表面增强拉曼散射基底、制备方法及3D富集与检测方法与流程

本发明涉及表面增强拉曼散射检测技术领域，尤其涉及一种表面增强拉曼散射基底、制备方法及3d(即三维)富集与检测方法。

背景技术：

拉曼散射光谱检测技术是一种不需要对待检测样品进行标记的物质结构分析手段，具有非破坏性、无需接触等特点。随着激光技术和弱信号探测接收技术的发展，作为一种可实现物质结构分子水平检测的手段，拉曼散射光谱检测技术有望在生物检测、疾病诊断、食品安全检测、环境监测、化学分析等领域获得实际和广泛的应用。

表面增强拉曼散射(sers)是指在激光作用下，使用贵金属纳米结构来增强局域电磁场强度，使得贵金属纳米结构表面附近所附着分子的拉曼散射光谱信号强度得到放大，从而实现对痕量分子的探测的一种技术。

目前，多采用基于纳米粗糙表面或纳米结构的sers基底，以增强拉曼散射信号的强度。已报道的sers基底的制备方法主要有溶胶颗粒法、金属电极的电化学湿法腐蚀技术、金属纳米小球蚀刻技术、自催化vls化学合成生长技术、电子束光刻、聚焦离子束刻蚀以及其它物理化学刻蚀法等等，这些技术在工艺复杂性或工艺可控性等方面或多或少都存在问题，难以实现大规模的商业化生产。

另外，采用上述sers基底进行分子检测时，常规的sers基底基本为亲水结构，将分析物液滴滴在该sers基底上，液滴与基底之间具有较小的接触角与较大的接触面积，致使分析物分子在蒸发之后由于咖啡环效应而不均匀地分布在边缘位置，在一定程度上降低了分析物分子的浓度，因而造成检测信号强度弱，检测灵敏度低的问题。基于此前多项研究中提出的具有超疏水性质的sers基底有利于富集检测分子，超疏水表面被定义为稳定接触角大于150°，滚动接触角小于10°。但是，现有的具有超疏水性质的sers基底制备成本高，制备方法复杂，不利于大规模生产。同时，传统超疏水sers基底上金属纳米结构固定于基底表面，基于此类超疏水sers基底进行的痕量富集方法，只实现了分子在微小面积内的二维聚集，如果分子聚集成致密层，入射激光可能会被阻挡，因此表面等离子体共振不能被激发。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种表面增强拉曼散射基底、制备方法及3d富集与检测方法，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种表面增强拉曼散射基底，包括：衬底；疏水性有机物再聚合纳米链条层，形成于所述衬底上；以及金属纳米颗粒层，形成于所述疏水性有机物再聚合纳米链条层的表面；其中，所述疏水性有机物再聚合纳米链条层和金属纳米颗粒层相接触的部分形成金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条。

作为本发明的另一个方面，提供了一种表面增强拉曼散射基底的制备方法，包括如下步骤：提供衬底；在所述衬底上形成疏水性有机物再聚合纳米链条层；在所述疏水性有机物再聚合纳米链条层的表面形成金属纳米颗粒层；其中，所述疏水性有机物再聚合纳米链条层和金属纳米颗粒层相接触的部分形成金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条。

作为本发明的再一个方面，提供了一种利用如上所述的表面增强拉曼散射基底进行样品3d富集的方法，包括如下步骤：提供表面增强拉曼散射基底；在所述表面增强拉曼散射基底上滴入样品液滴，使所述样品液滴在表面增强拉曼散射基底上滚动，以吸附与所述样品液滴相接触的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条。

作为本发明的又一个方面，提供了一种利用如上所述的表面增强拉曼散射基底进行样品检测的方法，包括如下步骤：提供表面增强拉曼散射基底；在所述表面增强拉曼散射基底上滴入样品液滴，使所述样品液滴在表面增强拉曼散射基底上滚动，以吸附与所述样品液滴相接触的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条；静置吸附有所述金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的样品液滴，使样品液滴完全蒸发富集，得到表面增强拉曼散射活性粒子；利用所述表面增强拉曼散射活性粒子进行拉曼测试，测试时将激光焦点落于表面增强拉曼散射活性粒子内部。

基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供的表面增强拉曼散射基底，其疏水性有机物再聚合纳米链条层具有超疏水特性，利于样品液滴在其上滚动，其上的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条能够被滚动的样品液滴吸附，与待分析物痕量分子进行充分的三维(3d)混合，实现痕量分子和金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的3d富集，通过静置蒸发提高痕量分子浓度而完成样品富集，痕量分子落入3d热点所在局域空间，提高检测信号强度。

