CN102311095A - 一种在微流控芯片中制备多级金属微纳结构的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用飞秒激光诱导金属银还原技术在各种平面衬底及微流控芯片通道内选择性制备或集成多级银微纳结构的方法，并将该方法制备的银多级微纳结构衬底用作表面增强拉曼光谱SERS的增强基底。本发明所述方法的步骤为：制备飞秒激光微纳加工所用的银镀液、搭建在银镀液内实现逐点扫描的飞秒激光微纳加工系统、将银镀液连同衬底置于飞秒激光微纳加工系统中在衬底上制备多级银微纳结构。本发明方法中的激光光束沿着程序预先设计好的轨迹在银镀液内进行扫描，而与基底的平整程度无关，尤其是在微流控芯片通道底部可以进行银多级结构SERS基底的制备，实现了催化和表面增强拉曼测试的应用。

Description

一种在微流控芯片中制备多级金属微纳结构的方法

技术领域

本发明属于微电子学与生命科学技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光诱导金属银还原技术，在各种平面衬底及微流控芯片通道等非平面衬底上选择性制备或集成金属微纳结构的方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)又称生物芯片技术，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，该技术已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片具有液体流动可控、试剂消耗极少、分析速度显著提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

用于芯片的微纳制造技术包括：由传统机械加工手段发展的精密及超精密机械加工技术、Si-MEMS技术、LIGA(光刻、电铸、塑铸)等技术。然而随着微流控芯片技术日新月异的发展，人们对微流控芯片提出更高、更多的智能化功能需求。但现有技术对于真三维芯片的制备无能为力，更无法在已有的微流控芯片通道内进行二次加工，进而实现对其功能的附加。尽管金属多级结构对于微流控芯片十分重要，目前仍然无法将金属微纳结构作为表面增强拉曼衬底或催化剂等其他功能选择性、局域化地集成固载于微流控芯片当中。在这种背景下，飞秒激光微纳加工技术被成功引入微流控芯片的制备与功能集成领域，为解决上述问题带来很大的希望。

激光微加工是一项精细的“直写”技术，可以实现微型器件的快速成型制造，其最大特点是不受微型器件或系统结构形状的限制，可以在任意衬底上制备复杂三维微纳器件。在激光微纳加工的最初阶段，主要以光敏树脂为加工材料，目前加工材料体系已经延伸至半导体材料，磁性材料以及金属材料等。所以将激光微纳加工技术与微流控芯片系统技术相结合，在芯片系统内集成多种功能单元，包含金属微纳结构等将极大的促进生物芯片的深入应用。

在微流控芯片系统中，通过多种微纳制造技术实现微泵浦阀、微混合器、微加热器、微过滤器的集成应用体现了微流控体系功能集成化的进一步完善，使得微流控芯片的应用潜力进一步增大。与此同时，随着芯片的应用范围的扩大，对芯片系统的探测技术的要求进一步提升。传统的芯片分析探测技术包括荧光检测、化学发光检测、紫外吸收度检测、热电偶检测等，其中应用最广的为荧光检测技术，但是并非所有物质都具有荧光特性，解决无荧光或无荧光标记的物质分子的探测并能实现对分子结构的指纹式分析成了芯片系统亟待解决的难题。

表面增强拉曼散射技术(SERS)是拉曼光谱分析中的重要技术。SERS技术可以在分子水平上给出有关物质结构的信息，是一种高效的超灵敏检测技术。尤其是在生物化学领域，SERS检测更是显示出了选择性好，检测对象广泛，灵敏度高，生物兼容性好等优点。通常的SERS检测衬底都是粗糙的金属表面。尽管各式各样的粗糙金属表面已经被经典的微纳加工技术实现，如光刻、自组装、气相沉积等技术都可以成功地制备出高SERS增强活性的金属衬底。然而，在微流控通道内任意位置选择性集成SERS探测衬底，同时实现微流体的SERS探测目前仍然罕有报道。

另一方面，金属多级结构在化学催化领域也十分重要，金属催化剂在石油、化工、医药、农药、食品、环保、能源、电子等领域中都占有极其重要的地位。随着微流控技术的不断发展，微流控芯片中的催化反应受到了越来越多的关注。在此背景下，具有高比表面积的金属催化剂与微流控芯片的集成成为研究者们追求的目标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微纳制造技术中在微流控芯片等非平面衬底上难以集成多级金属微纳结构的问题，提出一种基于飞秒激光诱导金属还原沉积技术在各种衬底上制备银多级微纳结构的方法。实现了在微流控芯片中选择性集成金属微纳结构，为包括生物芯片在内的微分析系统的多功能器件集成创造更大的可行性。

本发明将金属微纳结构的制备与激光加工技术有机结合，其最大特点是激光光束可在聚焦位置通过双光子或多光子吸收诱导金属离子发生光还原反应从而产生金属纳米颗粒或团簇，再通过表面等离子体的作用辅助生长为亚波长间隔的垂直于基底的多级金属纳米片结构，通过控制激光焦点处能量密度、扫描步长和扫描方式等来控制金属微纳结构的尺寸、形貌和粗糙度，调节激光的偏振方向来调节金属微纳结构生长取向。利用软件对衬底形状进行拟合设计出精密的三维可控加工程序，利用自行搭建的激光加工系统控制激光光束沿着程序预先设计好的轨迹在基底表面扫描，而与基底的平整程度无关。

