CN102285629A - 一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，涉及一种表面增强拉曼光谱和微加工技术。提供一种既有很高均一性，又有较好增强的表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法。在水面上铺展单层聚苯乙烯纳米微珠阵列；利用反应等离子体刻蚀技术制备有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列；制备表面增强拉曼光谱活性基底。得到的表面增强拉曼基底可以兼顾高均一性和高强度。在光滑的硅或玻璃表面有周期性的金属纳米结构，其制备方法的主要特点在于金属纳米间隔可以调控，可获得高活性和高均匀性的基底。这种方法弥补了常规模板法制备表面增强拉曼基底的不足，同时也能够从现有的商品材料获得高质量的表面增强拉曼基底。

Description

一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法

技术领域

本发明涉及一种表面增强拉曼光谱和微加工技术，特别是涉及一种高均一性、高活性表面增强拉曼光谱基底的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种具有高灵敏度并且具有分子识别能力的光谱技术，其灵敏度比普通拉曼高10⁶个数量级。除了灵敏度较高外，SERS与其他的光谱技术比起来有以下几个特点：1、必须在粗糙化的金属表面才能有增强，而且一定是纳米级粗糙化才能有较好的增强；2、金属基底多为金、银、铜3种金属，这3种金属增强效果最好；3、分子必须吸附于基底表面，因为随着离开表面距离的增大，信号以指数的趋势衰减；4.拉曼信号来自于分子本身的震动，不需要借助标记物来得到信号，是一种非标记光谱。由于表面增强拉曼高灵敏、无需标记等优点，使得其在生物分子检测、传感器以及药物检测等的方面有广泛应用，最近比较有代表性的工作如Inhee Choi等发表在《Lab Chip》2011，11，632-638上的工作，以及Jianfeng Li，Zhongqun Tian等在《Nature》上发表的Shell-Isolated Nanoparticle-EnhancedRaman Spectroscopy，2010，464，392-395。

由于SERS检测需要粗糙的金属表面，因此为了提供这种表面SERS基底成为了必要的条件。目前该领域的表面增强拉曼基底制备方法有以下几种：

1.电化学氧化还原粗糙法

该方法通常在某些电解质溶液中，如在氯化钾，硫酸溶液中对预粗糙的金属电极施加一定的电位或电流信号，使电极发生氧化和还原，从而使表面粗糙化。该方法可以使很多电极表面产生强的SERS增强效应，如Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Pt等，在SERS发展过程中曾被广泛应用。但该方法有明显缺点，制备的粗糙电极的表面形貌不均匀，形貌无序、尺度和形状不易控制，导致SERS信号在不同位置的均匀性较差。

2.合成纳米粒子法

随着纳米技术的发展，各种各样的制备不同形状和大小的金属纳米粒子的方法应运而生。该方法的优点之一是纳米粒子的尺度和形状在一定程度上可控，光学性质可以方便地通过粒子的尺寸和形状进行调控，从而找到不同激发光下增强效应最好的基底；优点之二是纳米粒子具有很好的增强效应，最显著的粒子是80nm左右的银溶胶具有高达10¹⁴左右的增强，这种粒子已被应用于单分子检测中。但是合成过程中通常需要加入保护剂以保证纳米粒子形成特定的尺寸和形状，并使其分散均匀，所以纳米粒子表面通常会吸附一层保护剂分子，在用做SERS基底时，尤其在检测吸附能力较弱的分子时，保护剂的吸附将严重干扰其它分子的研究，对于吸附能力强的分子，干扰将大大减少甚至可以忽略。这是该方法的缺点之一。为了克服这一缺点，使纳米粒子得到更广泛的应用，各种各样的除杂方法也涌现出来，如碘取代法，即利用碘离子的强吸附能力取代保护剂分子，再利用碘离子易氧化脱去的特点得到干净表面；多次离心清洗去除多余的保护剂和反应物；施加负电位使保护剂分子脱附等。该方法的缺点之二是信号的均匀性不够好，因为纳米粒子的增强效应除了与形状和尺寸相关外，与粒子间的SPR耦合效应也密切相关，所以不同的聚集状态会导致不同的增强。为了克服这一缺点，目前发展的方法包括：纳米粒子组装法，即通过偶联分子使纳米粒子均匀分散在一些固体表面；多层组装法，即使纳米粒子以最大的耦合状态多层紧密堆积在一些固体表面。如中国专利200610008767.4报道的工作。

