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度較低，導(dǎo)致光譜信號較弱致使其無法在實際生產(chǎn)生活中大規(guī)模得以應(yīng)用。在過去的將近半個世紀(jì)的時間里，一種被稱為表面增強拉曼光譜(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，電磁場強度獲得巨大的增強，這些區(qū)域就是所謂的“熱點”。在“熱點”內(nèi)的分子，其拉曼光譜的信號強度會被顯著放大，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，后者因為更好的穩(wěn)定性、方便使用以及利于小型化等優(yōu)點而更受關(guān)注。在實際應(yīng)用當(dāng)中，一個理想的sers基底需要具備出色的增強效果和均一性、制備成本低、可大面積制備等素質(zhì)。但在已報到的研究成果中，能夠同時滿足上述要求的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”在整個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效果較好的“熱點”區(qū)域的分子，而這些“熱點”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)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有表面增強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”。而環(huán)形縫隙的寬度可以通過沉積金屬的厚度進行可控調(diào)節(jié)，從而對基底的拉曼增強效果進行優(yōu)化。此外，為了實現(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)目在整個基底上相對恒定；c)調(diào)低納米粒子溶液的離子強度，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”對sers基底的均一性的負面影響。

本發(fā)明所述的一種高活性、高均一性的表面增強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，即得到離子強度(離子強度為溶液中每種離子的物質(zhì)的量濃度乘以該離子的價數(shù)的平方所得諸項之和的一半，用來形容溶液中離子的電性強弱的程度)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：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，時間為5～20min。

步驟1)中所述氯化鈉水溶液濃度為1nmol/l～100μmol/l，進一步濃度為1μmol/l～50μmol/l，更進一步濃度為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)中所述有機溶劑依次為氯仿、丙酮、乙醇，固體基片在每種有機溶劑中超聲清洗2～10min。所述的酸處理液為質(zhì)量分數(shù)98％的濃硫酸和質(zhì)量分數(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間為2～12h，取出后用去離子水沖洗干凈，并用氮氣吹干。

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)計樣本數(shù)為100個；(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處的拉曼峰的強度變化(c、f、i、l)。其中，被測物分子為亞甲基藍，濃度為10^-4mol/l。

具體實施方式

實施例1

本實施例提供一種高活性、高均一性的表面增強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次至無乙醇殘留；再用酸性處理液(質(zhì)量分數(shù)為98％的濃硫酸和質(zhì)量分數(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，用氮氣吹干后，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”在整個基底上分布均勻；

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。

實施例2

本實施例提供一種高活性、高均一性的表面增強拉曼散射基底及其制備方法，其具體步驟與實施例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。

實施例3

本實施例提供一種高活性、高均一性的表面增強拉曼散射基底及其制備方法，其具體步驟與實施例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。

實施例4

本例中的制備過程與實施例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個點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度較高的振動峰，亮線的連續(xù)成都代表了信號強度的波動情況，即sers基底的均一性。圖5c、f、i、l是位于1625cm^-1處的振動峰的峰強波動情況以及據(jù)此計算得到的信號強度的相對標(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效果，前者的信號強度相比后者提升了3個數(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，基底的增強因子最高，能夠達到10⁶以上，并且此時信號的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差最小，僅有5.3％，證明基底的空間均一性出色。

上述實施例只是對本發(fā)明做進一步的闡述，而不是要以此對本發(fā)明進行限制。凡根據(jù)本發(fā)明精神實質(zhì)所做的等效變化或修飾，都應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。