本发明是通过如下技术方案实现的：

(1)配置飞秒激光微纳加工所使用的银镀液；

(2)搭建飞秒激光微纳加工系统；

(3)利用飞秒激光微纳加工系统在衬底上制备金属微纳结构。

本发明所述方法，其更为具体的步骤如下：

(1)配制含有银离子的可进行激光还原的镀液

所述的镀液组分含有银离子、还原剂和络合剂，所述的银离子的化学价态为正一价，其在镀液中的浓度范围为0.01～0.5mol/L；所述的还原剂包括：葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠、酒石酸钾钠等羧酸盐类，其在镀液中的浓度范围为0.01～0.5mol/L，络合剂为氨水。

配置过程：向0.01～0.5M的硝酸银水溶液中加入还原剂0.01～0.5mol/L，其中银与还原剂的摩尔比为1∶4～4∶1，之后向反应体系中滴加浓氨水(质量浓度为25％)直至反应体系澄清、体系pH值为10～12为止，即制备得到用于飞秒激光微纳加工的银镀液；

(2)搭建激光维纳加工系统

飞秒激光微纳加工系统用于在银镀液内实现逐点扫描，为直写加工系统，包括光源系统、软件控制系统、三维精密移动系统和实时监测系统。

光源系统产生飞秒激光微纳加工的飞秒光源，所述的光源系统由泵浦光源和钛宝石飞秒激光器组成。泵浦光源是功率为7.5W、波长为532nm的绿光，钛宝石飞秒激光器稳定输出波长为200～2600nm，脉冲宽度为10fs～900fs，重复频率为1Hz～80MHz，单脉冲能量为10pJ～1mJ，输出的是线偏振光。

软件控制系统，首先由CAD程序设计出微纳结构的模型，保存为DXF或STL文件；然后用VB转化软件或Geomagic Studio软件读取DXF或STL文件，处理成点云数据；再使用Visual Basic、C、Fortran、Cobol、Pascal/Delphi、LISP、Java、Power Builder等语言编写控制程序，该控制程序通过与计算机相连的串口驱动光闸的开关和三维精密移动系统的移动，再根据该控制程序读取的微纳结构模型的点云数据，以不同的扫描步长对衬底上的银镀液进行顺序扫描和/或跳转扫描，从而完成对银镀液的加工，在衬底上获得多级微纳结构。

如果制备的微纳结构图样为紧密排布没有镂空，就采用顺序扫描的方式，如果该图样有镂空部分或者为阵列式结构组成就需要同时使用顺序扫描和跳转扫描两种方式结合来使用。控制程序设计过程中会结合图样的具体情况来决定采用何种扫描方式，顺序扫描和跳转扫描时由软件控制系统依据设计程序来控制光闸的开关。

所述的扫描步长是指扫描过程中两个连续扫描点的间距。欲制备的微纳结构图样被抽象转化成数据模型后，是由一些点云数据构成的，这些点数据在激光加工过程中是激光曝光的位置，所以扫描步长依据加工图样的三维特性在X、Y、Z三个维度上需要依据情况分别设置。扫描步长和激光焦点的能量密度共同影响着加工出来的微纳结构的形貌以及和预设计的吻合程度。三维精密移动系统用于控制聚焦后的激光光点在银镀液与衬底的界面及银镀液中的三维运动。在X、Y、Z三个方向上激光加工扫描步长为1nm～600nm。

三维精密移动系统可分为两类，一类由二维高速扫描转镜(如图1中的部件9)和精密陶瓷压电平台(如图1中的部件17)两种元件组成，转镜控制激光光点在银镀液中的沿水平x、y方向的移动，压电平台控制激光光点在银镀液中沿z方向的移动；另一类是只由三维移动压电平台一种元件构成，控制控制激光光点在银镀液中沿x、y、z方向的移动。转镜和压电平台的移动是由前面所述的软件控制系统进行控制的，两类系统的精度都可达到为1nm。采用北京世纪尼桑有限公司的T8306型号的转镜可使激光在X、Y方向上移动范围分别为100μm、100μm；采用德国Physik Instrumente公司P622型号的精密陶瓷压电平台在Z方向上移动范围为250μm；采用德国Physik Instrumente公司P517.3型号的三维移动压电平台在X、Y、Z方向上移动范围分别为100μm、100μm、20μm。

本发明中使用的压电平台还集成了手动三维移动微调架，在激光加工前可以调节激光光点的位置并通过实时监测系统观察激光光点的位置，使激光光点位于衬底与银镀液的分界处或位于银镀液内，以实现三维加工。

实时监测系统的普通照明光源(如图1中的15)位于压电平台和样品上方，其发出的可见光通过电介质镜(如图1中的11)、经反射镜(如图1中的13)、透镜(如图1中的14)，进入CCD摄像头(如图1中的16)。激光光点扫描过的位置银离子被还原成银单质，利用多光子吸收前后银离子及银单质对光的折射率不同CCD成像，从而对整个加工过程进行实时监测。

上面步骤中所使用的设备、光学器件等均为常规产品。反射镜为铝反射镜，激光光斑的移动速度的范围为1nm/s～1cm/s。

(3)利用飞秒激光微纳加工系统在衬底上制备金属微纳结构。

将清洗后的衬底固定于飞秒激光微纳加工系统的压电平台上，将银镀液滴加于衬底上，由软件控制系统发送指令，控制光闸的开关进而控制激光光束的开启与关闭，再由软件控制系统精确控制三维精密移动系统的移动，使聚焦的激光光点在银镀液与衬底的界面处按照需要制备的微纳结构的模型逐点逐层扫描，激光光点扫描位置的银离子发生多光子吸收而被还原为银单质，形成团簇或纳米颗粒，进而通过团簇或纳米颗粒两端的极性电荷的作用连成银岛膜沉积在衬底上，从而完成一层微纳结构的制备；