3.有序SERS基底制备方法

上面提到的方法在基底均匀性方面都比较差，为了使SERS技术能发展成一个普适的方法，基底的有序性、重现性、稳定性、光学性质易调性(满足不同激发光波长)、增强效应强和大规模制备是必须的，因此有序SERS基底的制备方法受到重视并得到了很大发展，目前主要有以下几个方法：模板法、纳米粒子有序组装法和平板印刷法。这些方法的发展也使得理论计算能更准确地模拟实际基底的特征，使理论和实验更好地关联起来，辅助人们深入理解SERS效应。

(1)模板法。该方法通过组装大面积的单层密堆积的聚苯乙烯球作为模板，然后利用电沉积或溅射的方法在模板间隙处沉积金属，通过控制沉积的电量或溅射金属的质量(利用石英晶体微天平控制)，得到不同厚度的金属，去除聚苯乙烯球模板后，就可以得到大面积有序的金属纳米碗或纳米岛结构，通过改变所用聚苯乙烯球的大小和沉积金属层的厚度，基底的光学性质可方便调控。目前利用此方法可以制备Au、Ag、Pt、Pd、Co等纳米碗结构和银纳米岛结构，并在可见至红外光区都获得了较好的增强效应。具有代表性的工作如ChristyL.Haynes在《J.Phys.Chem.》2001，105，5599-5611以及JeremyJ.Baumberg在《NanoLetters.》2005，5，2262-2267上发表的报道；以及中国专利200810049158报道的工作。但是由于此方法得到的基底在单位面积上的SERS活性位有限，造成它的SERS活性总体上不如聚集后的纳米粒子。另外，也可以选择其它模板，如氧化铝模板等。

(2)纳米粒子有序组装法。该方法通过在固体表面如硅、玻璃(导电或不导电)、Au膜表面修饰上一层具有双功能团的偶联分子，它的一端可以与固体表面结合形成自组装膜，另一端可以和纳米粒子通过化学键或静电力作用使纳米粒子有序组装到固体表面。偶联分子的选择非常重要，如果固体表面是硅或玻璃，纳米粒子是Au、Ag或Pt时，偶联分子是(RO)₃Si(CH₂)₃X，其中X＝CN，NH₂，2-pyridyl，P(C₆H₅)₂，SH，用以与纳米粒子作用；R＝CH₃，CH₂CH₃，硅氧烷用于和玻璃或硅作用。如果固体是金膜，偶联分子连接金膜一端的官能团需将硅氧烷换成-SH。纳米粒子在表面的覆盖度取决于粒子的大小、表面的电性、溶胶中纳米粒子的浓度和使用的偶联分子。由于粒子间的斥力，导致粒子间有一定的间隔，使电磁场不能很好的耦合，SERS活性低。为了克服此弱点，可以进一步通过化学或电沉积的方法使粒子长大同时减小粒子间的间距，提高SERS活性。此方法的优势是通过控制粒子间的间距实现光学性质的调控。另外，虽然纳米粒子在固体表面的排列是随机的，粒子间的间距不等，不如模板法和平板印刷术法制得的基底，但是在激光光斑的范围内(几微米内)，信号的均匀性仍可以达到很好的水平。所以它的另一个优势是大面积的组装，且信号均匀。

