CN102628808A - 高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法，该方法首先是在1cm×1cm的双面精抛光石英基底上通过自组装的方法得到单层排布的聚苯乙烯纳米球阵列；再采用反应离子刻蚀工艺对制作的单层纳米球阵列进行刻蚀，改变纳米球之间间隙的尺寸大小；最后通过银纳米薄膜沉积和Lift off工艺得到结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm的表面增强拉曼芯片。本发明的表面增强拉曼芯片可检测出10nM浓度的若丹明6G分子；且同一高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的7处不同位置处10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线的特征峰值强度偏差为±3％，可满足生物、化学物质的快速特异性检测需求。
Description
技术领域
本发明为高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法，该芯片采用纳米球光刻(NSL)技术结合反应离子刻蚀工艺制作而成，并利用此芯片实现了低浓度若丹明6G分子的快速检测。
背景技术
表面增强拉曼散射(SERS)光谱具有高特异性和高灵敏度，已广泛应用于基因和蛋白质识别、生物战剂探测、葡萄糖的实时监测、单分子探测、病毒和细菌的快速鉴定、痕量爆炸物探测等领域，作为表面增强拉曼散射效应的主要载体和实现表面增强拉曼散射放大效应的关键，新型表面增强拉曼散射基底成为近年来该领域的研究热点。表面增强拉曼散射效应的电磁增强机制表明金属的局域表面等离子体共振(LSPR)在很大程度上决定了金属纳米结构的表面增强拉曼散射活性，金属纳米结构的尺寸、形状、外部介电环境以及粒子的材料等因素都会影响纳米颗粒的局域表面等离子体共振波长，并影响表面增强拉曼光谱应用中与激励光源波长的匹配，进而影响表面增强拉曼散射的增强因子(EF)及探测灵敏度。
另外，作为表面增强拉曼散射效应的主要载体，金属纳米结构直接决定着表面增强拉曼散射基底的增强能力。在已报道的文献中，表面增强拉曼光谱已达到单分子探测水平，具体方式实现有两种，一种是通过混合金属纳米粒子(如：金纳米粒子和银纳米粒子)聚集产生的“热点”(hot spots)的方式实现，这种方式的表面增强拉曼散射的增强因子可达1014-1015；另一种利用金属纳米粒子的二聚物来实现，这种二聚物粒子间的间隙在几个纳米的范围内，增强因子可达1011-1012，与这种方式较为相近的就是针尖增强拉曼光谱(TERS)，利用金属针尖处产生的高的场增强并控制针尖与基底的距离(纳米范围内)来实现。上述几种方式所产生的“热点”较为随机且相对于整个基底来说是非常小的，导致了表面增强拉曼光谱的探测效率，可重复性、稳定性较差。因此高增强因子(均匀增强)、高稳定性的表面增强拉曼散射活性基底是制约着表面增强拉曼光谱实用化的关键因素。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法，通过结合纳米球光刻技术和反应离子刻蚀工艺，严格控制刻蚀气体气流量、功率及时间，制备得到结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm的三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片，并利用此芯片实现了10nM浓度若丹明6G分子的快速检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，该方法的步骤如下：
步骤(1)在经清洗、亲水化处理后的1cm×1cm的双面精抛光石英基底表面均匀的自组装一层聚苯乙烯纳米球；所述聚苯乙烯纳米球直径为430nm。
步骤(2)采用反应离子刻蚀工艺对制作的纳米球自组装层进行刻蚀，改变纳米球的间隙的尺寸大小；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体流量为20SCCM；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀功率为5～8W；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀时间为165s～240s；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体为氧气。
步骤(3)利用刻蚀后的纳米球作为模具，利用真空镀膜机在2～3×10-4Pa的真空度下在其表面沉积一层50nm厚的银薄膜。
步骤(4)通过Lift off工艺去除纳米球自组装层，得到三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片。
所述步骤(1)中的自组装方式为旋涂法或静电自组装法或漂移法。
所述步骤(3)中的银纳米薄膜的沉积时间为13s。
所述步骤(4)中的三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片的结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm。
上述制备方法制得的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的应用方法，所述高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片在用于检测溶液中的若丹明6G分子时，最低能够检测出溶液中10nM浓度的若丹明6G分子。
其中，以无水乙醇作为溶剂配置10nM浓度的若丹明6G溶液，将10微升浓度为10nM的若丹明6G溶液滴在该高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后做拉曼光谱分析。