当需要制备多级微纳结构时，需要进行多层激光扫描。首先，聚焦的激光光点在银镀液和衬底的交界面上进行逐点扫描形成第一层银岛膜；其次，在软件控制系统的控制下，聚焦的激光光点在银镀液和第一层银岛膜界面上继续扫描还原银离子形成纳米颗粒，该纳米颗粒受到特定模式下在金属纳米粒子表面被激发的等离子体的作用，生长成条纹状银微纳结构，从而沉积在第一层银岛膜上，完成第二层微纳结构的制备；再次，在软件控制系统的控制下，聚焦的激光光点在银镀液和第二层银岛膜的界面上继续扫描还原银离子形成纳米颗粒，纳米颗粒受到特定模式下在金属纳米粒子表面被激发的更强的等离子体的作用，生长成亚波长间隔分布的银纳米片结构，从而沉积在第二层条纹状银微纳结构上，完成第三层微纳结构的制备；依次重复上述操作，即制备得到多级(大于2级)的银微纳结构。

通过调节激光的能量密度可以调节逐层扫描过程中形成的银微纳结构的表面形貌。通过调节入射激光的偏振方向，可以调控制备的银微纳结构的生长取向。

所述的衬底包括：平面衬底(包括石英衬底、玻璃衬底、硅衬底、Si0₂/Si复合衬底、PDMS衬底、PMMA衬底等)；微流控芯片等非平面基底(包含硅基、石英基等芯片，是通过湿法刻蚀技术或大功率激光烧蚀得到，PDMS(硅胶)、PMMA(有机玻璃)等芯片是通过光刻技术结合模塑技术得到)，芯片通道宽度1μm～1mm，通道深度为0.5μm～500μm，通道长度10μm～5cm。衬底清洗后使用。

所述的逐点逐层扫描：逐点扫描需要在X、Y方向上选择合适的扫描步长即点扫描间距，逐层扫描需要在Z方向上扫描步长，总体范围可以在1nm～600nm，但制备出银纳米片需要X、Y方向上控制在1～100nm，Z方向上控制在1～200nm。

所述的多光子吸收是一种非线性光学效应。在高强度激光束的照射下，物质有可能同时吸收几个、甚至几十个光子，这称为多光子吸收。这一现象可理解为多个光子同时被吸收，物质从初态跃迁到终态，而仅仅经过虚设的中间状态。激光作用于银镀液时，只有在激光聚焦区域银镀液里的银离子会经过多光子吸收过程被还原成银单质。

所述的纳米颗粒两端的极性电荷：金属纳米颗粒在线偏振光作用下，沿着光场电矢量方向在金属纳米颗粒两级诱导出正负电荷，即为两端的极性电荷。激光能量密度越大，诱导的极性电荷越多。

所述的特定模式下激发的等离子体：等离子体为入射激光在金属纳米粒子表面与自由电子发生集体震荡，使得电磁场在金属表面大大增强，也称为表面等离子体激元。在紧聚焦激光加工金属体系下，镀液-银岛膜-衬底形成介质-金属-介质三明治结构，光从镀液入射到金属薄膜表面时发生全反射，从而满足等离子体激发的条件。

所述的亚波长间隔是指微纳结构的间隔小于或远小于激光波长。本发明中银纳米片的间隔为100nm～400nm。

所述的激光能量密度调节金属微纳结构表面形貌：激光的能量密度是指单位时间内聚焦激光光点处的能量，能量密度越大，诱导纳米颗粒产生的极性电荷越多，会使得金属纳米片表面生长或吸附银纳米颗粒，调控激光能量密度即能调控银纳米片表面的金属纳米颗粒的密度，从而直接影响微纳结构的表面形貌。激光能量密度小于1.0×10¹⁰J/cm²时，纳米片会相对比较薄且表面比较平滑，当激光能量密度高于1.5×10¹⁰J/cm²时，纳米片的厚度会越来越厚，吸附的纳米颗粒也越来越密，相对而言比表面积和粗糙度都在下降；选用介于1.0×10¹⁰J/cm²和1.5×10¹⁰J/cm²之间的激光能量密度进行加工，会得到优异的银纳米片微结构，银纳米片表面生长或吸附的银纳米粒子密度可以达到4×10²μm^-2。

所述的多级金属微纳结构：包括基本图案化微纳结构，由设计的加工程序决定(如方块等)；金属岛膜微纳结构，沉积在衬底上由一些粒径数十纳米的纳米粒子连接而成金属岛膜，激光能量密度越大，纳米粒子粒径越大，扫描步长越小，粒径越小，粒径范围为20nm～80nm；激光条纹金属微纳结构，是相互平行的一些取向与激光偏振方向相同的并有一定间隔的数十纳米到几百纳米的条纹不连续排列而成，条纹宽度为20nm～300nm，长度与制备结构尺寸相当高度为20nm～300nm；激光能量密度越大，条纹越粗，扫描步长越小，条纹越细；金属纳米片结构厚度为20nm～80nm，长度为400nm～1000nm，高度200nm～1000nm；如上所示一定范围内激光能量密度越大，纳米片越厚，扫描步长越小，纳米片越薄；生长或吸附有纳米颗粒的金属纳米片结构是在在合适的激光能量密度范围内形成的。

所述的调节激光偏振来调节银微纳结构的取向：当激光为线偏振光时，金属微纳结构的生长取向与激光偏振方向相同，即与激光电场矢量方向垂直。调节线偏振光的角度从0°到360°，银微纳结构的生长取向即从0°到可以变到360°。当激光为圆偏振时，金属微纳结构生长方向没有特定取向，为团簇结构。