(3)纳米平版印刷术。

该方法制备有序纳米阵列的基本步骤如下：在一些固体基底表面，如硅、金膜上涂上一薄层聚合物(如100nm厚的聚甲基-异丁烯酸聚合物，PMMA)，然后用光、电子束或离子束刻蚀的方法在聚合物膜上刻蚀出一些图案，经过曝光和显影后，PMMA膜就可以作为掩模并在其上利用蒸镀等方法沉积上一些金属，剥离(lift-off)PMMA膜后，就出现了与PMMA上刻蚀出的图案相同的金属结构。纳米阵列的尺寸与所用刻蚀方法密切相关。光刻技术由于受到衍射极限的限制，即使使用波长很短的紫外光(deep UV or extreme UV)，精度的极限值也只能达到100nm。电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀可以应用于100nm以下的超精细结构，制备不同大小、间距和深度的有序纳米结构阵列。但是这种方法制备出的纳米点阵结构通常都是由孤立的粒子构成，粒子间因缺乏耦合效应造成SERS活性低。目前也发展了一些方法用以提高纳米点阵的SERS活性，如对银纳米点阵进行等离子处理，使银纳米粒子表面产生多个更小的银纳米粒子，以提高SERS活性。

4.其它

SERS基底的制备方法很多，其它方法包括激光干涉光刻法、化学刻蚀法、化学沉积法、高真空沉积法、机械法等。在实际使用过程中，要根据体系的需求选择不同的基底，考虑的因素包括激光光斑的大小和所需的空间分辨率。下面以两个极端的情况为例，如果利用SERS研究细胞内部pH值的三维分布图，最好使用尺寸小而SERS增强效应大的基底，具有强大增强效应的纳米粒子或其聚集态将是很好的选择；如果SERS实验使用的是直径为200μm的光斑，那么只要基底的形貌在微米级范围内比较规整，就可以满足信号均匀的要求，而没有必要利用电子束刻蚀等精度非常高的方法来制备基底。如中国专利200810056003，200710042776.X，以及CN200410010288.7等报道的工作。

综上所述，以上方法制备得到的SERS基底无法兼顾均一性和高增强信号。模板法制备的SERS基底重现性很好，但是强度不如纳米粒子的SERS基底；而其他方法固然可以得到很强SERS信号，但是重现性却很差，对SERS基底的商业化阻碍很大。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的表面增强拉曼基底无法兼顾信号强度和均一性等问题，提供一种既有很高均一性，又有较好增强的表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法。

本发明包括以下步骤：

1)在水面上铺展单层聚苯乙烯纳米微珠阵列；

2)利用反应等离子体刻蚀技术制备有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列；

3)制备表面增强拉曼光谱活性基底。

在步骤1)中，所述在水面上铺展单层聚苯乙烯纳米微珠阵列的具体方法可采用：在容器内装入超纯水，然后加入质量分数为2％的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液，得稀释后的溶液A；将聚苯乙烯微珠溶液用乙醇稀释，稀释的体积比可为1∶1，加入稀释后的溶液A加于基片上，再将此基片以水平的角度没入容器的水中，微珠溶液在表面张力作用下铺展在水面形成阵列，静置后添加十二烷基硫酸钠溶液以增加单层膜的强度，最后将聚苯乙烯纳米微珠阵列捞起，除去残余的水，即得到基片上的聚苯乙烯纳米微珠阵列；所述超纯水、十二烷基硫酸钠溶液、稀释后的溶液A的体积比可为(40～50)∶0.006∶(0.005～0.025)，所述十二烷基硫酸钠溶液的质量分数最好为2％；所述基片可采用硅片或玻璃片等；所述静置的时间可为1～2h；所述静置后添加十二烷基硫酸钠溶液的量与超纯水的质量比可为(40～50)∶(0.1～0.5)，所述静置后添加十二烷基硫酸钠溶液的质量分数可为2％。