其中，所述同一高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的7处不同位置处10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，其特征峰值强度的偏差为±3％。
本发明与现有的技术相比具有以下优点：
(1)由于金属纳米粒子激发的电磁能量主要集中于粒子的尖角处，尖角越尖其能产生的电磁场增强就越强，采用本发明方法制作的三角形金属纳米粒子尖角缺损率已降低到8.1％，大大提高了探测灵敏度。
(2)本发明制备的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的局域表面等离子体共振波长为780nm，非常接近波长为785nm的激发光源，与其他共振波长的结构相比可获得更好的场增强效果。
(3)本发明制备的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片重复性较高，稳定性高，且成本较低，为实用化奠定了基础。
(4)本发明制作的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片，可实现生物、化学分子的快速特异性检测。
附图说明
图1是实施例1中的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片内部结构的扫描电镜图片，结构周期为430nm，粒子直径为160nm；
图2是实施例1中制备的结构的对应消光光谱曲线，峰值位置为780nm，黑色虚线为785nm波长激发光源位置；
图3是以实施例2中的以高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片为增强基底获得的不同浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线I为50μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线II为10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线III为5μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线IV为1μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线V为100nM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线；
图4是实施例2中图3中1509cm-1特征峰值强度随浓度的变化关系；
图5是以实施例2中的以高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片为增强基底获得的10nM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线；
图6是实施例2中同一高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的7处不同位置处10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。
实施例1，利用本发明实现结构周期为430nm，粒子直径为160nm的局域表面等离子体共振波长为780nm的表面增强拉曼芯片的制备及表征。
(1)选择尺寸为1cm×1cm双面精抛光的石英玻璃作为芯片基底，对基底进行清洗、亲水化处理后，取直径为430nm、浓度为10％的单分散聚苯乙烯纳米球水溶液6微升滴到玻璃基底进行自组装，室温干燥后得到单层排布的聚苯乙烯纳米球阵列；
(2)将已自组装好的聚苯乙烯纳米球用反应离子刻蚀机利用氧气进行刻蚀，功率为8W，氧气流量20SCCM，刻蚀时间分别为165s；
(3)将经过刻蚀处理后的聚苯乙烯纳米球放入真空镀膜系统的工作腔室，在3×10-4Pa的真空度下在其表面沉积一层银膜，银的纯度为99.99％，膜层厚度为50nm；
(4)通过Lift off工艺去除聚苯乙烯纳米球及其表层金属，得到高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片。其内部结构示意图如图1所示，其粒子的尖角缺损率为8.1％；
将步骤(4)所制得的芯片置于透射光谱测试系统中，测试其消光光谱曲线，本例中采用的光源为LS-1卤钨灯光源(Ocean Optics，USA)，光谱仪为USB4000(Ocean Optics，USA)，测试曲线如图2所示。图2为步骤(4)所制得的芯片的消光光谱曲线，峰值在780nm处。
实施例2，利用本发明实现结构周期为430nm，粒子直径为160nm的局域表面等离子体共振波长为780nm的表面增强拉曼芯片的应用。
(1)选择尺寸为1cm×1cm双面精抛光的石英玻璃作为芯片基底，对基底进行清洗、亲水化处理；取直径为430nm、浓度为10％的单分散聚苯乙烯纳米球水溶液6微升滴到玻璃基底进行自组装，室温干燥后得到单层排布的聚苯乙烯纳米球阵列；
(2)将已自组装好的聚苯乙烯纳米球用反应离子刻蚀机利用氧气进行刻蚀，功率为5W，氧气流量20SCCM，刻蚀时间分别为240s；
(3)将经过刻蚀处理后的聚苯乙烯纳米球放入真空镀膜系统的工作腔室，在2.8×10-4Pa的真空度下在其表面沉积一层银膜，银的纯度为99.99％，膜层厚度为50nm；
(4)通过Lift off工艺去除聚苯乙烯纳米球及其表层金属，得到高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片。