对于透明衬底上的银镀液需要采用正置的激光加工模式，对于不透明衬底上的银镀液或者厚度过大衬底上的银镀液需采用倒置的激光加工模式。

所述的正置的激光加工模式，是指激光从下向上经过物镜12(在实际加工时，物镜12上滴加松柏油，松柏油折射率为1.515，物镜12滴加松柏油后与衬底直接接触)后再经过衬底聚焦于衬底与银镀液的分界面；即沿着光路方向，依次为物镜、衬底、银镀液。

所述的倒置的激光加工模式，主要是针对可见光不透明的衬底(如硅片)和厚度过大即超过物镜焦距的衬底。是指激光从上向下经过物镜12(在实际加工时，物镜12上滴加松柏油，松柏油折射率为1.515，物镜12滴加松柏油后与衬底上的银镀液直接接触)后再经过银镀液聚焦于银镀液与衬底的分界面；即沿着光路方向，依次为物镜、银镀液、衬底。

经飞秒激光加工系统制备的银微纳结构在合适的条件下通过与其他贵金属的盐源位置换，可在表面形成能够银-金，银-铂，银-钯，银-铑复合金属微纳结构。所述的合适条件包括：控制反应温度为80℃～90℃，反应时间为5s～2min以及使用的贵金属盐的浓度0.00001mol/L～0.01mol/L。通过控制反应时间和贵金属离子源的浓度可以调控银和一种贵金属的比例。

附图说明

图1：本发明所述的飞秒激光微纳加工系统示意图；

各部件名称为：激光光源1；衰减片2；光闸3；反射镜4；反射镜5；反射镜6；透镜7；透镜8；转镜9；反射镜10；电介质镜11；会聚物镜12；反射镜13；透镜14；照明光源15；CCD摄像头16；压电平台17；样口(衬底及银镀液)18。

图2：本发明制备的银镀液的紫外可见吸收谱；

图3(a)：实施例1所述在石英衬底上制备的“APL”图样的微纳银结构的显微镜照片；图3(b)：实施例1所述在PDMS衬底上制备的“吉林大学校徽”图样的微纳银结构扫描电镜照片；图3(c)：实施例1所述的在硅衬底上制备的“世博会吉祥物海宝”图样的微纳银结构的电子隧道显微镜SEM照片；图3(d)：实施例1所述的在微流控芯片“+”字通道内底部制备的散射状圆形阵列微纳银SEM照片。

图4：实施例2制备的银纳米片的厚度及晶体特性的表征；a)较低倍银纳米片的SEM照片；b)高倍银纳米片的SEM照片，抽样标记的银纳米片的厚度为50nm和63nm；c)对银纳米片厚度的统计柱方图；d)银纳米片局部高分辨TEM照片，插图为电子束衍射图样，体现银的特有晶向。

图5：实施例2制备的多级银纳米结构的生长机理及过程。a)生长机理示意图；b)直径50纳米银种子在800nm激光下的电矢量分布；c)等离子体在金属夹层三明治结构中被激发的原理示意图；d-f)分别为加工层数1、2、3的银微纳结构的形貌SEM照片；f-h)分别为不同激光能量密度(0.8×10¹⁰J/cm²，1.2×10¹⁰J/cm2，1.5×10¹⁰J/cm2)下银纳米片的形貌SEM照片；

图6：实施例2中优化条件制备的3层级银纳米结构的细节表征；a)表面长有银纳米颗粒的银纳米片SEM照片；b)a图中银纳米片的厚度统计直方图；c)a图中银纳米片表面生长的银纳米粒子的尺寸分布统计直方图；

图7：调节激光的偏振特性控制银纳米片的生长取向；a)空间坐标轴下，加工时扫描路径、光场电矢量、银纳米片生长取向关系示意图；b)激光偏振方向与X轴成0度角时的银纳米片生长取向SEM照片；c)激光偏振方向与X轴成30度角时的银纳米片生长取向SEM照片；d)激光偏振方向与X轴成60度角时的银纳米片生长取向SEM照片；e)激光偏振方向与X轴成90度角时的银纳米片生长取向SEM图；f)激光为圆偏振时银微纳结构SEM照片。

图8：a)银纳米粒子相连的TEM照片；b)两个银纳米粒子相连时光场电矢量分布；c)多级银微纳结构用作SERS衬底探测R6G拉曼谱图；d)FAD分子拉曼谱图。

图9：在微流控芯片通道内局域选择集成多级不同尺寸的银微纳结构SEM及光学显微镜照片；

图10：在集成有多级银微纳结构的芯片内进行拉曼测试谱图。a)在同一个SERS衬底上选择3个不同点进行测试，测试结果的一致性表明衬底的均匀性；b)对牛血清白蛋白分子BSA的SERS测试得到的拉曼谱图；c)在芯片不同位置集成3层级银微纳结构用于不同分子的互不干扰拉曼探测；

图11：本组图为用于芯片通道内催化阵列的各种表征图片。(a)催化阵列的元素是直径约为9μm的银半球，纵向球心间距约为17μm，横向球心间距约为24μm；如图(b)。图(c)为球型阵列的显微镜图片；

图12：微流控芯片内控制不同流速得到的催化反应产物的紫外可见吸收测试谱图；

图13：采用微区紫外可见吸收系统测试催化反应进程中不同时间内的测试谱图；

图14：使用多级银微纳结构作为拉曼增强衬底原位检测反应产物的拉曼谱图。

图15：通过原位置换反应在银微纳结构表面生长金的SEM照片。

具体实施方式

实施例1：在多种衬底上激光加工制备二维银微纳结构

(1)配置激光加工用银镀液

a.主盐：硝酸银(Silver nitrate，AgNO₃；FW 169.88；沸点440℃；熔点212℃；)，浓度为0.083mol/L。

b.络合剂：氨水(ammonia aqueous)，加入适量使得硝酸银溶液恰至澄清并缓慢滴加调节PH值为10.8。

c.还原剂：葡萄糖酸钠(sodium gluconate，分子式：C₆H₁₁NaO₇，分子量218，含量不少于99.0％，分析纯，天津市光复精细化工研究所)，浓度为0.078mol/L。