(2)本发明的表面增强拉曼散射基底制备方法简单，且具有多方面的灵活性，通过在表面增强拉曼散射基底上的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的滚动富集以及样品分子的蒸发富集，可进一步延伸sers技术的检测极限，提高检测的灵敏度，扩大痕量物质的可测浓度范围。

(3)采用液滴注入槽、滚动槽流道结构、检测槽可以控制样品液滴的采集剂量，通过滚动槽流道结构的设计可以控制样品液滴的滚动距离和滚动方向，进而控制金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的混合富集程度，在有效富集的情况下，检测槽将样品的痕量富集区域固定，简化了测试过程中对样品的定位过程，提高了测试效率，而且为批量化超痕量sers检测提供了帮助。

附图说明

图1为本发明在衬底上制备疏水性有机物再聚合纳米链条层的制备装置示意图；

图2为本发明sers基底的注入槽、滚动槽流道及检测槽的结构示意图；

图3为本发明制备得到疏水性有机物再聚合纳米链条层的结构示意图；

图4为本发明在疏水性有机物再聚合纳米链条层上制备得到金属纳米颗粒层的结构示意图；

图5为本发明在sers基底上滴入样品液滴的侧面示意图；

图6为本发明在sers基底上样品液滴滚动的侧面示意图；

图7为本发明样品液滴滚动后在检测槽蒸发富集后形成sers活性粒子的示意图；

图8为本发明实施例1pdms再聚合纳米颗粒或链条sem图；

图9为本发明实施例1金属-pdms复合纳米颗粒或链条sem图；

图10为本发明实施例1sers活性粒子检测谱图与普通sers基底检测谱图对比图。

上述附图中，附图标记含义说明如下：

1-衬底、2-疏水性有机物再聚合纳米链条层、3-金属靶、4-金属纳米颗粒、5-金属纳米颗粒层、6-样品液滴、7-液滴注入槽、8-滚动槽流道结构、9-检测槽、10-sers活性粒子、11-高温炉。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

热点具有极强的电磁场空间局域，在进行sers检测时起到非常重要的作用，落入热点所在局域空间的少量分析物分子的sers信号占据整个sers信号很高的比例。然而，分析物分子并不容易落入热点所在局域空间。因此“热点”问题是提高sers检测灵敏度的重要研究方向。本发明公开了一种表面增强拉曼散射基底(简称为sers基底)、制备方法及3d富集与检测方法，使样品液滴在sers基底上滚动，能够吸附金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条，能够实现分析物痕量样品与金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的3d富集，由疏水性有机物纳米结构构建的基底表面具有超疏水性质，样品液滴在其表面静置蒸发后，能极大地提高待测试样品分子的分布密度，分析物分子能够落入3d热点所在局域空间，提高检测信号强度。并且sers基底的制备成本低，制备方法简单，可用于大规模生产，避免了现有sers基底在分子检测时对基底的苛刻要求，扩大痕量物质的可测浓度范围。

在本发明的一示例性实施例中，提供了一种sers基底，包括衬底1、疏水性有机物再聚合纳米链条层2以及金属纳米颗粒层5，疏水性有机物再聚合纳米链条层2形成于衬底1上，金属纳米颗粒层5形成于疏水性有机物再聚合纳米链条层2的表面；其中疏水性有机物再聚合纳米链条层2和金属纳米颗粒层5相接触的部分形成金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条。

如图2所示，衬底1例如可为硅片、玻璃片、载玻片、石英片、蓝宝石片、金属片、聚合物薄膜、玻璃纤维衬底、碳纤维衬底或其他耐高温衬底。进一步地，其上可设置液滴注入槽7；检测槽9；以及滚动槽流道结构8，其两端分别与液滴注入槽7和检测槽9连通；作为优选，液滴注入槽7和检测槽9的直径均为2～5mm，深度为2～100μm，滚动槽流道结构的长度为3～6mm，深度为2～100μm。

疏水性有机物再聚合纳米链条层2可通过化学气相沉积法制备得到，具有由疏水性有机物再聚合纳米颗粒堆积而成的纳米链条，如图3所示，为了清楚表明疏水性有机物再聚合纳米链条层的结构，将疏水性有机物再聚合纳米颗粒放大绘制。作为优选，纳米链条的长度为0.5～5μm，纳米链条的长度过短或过长均会影响器件性能。