在步骤2)中，所述利用反应等离子体刻蚀技术制备有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列的具体方法可采用：将步骤1)得到的基片上的聚苯乙烯纳米微珠阵列进行反应等离子体刻蚀，反应等离子体刻蚀的条件可为：真空度为10^-3Pa以下，氧气流量为20～40标准ml/min(sccm)，功率为130～180W，刻蚀时间为10～60s，刻蚀过程中氧气与聚苯乙烯纳米微珠表面的聚苯乙烯反应，减小了聚苯乙烯纳米微珠的粒径，为了维持阵列稳定性，聚苯乙烯纳米微珠的粒径最多刻蚀到原来的50％，聚苯乙烯纳米微珠粒径的减小速度为50～100nm/min，刻蚀完毕后得到有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列。

在步骤3)中，所述制备表面增强拉曼活性基底的具体方法可采用：将步骤2)得到的有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列倾斜放置于电子束蒸镀仪的样品台上，利用电子束蒸镀仪对有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列上蒸镀金属膜，所述蒸镀的条件可为：倾斜角度为20°～80°，真空度为3×10^-6托(Torr)以下，蒸镀金属膜的速率为0.05～0.5nm/s，蒸镀得到的金属膜的厚度为60～200nm，第一次蒸镀完毕后，将样品在支架上旋转180°，进行第二次蒸镀，蒸镀条件与第一次蒸镀条件相同，经过两次蒸镀金属膜以后得到表面增强拉曼光谱活性基底；所述金属膜可为金膜或银膜等。

本发明采用聚苯乙烯纳米微珠阵列作为模板，用反应离子刻蚀调节聚苯乙烯纳米微珠的粒径，然后利用倾斜蒸镀调节金属结构之间的间隙，从而得到的表面增强拉曼基底可以兼顾高均一性和高强度。本发明在光滑的硅或玻璃表面有周期性的金属纳米结构，其制备方法的主要特点在于金属纳米间隔可以调控，可获得高活性和高均匀性的基底。这种方法弥补了常规模板法制备表面增强拉曼基底的不足，同时也能够从现有的商品材料获得高质量的表面增强拉曼基底。

附图说明

图1为表面增强拉曼活性(SERS)基底结构示意图。

图2为硅基底上的聚苯乙烯纳米微珠阵列电镜图。

图3为刻蚀过后的有间隔聚苯乙烯纳米微珠阵列电镜图。

图4为SERS基底电镜图。在图4中，标尺为2μm。

图5为SERS基底高倍电镜图。在图5中，标尺为500nm。

图6为在SERS基底上采集到的巯基吡啶拉曼信号。在图6中，横坐标为拉曼位移(波数/厘米)，纵坐标为强度(光子个数/秒)。

图7为SERS基底的Mapping图谱。在图7中，横坐标为尺寸(×10²μm)，纵坐标为尺寸(×10²μm)；信号强度为：a、4000，b、5988，c、7975，d、9963，e、11950，f、13940，g、15930，h、17910，i、19900，j、21350；从Mapping图谱得到基底的均一性为33％。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

1)按照丙酮、乙醇、三次水的步骤超声清洗1cm×1cm硅片，每种溶液清洗15min，然后用氨水∶双氧水∶三次水比例为1∶1∶6的混合溶液70℃加热浸泡洗净的硅片30min。取出硅片再次用三次水超声15min后用氮气吹干，臭氧等离子体处理10min备用。

2)在50mL烧杯中几乎加满水，然后滴加6μl2％的十二烷基硫酸钠溶液，静置。

3)将购于sigma的0.46μm聚苯乙烯微珠用乙醇以1∶1稀释，然后滴加5μl稀释液至步骤1)中的硅片上，将该硅片缓慢浸没入步骤2)准备的烧杯中，浸没过程中稀释的聚苯乙烯纳米微珠溶液铺展成膜，用另一块洁净硅片捞起膜，以15°倾斜角缓慢挥发至无水状态得到聚苯乙烯纳米微珠阵列。