配置过程：在常温下，先分别称量0.034g硝酸银和0.034g葡萄糖酸钠直接混合放置于小药瓶中，加入2mL去离子水，然后滴加0.2mL质量浓度25％的氨水直至镀液从白色悬浊转变为澄清状态，再缓慢滴加氨水直至反应体系pH值为10.8(通过加入不同的氨水量调节PH为10～12之间均可以，PH值偏大保质期偏长)即制备得到激光加工用的银镀液，其常温稳定，保质期可达一个月以上。

(2)测试银镀液紫外可见吸收谱

依次用丙酮、乙醇、超纯水清洗1cm×1cm的四通石英比色皿，用移液器取2.5mL配置好的银镀液置于比色皿中，紫外吸收谱的测试仪器是日本岛津公司的UV2500。

所述紫外吸收测试谱见图2，镀液吸收峰在302nm，主要来源于银离子的吸收。在加工所用的激光波长760nm～800nm范围内无明显吸收，也直接证实了飞秒激光诱导金属沉积的过程为多光子吸收过程。

(3)搭建激光微纳加工系统。

搭建飞秒脉冲激光加工系统。激光搭建示意图如图1所示，经飞秒脉冲激光系统1输出的飞秒脉冲激光经过衰减片2(OD2型，衰减后的光强可为原来光强的1％～100％，本例中衰减后的光强可为原来光强的12％)、光闸3(由软件控系统通过计算机串口控制其开关)和三个用于调整光路的反射镜4、5、6后进入用于聚焦的凸透镜7，再经过另一个凸透镜8使光束扩散为光斑直径更大的平行光束，再经过转镜9(三维精密移动系统的转镜)、反射镜10、电介质镜11进入物镜12，聚焦于通过衬底固定于压电平台17上的银镀液内，光斑直径约为500nm。

所用的电介质镜11可使激光光束99％的能量进行反射用于加工，而使实时监测系统的照明光源发射的可见光全透射用于监测。所用凸透镜7的焦距为50mm，凸透镜8的焦距为250mm，物镜12为100倍或60倍浸油物镜，数值孔径为1.4，可以帮助实现激光紧聚焦。

加工程序的设计是使用相关程序设计语言将欲制备的器件结构设计编写加工所用数据模型，其三维尺寸，倾斜角及实体或壳层结构等参数均可调，依据需要选择具体参数并转换成点云数据直接用于加工。

软件控制系统编写的图案、矩形、半球的编写程序是由点到线，再到面，由下到上逐渐产生三维结构；

(4)衬底的清洗

将衬底进行清洗，按顺序依次用丙酮、乙醇、去离子水等进行超声清洗10分钟。

(5)对衬底上银镀液利用激光直写加工方法获得金属银的微纳结构

将清洗后的衬底固定于三维精密移动系统的压电平台上，在衬底的中心处滴加前面步骤制备的银镀液，采用正置或倒置的加工方式，按照附图3中所示的字母、校徽、海宝等微纳结构图案的预先设定的程序，激光光点在衬底与银镀液的分界面处逐点扫描，扫描过的区域经光诱导作用银金属粒子沉积在衬底表面并连成线和面，再由面到面累积获得银微纳立体结构，加工完成后，用移液腔移去剩余镀液，并用去离子水简单冲洗即可。

如图3a所示为在石英衬底上采用正置加工模式制备的“APL”图样微纳银结构的显微镜图，标尺为10μm整个字母图案所处长方区域的长度是44μm、宽度为22μm，扫描层数为1层，采用顺序横向扫描和跳转扫描结合的方式，从左至右横向逐点扫描，由于A、P另个字母图样有镂空结构，所以在横向顺序扫描到达镂空区域左边缘时，需要关闭光闸直到跳转到右边缘时再打开光闸，这个过程即为跳转扫描的过程。

如图3b所示为在PDMS衬底上采用正置加工模式制备的“吉林大学校徽”银微纳结构扫描电镜图；校徽图样外围为圆形，直径为40μm，扫描层数也为1层，采用类似于图3使用的顺序扫描和跳转扫描两种方式结合的方式控制激光光点移动，制备二维图案化金属微纳结构。

如图3c所示为在硅衬底上采用倒置加工模式制备的世博会吉祥物海宝的电子隧道显微镜SEM图，加工的海宝图样尺寸为20μm，X、Y方向上的扫描步长设定为50nm，Z方向上的扫描步长为50nm，扫描层数为3层(即加工完一层后，压电平台沿Z轴方向移动50nm，继续在加工制备的第一层银结构基础上完成第二层，以此类推)，采用类似于图3的扫描方式。与图3和4不同的是，结构表面很粗糙，事实上是有一些垂直于表面的纳米片状金属微纳结构组成的。接下来的实施例会详述多层扫描带来的影响。

如图3d所示为在“十”字石英微流控芯片，由传统的光刻技术和湿法刻蚀得到，芯片通道宽度通常为50～250μm，深度通常为20μm～100μm。通道底部加工的散射状圆形银微纳结构阵列，从外到内圆形银微纳结构的尺寸分别为为4.5μm，8.5μm，12μm。微流控芯片通道为一个非平面衬底，能在其底部进行微纳结构制备，是飞秒激光加工特有的优势。