如图3和图4所示，金属纳米颗粒层5可使用金属靶3通过溅射、蒸发或喷涂方式在疏水性有机物再聚合纳米链条层表面沉积金属纳米颗粒4得到，材料选用金、银、铜、铝或铂，作为优选，金属纳米颗粒层5的厚度为10～50nm，其过厚或过薄也会影响器件性能。

形成的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒的大小在500nm～1μm；形成的金属-疏水性有机物复合纳米链条的长度在0.5～5μm。

在本发明的另一示例性实施例中，还提供了sers基底的制备方法，包括如下步骤：

步骤1、提供衬底1；

具体地，衬底1包括硅片、玻璃片、载玻片、石英片、蓝宝石片、金属片、聚合物薄膜、玻璃纤维衬底、碳纤维衬底或其它耐高温衬底，更具体地，衬底1的大小在1cm×1cm到3cm×3cm。

作为优选，在衬底1上通过常规的光刻或刻蚀工艺制备液滴注入槽7、滚动槽流道结构8和检测槽9，如图2所示，滚动槽流道结构8的两端分别与液滴注入槽7和检测槽9连通。具体地，液滴注入槽7和检测槽9的直径均为2～5mm，深度为2～100μm，滚动槽流道结构8的长度为3～6mm，深度为2～100μm。

步骤2、在上述衬底1上制备具有超疏水性能的疏水性有机物再聚合纳米链条层2；此处，“超疏水”在本领域中定义为材料表面与水的稳定接触角大于150°，滚动接触角小于10°。

例如可通过化学气相沉积法进行制备，在一实施例中，疏水性有机物再聚合纳米链条层2的制备是通过将衬底1置于氧气气氛的高温炉11中在400～700℃下高温分解已固化的疏水性有机物并重新沉积在衬底1上，如图1所示。如图3所示，疏水性有机物再聚合纳米链条层的结构为疏水性有机物再聚合纳米颗粒堆积而成的纳米链条，长度为0.5～5μm。

步骤3、在上述疏水性有机物再聚合纳米链条层2上制备金属纳米颗粒层5。

疏水性有机物再聚合纳米链条层2上与金属纳米颗粒层5接触的有机物颗粒与金属纳米颗粒层5内的金属纳米颗粒体配合形成具有sers活性的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条。金属-疏水性有机物复合纳米颗粒的大小为500nm～1μm，金属-疏水性有机物复合纳米链条的长度为0.5～5μm。

进一步地，金属纳米颗粒层5可以通过溅射、蒸发或喷涂方式沉积得到，金属纳米颗粒层5的厚度为10～50nm，金属纳米颗粒的大小为2～10nm。

根据上述基于疏水性有机物再聚合纳米链条层与金属纳米颗粒层的sers基底及其制备方法，进一步地，本发明提供了一种样品3d富集的方法，包括以下步骤：

步骤a、提供上述所制备的sers基底；

作为优选，其包括衬底1、疏水性有机物再聚合纳米链条层2和金属纳米颗粒层5；制备得到衬底1上液滴注入槽7、滚动槽流道结构8、检测槽9以及疏水性有机物再聚合纳米链条层2和金属纳米颗粒层5的具体过程可以参考上述说明，此处不再赘述。

步骤b、在上述所制备的基于疏水性有机物再聚合纳米链条层与金属纳米颗粒层的sers基底上滴入含分析物的样品液滴6。

具体的，样品液滴6包括溶于溶剂的农药、添加剂、色素、食品成分、果蔬成分或生物医学样品等，样品液滴6的体积为0.1～10μl，优选为2～4μl。

具体实施时，样品液滴6可以通过移液枪、滴管或其他微量容器获取，并将样品液滴6滴到上述所制备的sers基底表面，如图5所示。

进一步地，由于疏水性有机物再聚合纳米链条层2的超疏水特性，液滴在基底表面具有较大的接触角和较小的滚动角，液滴与基底表面接触面很小。更进一步地，样品液滴6可以滴落至sers基底上的液滴注入槽7。

步骤c、在sers基底上滚动样品液滴6；

如图6所示，将sers基底呈一定角度(约3°)倾斜，由于疏水性有机物再聚合纳米链条层2的超疏水性质，样品液滴6能在sers基底上滚动，滚动后样品液滴中同时含有分析物分子和具有sers活性的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条，且两者充分混合形成3d的均匀分布。

