì)的量濃度乘以該離子的價(jià)數(shù)的平方所得諸項(xiàng)之和的一半，用來形容溶液中離子的電性強(qiáng)弱的程度)確定的單分散的球形金屬納米粒子溶液，并將其置于4℃的冰箱中保存待用；

2)依次使用有機(jī)溶劑和去離子水清洗固體基片，接著用酸性處理液煮沸處理，取出后清洗、烘干，即可得到表面干燥、清潔、親水的固體基片；

3)將步驟2)得到的親水固體基片表面修飾上攜帶有正電的分子，使其表面帶正電荷；

4)將步驟3)得到的表面攜帶正電荷的固體基片浸泡在步驟1)得到的單分散球形金屬納米粒子溶液中進(jìn)行靜電吸附，即可在固體基片表面得到球形金屬納米粒子陣列；

5)在步驟4)中得到的球形金屬納米粒子陣列上垂直沉積一層金屬，從而在基底上得到金屬納米粒子和納米孔的雜化結(jié)構(gòu)陣列，即本發(fā)明所述的一種高活性、高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底。

上述方法中，步驟1)中所述的金屬納米粒子可以為金、銀、鉑等，粒徑為15～300nm，溶液中金屬納米粒子的濃度為5×10-⁶～5×10-³nmol/l，檸檬酸根穩(wěn)定的單分散球形金屬納米粒子溶液合成方法可參考如下文獻(xiàn)：zieglerc,eychmüllera,j.phys.chem.c,2011,115(11),4502–4506；bastúsng,f,piellaj,puntesv,chem.mater.,2014,26(9),2836–2846；bigallnc,t,klosem,etal.,nanolett.,2008,8(12),4588–4592。

步驟1)中所述離心操作中，離心力為1000～5000g，時(shí)間為5～20min。

步驟1)中所述氯化鈉水溶液濃度為1nmol/l～100μmol/l，進(jìn)一步濃度為1μmol/l～50μmol/l，更進(jìn)一步濃度為5μmol/l～20μmol/l。

步驟2)中所述固體基片為石英基片、玻璃基片、硅片等，基片面積為25～2500mm²。

步驟2)中所述有機(jī)溶劑依次為氯仿、丙酮、乙醇，固體基片在每種有機(jī)溶劑中超聲清洗2～10min。所述的酸處理液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)98％的濃硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)30％的過氧化氫的混合溶液，兩者體積比為2：1，基片在酸處理液中煮沸處理10～60min。

步驟3)所述基片表面修飾上攜帶有正電的分子是通過化學(xué)鍵鏈接(3-氨丙基)三甲氧基硅烷、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷等硅烷偶聯(lián)劑，或者是通過靜電吸附結(jié)合聚二烯丙基二甲基氯化銨、聚乙烯亞胺等攜帶正電荷的聚電解質(zhì)。

步驟4)所述固體基片在單分散球形金屬納米粒子溶液中浸泡時(shí)間為2～12h，取出后用去離子水沖洗干凈，并用氮?dú)獯蹈伞?/p>

步驟5)所述沉積的金屬為金、銀等，沉積的方法為物理氣相沉積，金屬的厚度為10～150nm。

附圖說明

圖1：(a)檸檬酸根穩(wěn)定的單分散球形金納米粒子的透射電鏡照片，平均粒徑為58nm。其中插圖為粒徑的頻率分布直方圖，統(tǒng)計(jì)樣本數(shù)為100個(gè)；(b)平均粒徑為58nm的球形金納米粒子溶液的紫外-可見消光光譜。

圖2：單純的金納米粒子陣列和不同厚度銀的雜化結(jié)構(gòu)陣列的不同視角的掃面電鏡照片，其中俯視圖中的插圖為更高放大倍數(shù)的圖片，斜視圖的視角與基底呈45°。

圖3：(a)金納米粒子陣列中相鄰粒子間距的分布；(b)金納米粒子陣列的紫外-可見消光光譜。

圖4：(a)雜化結(jié)構(gòu)(銀的厚度為28nm)在低放大倍數(shù)下的掃描電鏡照片，圖中虛線圈的直徑為1μm，代表激光光斑所能覆蓋的區(qū)域；(b)1μm的虛線圈內(nèi)球形金納米粒子的數(shù)目分布。

圖5：不同的基底在633nm的激光激發(fā)下的平均拉曼光譜(a、d、g、j)，51個(gè)光譜組成的等高線圖(b、e、h、k)以及位于1625cm^-1處的拉曼峰的強(qiáng)度變化(c、f、i、l)。其中，被測物分子為亞甲基藍(lán)，濃度為10^-4mol/l。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例1

本實(shí)施例提供一種高活性、高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底及制備方法，具體為：

1)濃度為9×10^-4nmol/l的檸檬酸根穩(wěn)定的單分散球形金納米粒子溶液的制備方法參見zieglerc,eychmüllera,j.phys.chem.c,2011,115(11),4502–4506，平均粒徑為58nm，其透射電鏡圖和紫外-可見消光光譜如圖1所示，證明其具有規(guī)整的球形形狀和較為均一的粒徑；先通過離心的方法，使其完全沉降至離心管底部；撇去上清液后，向其中加入與原溶液等體積的10μmol/l氯化鈉水溶液，得到濃度為9×10^-4nmol/l的金納米粒子溶液，并將其置于4℃的冰箱中保存待用；