实施例2：激光加工制备3层级银微纳结构

(1)配制激光加工用银镀液

配制激光加工用银镀液步骤与实施例1相同。

(2)搭建微纳加工系统及设计加工程序

同实施例1。

(3)准备加工所用衬底

同实施例1。

(4)制备多级银纳米片微纳结构

[1]采用图1所示加工系统，在芯片通道内制备多级银微纳结构。以矩形块结构为模型设计加工程序，扫描路径为从外到里顺时针或逆时针或横向由左至右逐点扫描。通过控制扫描步长、扫描层数及激光功率来制备纳米片状银微结构。

如图4所示银纳米片的厚度范围为20nm到80nm，经统计平均厚度为50～60nm，银纳米片的分布密度为3×10⁶mm^-2，纳米片表面会吸附有一定的纳米颗粒，纳米颗粒的数量极大程度的影响了银纳米片的粗糙度，从而进一步影响银纳米片微结构在SERS和催化应用中的效果。从对银纳米片透射电镜高分辨的图中可以看出，条纹间距对应晶格分别为0.2nm和0.24nm分别对应银材料的(111)和(200)晶向。

a.分别采用X、Y方向上的扫描步长为50nm，Z方向上扫描步长为100nm.

b.扫描层数对产生银纳米片有决定性的作用，如图5所示，激光首先在镀液里通过多光子吸收过程诱导出银纳米颗粒，这些纳米颗粒在线偏振激光的作用下在两极诱导出电荷，静电力的作用会让银粒子在纳米颗粒两级继续被还原，且其他的纳米颗粒也会在纳米颗粒极级富集，所以在加工的第一层是由有一定取向的银纳米颗粒形成的岛膜(如图5a，b，d所示)，平均纳米颗粒的粒径为50nm。当激光扫描在第一层基础上原位加工第二层时，会激发出等离子体，等离子体会进一步加强光在诱导还原银微纳结构的作用甚至与如涉及光发生干涉作用产生条纹；等离子体的产生机制对应于经典的介质-金属-介质三明治结构，即银镀液-银岛膜-石英等衬底。如图5c所示，当光从介质一侧入射到金属膜时会因为全反射在金属界面出激发等离子体。如图5e所示，第二层出现了银微纳条纹状结构，周期为200nm左右。再以第二层为基础原位加工第三层时，由于第二层出现的粗糙条纹诱导出等离子体会更强。所以在扫描第三层时，即产生了垂直于衬底的银纳米片。当在加工第四层及以上时，垂直于衬底的纳米片会出现多层叠加。

c.通过调节激光功率可以调控银纳米片表面的粗糙度。如图5f所示当激光能量密度为1.0×10¹⁰J/cm²时，纳米片会相对比较薄且表面比较平滑；如图5h所示，为激光能量密度为1.8×10¹⁰J/cm²时，纳米片的厚度会越来越厚，吸附的纳米颗粒也越来越密，相对而言比表面积和粗糙度都在下降；选用介于1.0×10¹⁰J/cm²和1.5×10¹⁰J/cm²之间的功率进行加工，会得到比较优异的银纳米片微结构，如图5f和6a所示，分别为激光能量密度为1.2×10¹⁰J/cm²和1.3×10¹⁰J/cm²纳米片相对比较薄，且表面吸附大量双粒子和多粒子相连并构成空隙的纳米粒子，这对SERS探测及催化都是有益处的。银纳米片主体部分是单晶，但是吸附的纳米颗粒是多晶态，一般银纳米片的高度为200nm～1000nm。对图6a进行统计，纳米片的厚度平均为50nm，表面吸附的纳米颗粒尺寸以50nm为主(图6b，c)。

[2]调控银纳米片的生长取向

通过改变入射激光的偏振方向，可以调控银纳米片的生长取向。银纳米片的生长方向与激光的偏振方向有强烈的依赖关系，即银纳米片的生长方向与激光的偏振方向相平行。通过改变把激光的偏振方向，可以调控银纳米片的生长方向。如图7a所示，银纳米片的生长取向与激光的扫描方式没有关系，当激光为线偏正光时，银纳米片的生长取向与偏振方向相同(如图7a-e)分别为激光电矢量E方向与x轴夹角0°，30°，60°，90°时银纳米片的生长取向与E垂直，与偏振方向相同。当激光为圆偏振光时，不再长成银纳米片，而是团簇状银微纳结构，如图7(f)所示。

a.获得线偏振：先在光路中(图1中1和2位置中间区域)插入格兰棱镜，转动格兰棱镜的角度，测量光通过棱镜后的功率变化，当功率最大时格兰棱镜的偏振方向与入射光的偏振方向一致。在入射光与格兰棱镜之间加入二分之一波片，旋转波片的角度，测量光通过格兰棱镜后的功率，当功率最大时，此时光通过波片后偏振方向与原入射光偏振方向一致，也即获得了入射光偏振方向一致的线偏振光。改变二分之一波片的角度，那么可以获得不同的线偏振光。

b.获得圆偏振光：在用二分之一波片获得与入射光偏振方向一致的线偏振光之后，记下此时光轴位置，然后换上四分之一波片，把四分之一波片的光轴旋转至与刚才二分之一波片的光轴相差45°的位置，即获得圆偏振光。

[3]在制备的银纳米微纳结构表面制备金结构

选用氯金酸钠溶液作为离子源通过化学置换方法在银微纳结构表面制备金微纳结构。将浓度为0.1mol/L为氯金酸钠溶液加热到85℃，并放入制备有银微纳结构的芯片反应15秒后取出，用准备好的90℃的去离子水浸泡芯片5分钟取出用90℃的去离子水冲洗表面1分钟。银纳米片表面即覆盖了质量含量为15％的金。如图15SEM照片所示，银-金复合微纳结构与银的微纳结构相比，表面附着了大量金纳米粒子。