4)把得到的硅片上纳米微珠阵列进行氧气反应离子刻蚀得到较小的半径微珠的阵列，具体刻蚀条件为压力10^-4帕，氧气流量20ml/min，射频功率180W，刻蚀时间50s。

5)将此刻蚀过的样品以20°倾斜角进行电子束蒸镀一层金膜或银膜，第一次蒸镀完毕后旋转样品180°后，仍以20°倾斜角进行第二次蒸镀，得到表面增强拉曼光谱活性基底。

所得到的表面增强拉曼光谱活性基底参见图1，在图1中，各标记为：1硅基底，2金膜，3聚苯乙烯纳米微珠。

硅基底上的聚苯乙烯纳米微珠阵列电镜图参见图2，刻蚀过后的有间隔聚苯乙烯纳米微珠阵列电镜图参见图3，SERS基底电镜图参见图4，SERS基底高倍电镜图参见图5，在SERS基底上采集到的巯基吡啶拉曼信号参见图6，SERS基底的Mapping图谱参见图7。

Claims (10)

1.一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在水面上铺展单层聚苯乙烯纳米微珠阵列；

2)利用反应等离子体刻蚀技术制备有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列；

3)制备表面增强拉曼光谱活性基底。

2.如权利要求1所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于在步骤1)中，所述在水面上铺展单层聚苯乙烯纳米微珠阵列的具体方法为：在容器内装入超纯水，然后加入质量分数为2％的十二烷基硫酸钠溶液，得稀释后的溶液A；将聚苯乙烯微珠溶液用乙醇稀释，稀释的体积比为1∶1，加入稀释后的溶液A加于基片上，再将此基片以水平的角度没入容器的水中，微珠溶液在表面张力作用下铺展在水面形成阵列，静置后添加十二烷基硫酸钠溶液以增加单层膜的强度，最后将聚苯乙烯纳米微珠阵列捞起，除去残余的水，即得到基片上的聚苯乙烯纳米微珠阵列。

3.如权利要求2所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述超纯水、十二烷基硫酸钠溶液、稀释后的溶液A的体积比为(40～50)∶0.006∶(0.005～0.025)。

4.如权利要求2所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述十二烷基硫酸钠溶液的质量分数为2％。

5.如权利要求2所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述基片为硅片或玻璃片。

6.如权利要求2所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述静置的时间为1～2h。

7.如权利要求2或6所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述静置后添加十二烷基硫酸钠溶液的量与超纯水的质量比为(40～50)∶(0.1～0.5)，所述静置后添加十二烷基硫酸钠溶液的质量分数为2％。

8.如权利要求1所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于在步骤2)中，所述利用反应等离子体刻蚀技术制备有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列的具体方法为：将步骤1)得到的基片上的聚苯乙烯纳米微珠阵列进行反应等离子体刻蚀，反应等离子体刻蚀的条件为：真空度为10^-3Pa以下，氧气流量为20～40标准ml/min，功率为130～180W，刻蚀时间为10～60s。

9.如权利要求1所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于在步骤3)中，所述制备表面增强拉曼活性基底的具体方法为：将步骤2)得到的有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列倾斜放置于电子束蒸镀仪的样品台上，利用电子束蒸镀仪对有间隔的聚苯乙烯纳米微珠阵列上蒸镀金属膜，所述蒸镀的条件为：倾斜角度为20°～80°，真空度为3×10^-6Torr以下，蒸镀金属膜的速率为0.05～0.5nm/s，蒸镀得到的金属膜的厚度为60～200nm，第一次蒸镀完毕后，将样品在支架上旋转180°，进行第二次蒸镀，蒸镀条件与第一次蒸镀条件相同，经过两次蒸镀金属膜以后得到表面增强拉曼光谱活性基底。

10.如权利要求9所述的一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法，其特征在于所述金属膜为金膜或银膜。

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