2)尺寸為15×15mm²的石英基片依次置于氯仿、丙酮、乙醇中各超聲清洗5min，隨后用去離子水反復(fù)清洗5次至無乙醇?xì)埩?；再用酸性處理?質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98％的濃硫酸和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30％的過氧化氫的混合溶液，兩者體積比為2：1)煮沸處理30min，然后用去離子水反復(fù)清洗至無酸殘留；取出在100℃條件下烘烤30min，即得到表面干燥、清潔、親水的石英基片；

3)將步驟2)中得到的石英基片放置在真空干燥器中，并同時(shí)在其中滴入20μl(3-氨丙基)三甲氧基硅烷，抽真空至干燥器內(nèi)壓強(qiáng)為1bar后，將其放置在70℃的烘箱中1h，取出后冷卻至室溫待用；

4)將步驟3)中修飾完成的石英基片浸泡在步驟1)中得到的球形金納米粒子溶液中6h，取出用去離子水沖洗，用氮?dú)獯蹈珊?，就得到在石英基片上的球形金納米粒子的陣列，其掃面電鏡圖(圖2a-c)，其中金納米粒子接近球形，并具有均一的粒徑；相鄰粒子的間距分布和對應(yīng)的紫外-可見消光光譜如圖3所示，其中消光光譜中只有一個(gè)共振峰證明金納米粒子之間沒有近場耦合作用；激光光斑照射范圍內(nèi)的粒子數(shù)目分布如圖4所示，證明粒子分布均勻，從而使環(huán)形納米縫隙，即“熱點(diǎn)”在整個(gè)基底上分布均勻；

5)在步驟4)中得到的球形金納米粒子陣列上，通過物理氣相沉積技術(shù)，垂直沉積一層厚度為15nm的銀，即得到金屬納米球與納米孔的雜化結(jié)構(gòu)陣列，其掃描電鏡圖如圖2所示。圖2d表明金納米粒子的排布并未受影響，而粒子平均粒徑有十分微小的增大；圖2e和圖2f證明金納米粒子和銀納米孔雜化結(jié)構(gòu)的形成，兩者之間存在明顯的環(huán)形納米縫隙。

實(shí)施例2

本實(shí)施例提供一種高活性、高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底及其制備方法，其具體步驟與實(shí)施例1基本一致，不同之處在于沉積的銀厚度為28nm，即得到金屬納米球與納米孔的雜化結(jié)構(gòu)陣列，其掃描電鏡圖如圖2所示。圖2g表明金納米粒子的排布并未受影響，而粒子平均粒徑有微小的增大；圖2h和圖2i證明金納米粒子和銀納米孔雜化結(jié)構(gòu)的形成，兩者之間存在明顯的環(huán)形納米縫隙。

實(shí)施例3

本實(shí)施例提供一種高活性、高均一性的表面增強(qiáng)拉曼散射基底及其制備方法，其具體步驟與實(shí)施例1基本一致，不同之處在于沉積的銀厚度為40nm，即得到金屬納米球與納米孔的雜化結(jié)構(gòu)陣列，其掃描電鏡圖如圖2所示。圖2j表明金納米粒子的排布并未受影響，而粒子平均粒徑有微小的增大；圖2k和圖2l表明部分金納米粒子與納米孔發(fā)生融合，兩者之間的環(huán)形納米縫隙也消失。

實(shí)施例4

本例中的制備過程與實(shí)施例1中的基本相同，不同之處在于去除步驟5)，直接以步驟4)中得到的單分散球形金納米粒子陣列作為sers基底，其掃描電鏡圖如圖2所示，其掃面電鏡圖(圖2a-c)，其中金納米粒子接近球形，并具有均一的粒徑；

實(shí)施例5

上述所制得的基底一同浸泡在5ml濃度為10^-4mol/l的亞甲基藍(lán)乙醇溶液中，3h后取出，并用無水乙醇反復(fù)沖洗干凈，隨后用horibalabramhrevolution高分辨激光共聚焦拉曼光譜儀采集拉曼光譜，曝光時(shí)間為1s，激發(fā)光的波長為633nm，透過率為1％，物鏡的放大倍數(shù)為50×，數(shù)值孔徑na＝0.75，各個(gè)基底上收集到的拉曼光譜如圖5a、d、g、j所示。為了考察sers基底的均一性，將同一直線上相鄰間距為5μm的51個(gè)點(diǎn)上采集到的拉曼光譜繪制成等高線圖，如圖5b、e、h、k所示，其中的亮線為拉曼光譜中強(qiáng)度較高的振動峰，亮線的連續(xù)成都代表了信號強(qiáng)度的波動情況，即sers基底的均一性。圖5c、f、i、l是位于1625cm^-1處的振動峰的峰強(qiáng)波動情況以及據(jù)此計(jì)算得到的信號強(qiáng)度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)不同基底上采集得到的拉曼數(shù)據(jù)可以得到以下兩個(gè)結(jié)論：(1)具有環(huán)形納米縫隙的金屬納米球與納米孔的雜化結(jié)構(gòu)能夠提供比單純球形納米粒子陣列高得多的增強(qiáng)效果，前者的信號強(qiáng)度相比后者提升了3個(gè)數(shù)量級；(2)對于平均粒徑為58nm的球形金納米粒子，當(dāng)沉積的銀厚度為28nm時(shí)，基底的增強(qiáng)因子最高，能夠達(dá)到10⁶以上，并且此時(shí)信號的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，僅有5.3％，證明基底的空間均一性出色。

上述實(shí)施例只是對本發(fā)明做進(jìn)一步的闡述，而不是要以此對本發(fā)明進(jìn)行限制。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。