[4]银纳米片的应用于SERS探测

在应用于SERS测试时，如图8a，b所示，表面的银纳米粒子间的缝隙使入射激光的电场矢量的增强效果可达到828倍，而SERS的增强因子与电场矢量的4次方成正比，只考虑第三级结构的贡献估算SERS增强因子即可达到10¹¹。

在激发线为514nm激光时，分别使用浓度为10^-10mol/L罗丹明6G和10^-6mol/L牛血清白蛋白BSA为探针分子进行SERS探测来表明银纳米片作为SERS探测衬底的增强能力，如图8c，d所示，分子的拉曼特征峰都分峰很明显，信号很强，依据EF＝(I₁/N₁)/(I₂/N₂)公式估算增强因子为10¹¹。其中I₁，I₂分别为采用的10^-10mol/L的探针分子和固体粉末同种条件下的信号强度；N₁和N₂分别为两种情形下激光光斑下的分子数目。

实施例3：在微流控芯片内局域选择性集成SERS探测衬底

(1)配制激光加工用银镀液

配制激光加工用银镀液步骤与实施例1相同。

(2)搭建微纳加工系统及设计加工程序

同实施例1。

(3)准备芯片

将待用的微流控芯片进行常规清洁处理，丙酮、乙醇、去离子水超声清洗。

(4)在芯片通道底部制备多级银微纳结构

将镀液利用气泵封装于微流控芯片通道内，将芯片置于激光加工系统，同实例1，利用三维移动平台及监测系统，找到通道内欲集成银微纳结构的特定位置后，调整Z轴方向移动平台，将激光聚焦到芯片通道底部进行加工，加工方式同实例2，制备完成后用移液腔去除多余镀液，并用去离子水清洗。由于此方法制备的银纳米结构集成于芯片通道底部，所占位置和面积可依据需要选择，对芯片内进行的其他测试和反应可实现兼容，不构成干扰。

如图9所示，通过控制程序我们可以精确的实现激光定位加工，设计任意的图案和尺寸。图9a中我们在75μm宽的微通道中制备了4＊4的5.5μm方块阵列，图9b中我们在通道中加工了3＊3的11μm方块阵列，图9c中我们在通道中加工了4＊4的直径5.5μm的圆形阵列，图9d中我们在“Y”型通道的三条分支中分别加工了一个圆形衬底，两种反应物可以从各自的分支入口处流入通道然后一起汇入出口分支。

(2)对探针分子进行SERS测试

将待测试分子的溶液通过气泵注入芯片通道内，到达SERS探测区。

如图10a中我们在同一衬底上选择了三个不同的检测点A，B，C，用p-ATP作为探针分子探测到的拉曼信号如图中三条曲线所示。很明显，三个不同监测点的拉曼信号基本吻合，从而验证了我们制备的衬底具有很好的均一性。插图是检测时的光学显微镜照片。

图10b中，我们比较了通道中加工的衬底与通道底部没有衬底的地方各自的拉曼信号，分别为A，B检测点。对衬底上A点进行检测得到的拉曼信号如图所示，具有很好的拉曼增强能力。而对通道底没有制备多级银纳米结构衬底的地方B点进行检测得到的信号放大五倍后如图所示，仍然没有明显拉曼信号。因此，通过对比A，B两处的拉曼信号，彰显出我们加工的衬底具有很强的拉曼增强能力。插图是检测时的光学显微镜照片。

图10c中，我们利用了交叉通道。在交叉通道的各个分支以及通道交叉口处，我们分别加工了一个银纳米结构衬底。插图所示为测试时的光学显微镜照片和实验示意图。首先我们在1号通道里通入CD-SH分子的乙醇溶液，这样，由于CD-SH分子的巯基与金属具有较好的吸附性，从而在a、d、e衬底上都吸附上了CD-SH分子。然后我们在2号和3号通道分别通入芘和屈两种分子的乙醇溶液。这样，在d衬底上就形成了芘和CD-SH分子的复合物，在e衬底上形成了屈和CD-SH分子的复合物。由于芘和屈与金属表面的亲和力很小，所以基本上检测不到这二者的拉曼信号。然而当芘和屈与CD-SH分子形成了复合物之后，CD-SH与金属吸附力很强并且本身拉曼信号极弱，所以我们就可以在通道的交叉口处d和e检测到这两种分子的拉曼信号了。a，b，c，d，e各自的拉曼信号图分别如图中所示。通过这个实验，我们可以证明利用激光加工灵活定位衬底在通道中的位置具有极大的优势，它可以让我们方便的实现化学反应的实时监测，让我们在通道的不同位置进行原位探测带来极大的便利。

实施例4：在微流控芯片通道内集成多银微纳结构用于催化和原位SERS测试

(1)配制激光加工用银镀液

配制激光加工用银镀液步骤与实施例1相同。

(2)搭建微纳加工系统及设计加工程序

同实施例1。

(3)准备芯片

同实施例1。

(4)在芯片同道底部制备多级银半球阵列

如图11，为催化阵列的各种表征图片。银半球阵列的制备方法同实例1，扫描方式结合顺序扫描和跳转扫描方式，依据单个半球的点云数据，半球有一系列尺寸渐变的圆片堆积而成，单层以渐开线方式由外及里或由里及外逐层扫描，再逐层进行加工。采用催化阵列衬底为带有宽约100μm、深约为25μm沟道的普通玻璃片，如图(a)，催化阵列的元素是直径约为9μm的银半球，银半球有多层银纳米片累积而成，四个半球为一列，纵向球心间距约为17μm，横向球心间距约为24um，如图(b)，图(c)为其显微镜照片。