以无水乙醇作为溶剂配置50μM、10μM、5μM、1μM、100nM浓度的若丹明6G溶液，分别取10微升上述浓度的若丹明6G溶液滴在步骤(4)得到的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后做拉曼光谱分析，激发波长为785nm，积分时间为10s，拉曼光谱曲线如图3所示，曲线I为50μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线II为10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线III为5μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线IV为1μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，曲线V为100nM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，图3中1509cm-1特征峰值强度随浓度的变化关系如图4所示；
以无水乙醇作为溶剂配置10nM浓度的若丹明6G溶液，分别取10微升上述浓度的若丹明6G溶液滴在步骤(4)得到的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后做拉曼光谱分析，激发波长为785nm，积分时间为20s，拉曼光谱曲线如图5所示。
实施例3，利用本发明对实现的结构周期为430nm，粒子直径为160nm的局域表面等离子体共振波长为780nm的表面增强拉曼芯片的稳定性测试。
(1)选择尺寸为1cm×1cm双面精抛光的石英玻璃作为芯片基底，对基底进行清洗、亲水化处理；取直径为430nm、浓度为10％的单分散聚苯乙烯纳米球水溶液6微升滴到玻璃基底进行自组装，室温干燥后得到单层排布的聚苯乙烯纳米球阵列；
(2)将已自组装好的聚苯乙烯纳米球用反应离子刻蚀机利用氧气进行刻蚀，功率为6W，氧气流量20SCCM，刻蚀时间分别为190s；
(3)将经过刻蚀处理后的聚苯乙烯纳米球放入真空镀膜系统的工作腔室，在2.6×10-4Pa的真空度下在其表面沉积一层银膜，银的纯度为99.99％，膜层厚度为50nm；
(4)通过Lift off工艺去除聚苯乙烯纳米球及其表层金属，得到高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片。
取10微升实例2配置的10μM浓度的若丹明6G溶液滴在步骤(4)得到的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后对其芯片7个不同位置处做拉曼光谱分析，激发波长为785nm，积分时间为10s，拉曼光谱曲线如图6所示，其特征峰值强度的偏差为±3％；
本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。
Claims (7)
1.一种高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，其特征在于：该方法的步骤如下：
步骤(1)在经清洗、亲水化处理后的1cm×1cm的双面精抛光石英基底表面均匀的自组装一层聚苯乙烯纳米球；所述聚苯乙烯纳米球直径为430nm；
步骤(2)采用反应离子刻蚀工艺对制作的纳米球自组装层进行刻蚀，改变纳米球的间隙的尺寸大小；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体流量为20SCCM；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀功率为5～8W；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀时间为1 65s～240s；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体为氧气；
步骤(3)利用刻蚀后的纳米球作为模具，利用真空镀膜机在2～3×10-4Pa的真空度下在其表面沉积一层50nm厚的银薄膜；
步骤(4)通过Lift off工艺去除纳米球自组装层，得到三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中的自组装方式为旋涂法或静电自组装法或漂移法。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(3)中银薄膜的沉积时间为13s。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，其特征在于：所述步骤(4)中的三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片的结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的制备方法制备的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的应用方法，其特征在于：所述高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片在用于检测溶液中的若丹明6G分子时，最低能够检测出溶液中10nM浓度的若丹明6G分子。
6.根据权利要求5所述的应用方法，其特征在于：以无水乙醇作为溶剂配置10nM浓度的若丹明6G溶液，将10微升浓度为10nM的若丹明6G溶液滴在该高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后做拉曼光谱分析。
7.根据权利要求1～4任意一项所述的制备方法制备的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的应用方法，其特征在于：所述同一高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的7处不同位置处10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，其特征峰值强度的偏差为±3％。
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