作为优选，样品液滴6在sers基底的滚动槽流道结构8内滚动，滚动槽流道结构8具有特定形貌、尺寸，可控制滚动的方向、距离，以控制液滴中收集的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的数量。

进一步地，本发明还提供了一种利用上述sers基底进行样品检测的方法，在上述步骤c之后，还包括：

步骤d、静置滚动后的样品液滴6，至样品液滴6完全蒸发实现样品分子的富集，得到sers活性粒子。

步骤e：利用上述sers活性粒子10进行拉曼测试，测试时将激光焦点落于sers活性粒子内部，提高测试信号强度。

具体地，可通过将带有样品液滴6的sers基底置于热板上、烘箱内或通风橱内加快蒸发速度，也可置于常温室内静置保持30分钟以上，待表面水分子完全蒸发，得到sers活性粒子10，如图7所示，适用于痕量分析物分子的富集，此时分析物分子落入3d热点所在局域空间，将sers基底转移至拉曼测试台进行测试。

以下以聚二甲基硅氧烷(pdms)作为疏水性有机物，对本发明的技术方案作进一步说明，但是应当理解，其他疏水性有机物，例如除pdms外的其它聚硅氧烷聚合物采用和实施例1类似的操作也应当能够达到同样的效果：

实施例1

制备sers基底：

具体包括以下步骤：

步骤1、提供衬底1；

本实施例中，衬底1选用普通单晶硅片，衬底1的大小在2cm×2cm。进一步，通过光刻工艺在衬底1上制备的液滴注入槽7和检测槽9的直径均为3mm，深度为50μm；滚动槽流道结构8的长度为5mm，深度为50μm。

步骤2、在上述衬底1上制备具有超疏水性能的pdms再聚合纳米链条层；

本实施例中，具体将衬底1置于氧气气氛的高温炉中在410℃下高温分解已固化的pdms并重新沉积制备在衬底1上，得到的pdms再聚合纳米链条层的纳米链条长度为0.5～5μm，如图8所示。

步骤3、在上述pdms再聚合纳米链条层上制备金属纳米颗粒层5，得到sers基底；

本实施例中，采用溅射的方式得到的金属纳米颗粒主要分布在pdms再聚合纳米链条层的上表面，如图9所示，配合形成的金属-pdms复合纳米颗粒大小在500nm～1μm，金属-pdms复合纳米链条的长度0.5～5μm之间。

样品的富集与分析：

具体包括以下步骤：

步骤a、提供上述sers基底；

步骤b、将3μl含10ppb浓度的分析物罗丹明6g(r6g)的样品液滴6滴落至液滴注入槽7；

步骤c、使样品液滴6通过sers基底的滚动槽流道结构8滚动至检测槽9；

步骤d、静置滚动后的样品液滴6，并将其置于80℃的热板上10分钟，至样品液滴6完全蒸发，得到sers活性粒子；

步骤e：将载有sers活性粒子的sers基底转移至拉曼测试台进行测试，测试时将激光焦点落于sers活性粒子内部，提高测试信号强度。

图10中标示出了测试sers活性粒子内部所得信号强度检测谱图；以及同浓度r6g位于普通拉曼基底的信号强度检测谱图。选取r6g分析物的610cm^-1处的特征峰作为分析点，所得谱图信号较普通sers基底信号提升超过30倍，可见得到的sers活性粒子具备优异的提升性能。

综上所述，本发明使用具有超疏水性质的sers基底可通过样品液滴在sers基底上的滚动，吸附基底表面的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条，并使之与分析物分子在样品液滴内充分混合，继而样品液滴6的滚动后静置蒸发可实现分析物分子和金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的充分混合和3d富集，可进一步提高sers检测信号强度，提高检测灵敏度。本发明的sers基底制备方法简单，且具有多方面的灵活性，利用滚动-静置-蒸发方法进行3d富集时，可进一步延伸sers技术的检测极限。

另外，在sers基底上引入液滴注入槽、检测槽可以控制样品液滴的运动和位置，通过滚动槽流道结构的设计可以控制样品液滴的滚动距离和滚动方向，进一步可控制被测试样品分子与金属-疏水性有机物复合纳米颗粒或链条的混合3d富集程度，在有效的超痕量富集的情况下，不会因为过多的金属-疏水性有机物复合纳米颗粒影响sers检测；检测槽将样品的富集区域固定，提高了测试效率，有望为批量化sers检测提供帮助。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。