如图12，图示为硼氢化钠在飞秒激光加工的银纳米片为催化剂的条件下还原对硝基苯酚(PNP)的过程，紫外可见吸收曲线为硼氢化钠和对硝基苯酚在催化剂上不同流速下测得的。反应过程为

通过控制硼氢化钠和对硝基苯酚的混合液的流速，可以控制其催化的时间，随着流速的减慢，黄色混合液颜色逐渐变浅，最后变成无色。其紫外吸收曲线在410nm处峰值逐渐降低至零而290nm处的峰值由零逐渐升高(410nm为对硝基苯酚的吸收峰，290nm为对氨基苯酚的吸收峰)。图12的吸收曲线由上及下分别为混合液最初状态、控制流速为8mL/h、5mL/h、3mL/h、2mL/h、1mL/h后分别收集测得的吸收谱。

如图13，为硼氢化钠还原对硝基苯酚的不同反应时间下的微区测试吸收谱图，随着反应时间的加长，410nm处的峰值逐渐减弱至消失。谱线由上及下对应着从最初状态一直到8分钟各分钟内的吸收。

如图14，图示为表面增强拉曼散射(SERS)监测硼氢化钠还原对硝基苯酚(PNP)的催化反应谱图。通过对比两个曲线可以看出在1275cm^-1和1327cm^-1处pNP+NaBH4的峰值要明显比pNP谱线峰值高很多，因为1200-1600cm^-1为银的作用区域，还原反应生成的氨基可以跟银衬底形成弱的化学键的作用，而硝基只是单纯的靠静电力附着在银衬底上，因此与此波束相对应的峰位受氨基的影响要比受硝基的影响强很多。图中还可以看出pNP曲线上240cm^-1和1794cm^-1处的峰值很明显，而pNP+NaBH4曲线当中此处的峰值相对很不明显，此处为硝基的振动峰，而pNP+NaBH4曲线中硝基已被反应掉，因此此处便没有此峰。

Claims (10)

1.一种在微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其步骤如下：

1)配置飞秒激光微纳加工所使用的银镀液；

2)搭建飞秒激光微纳加工系统；

3)利用飞秒激光微纳加工系统在衬底上制备金属微纳结构。

2.如权利要求1所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：衬底为石英平面衬底、玻璃平面衬底、硅平面衬底、SiO₂/Si复合平面衬底、PDMS平面衬底、PMMA平面衬底、硅基芯片非平面衬底、石英基芯片非平面衬底、PDMS芯片非平面衬底或PMMA芯片非平面衬底。

3.如权利要求1所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：配置飞秒激光微纳加工所用的银镀液是向0.01～0.5M的硝酸银水溶液中加入还原剂，其中银与还原剂的摩尔比为1∶4～4∶1，之后向反应体系中滴加质量浓度为25％的氨水直至反应体系澄清、pH值为10～12，还原剂为葡萄糖酸钠、柠檬酸钠、酒石酸钠或酒石酸钾钠。

4.如权利要求1所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：在银镀液内实现逐点扫描的飞秒激光微纳加工系统，由光源系统、软件控制系统、三维精密移动系统和实时监测系统组成。

5.如权利要求5所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：三维精密移动系统由二维高速扫描转镜(9)和精密陶瓷压电平台(17)两种元件组成；或三维精密移动系统由三维移动压电平台一种元件构成。

6.如权利要求5所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：利用飞秒激光微纳加工系统在衬底上制备金属微纳结构包括如下步骤，

1)将清洗后的衬底固定于飞秒激光微纳加工系统的压电平台上，将银镀液滴加于衬底上，由软件控制系统发送指令，控制光闸的开关进而控制激光光束的开启与关闭，再由软件控制系统精确控制三维精密移动系统的移动，使聚焦的激光光点在银镀液与衬底的界面处按照需要制备的微纳结构的模型逐点扫描，激光光点扫描位置的银离子发生多光子吸收而被还原为银单质，形成团簇或纳米颗粒，进而通过团簇或纳米颗粒两端的极性电荷的作用连成银岛膜沉积在衬底上，从而完成第一层微纳结构的制备；

2)其次，在软件控制系统的控制下，聚焦的激光光点在银镀液和第一层银岛膜界面上继续扫描还原银离子形成纳米颗粒，该纳米颗粒受到特定模式下在金属纳米粒子表面被激发的等离子体的作用，生长成条纹状银微纳结构沉积在第一层银岛膜上，从而完成第二层微纳结构的制备；

3)再次，在软件控制系统的控制下，聚焦的激光光点在银镀液和第二层银岛膜的界面上继续扫描还原银离子形成纳米颗粒，纳米颗粒受到特定模式下在金属纳米粒子表面被激发的更强的等离子体的作用，生长成亚波长间隔分布的银纳米片结构沉积在第二层条纹状银微纳结构上，从而完成第三层微纳结构的制备，即制备得到多级银微纳结构；通过调节激光的能量密度调节逐层扫描过程中形成的银微纳结构的表面形貌，通过调节入射激光的偏振方向调控制备的银微纳结构的生长取向。

7.如权利要求6所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：三维精密移动系统的压电平台集成了手动三维移动微调架，在激光加工前调节激光光点的位置并通过实时监测系统观察激光光点的位置，使激光光点位于衬底与银镀液的分界处或位于银镀液内，以实现三维加工。

8.如权利要求1所述的一种在平面衬底或微流控芯片中制备多级银微纳结构的方法，其特征在于：多级金属微纳结构为基本图案化微纳结构、金属岛膜微纳结构或激光条纹金属微纳结构。

9.权利要求1～8任何一项方法所制备的银多级微纳结构用作表面增强拉曼光谱SERS的增强基底。

10.权利要求1～8任何一项方法所制备的银多级微纳结构在化学催化领域方面的应用。

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