CN102901723A - 一种用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于生物医学信息检测技术领域，涉及一种用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法，包括下列步骤：在衬底表面镀金属锌；快速升温至450-500℃，保温10-30分钟；降温并完成氧化锌纳米阵列的组装；在组装好的氧化锌纳米阵列的表面镀导电金属层，制成纳米试纸。本发明通过简单的热处理工艺即可制得所需的纳米试纸，具有工艺简单，成本低廉，适于适于流水线批量快速生产的优点。
Description
技术领域
本发明属于生物医学信息检测技术领域，涉及一种检测试纸。
背景技术：
吸附在粗糙化金属表面的化合物由于表面局域等离子激元被激发所引起的电磁增强，以及粗糙表面上的原子簇及吸附其上的分子构成拉曼增强的活性点，这两者的作用使被测定物的拉曼散射产生极大的增强效应。其增强因子可达103～107，已发现能产生SERS的金属有Ag等少数金属，以Ag的增强效应为最佳，最为常用。此技术具有选择性好和灵敏度高的优点，实际检测限可达10-12克级。可以区分同分异构体、表面上吸附取向不同的同种分子等，是研究表面和界面过程的重要工具，是定性鉴定化学结构相近化合物的有力手段。
表面增强拉曼散射（SERS）：这是使分子或晶体歌唱声音更强大的另一种方法，换句话说也是检测极少量物质的一种方法，目前人们已开始用这一方法检测单个分子了。1974年，Fleishmann等人发现，对光滑银电极表面进行粗糙化处理后，首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。随后Van Duyne及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子的拉曼散射信号与溶液相中的吡啶的拉曼散射信号相比，增强约6个数量级（即一百万倍），指出这是一种与粗糙表面相关的表面增强效应，被称为SERS效应。这一结果立即在物理、化学、表面界面等研究领域中引起轰动，是什么原因引起这么大的散射增强？哪些金属和哪些分子可以产生这一效应？这个效应在表面探测、催化、电化学等研究中会有那些应用？这一系列问题立即成了人们研究的热门对象。经过20多年的研究后，人们知道目前除了电极表面之外，人们还在超高真空系统中蒸镀的金属表面上、金属胶体颗粒表面以及普通金属板经过适当的处理后表面上都进行了SERS实验。这些实验不仅为研究SERS机制提供了更多的信息，也为SERS应用提供了更多的可能。关于SERS的机制，经过研究，人们提出了十几种理论模型，目前较普遍的观点是SERS活性的表面往往能产生被增强的局域电场，是金属表面等离子共振振荡引起的，这被称为物理增强。而分子在金属上的吸附常伴随着电荷的转移引起分子能级的变化，或者分子吸附在特别的金属表面结构点上也导致增强，这两种情况均被称为化学增强。
相比纳米颗粒的拉曼增强相应较为广泛应用，基于一维纳米阵列结构的拉曼增强机理和元器件还少有报道。
而拉曼光谱的检测技术，在生物医学信息微信号检测方面的需求越来越强烈。例如人血白蛋白的检测：由于尿蛋白含量相对微量，因此提纯检测过程中需要浓缩，因此现在检测尿蛋白含量的生物医学处理过程中，需要被检查的患者留尿相当一定量，这样对于体弱的病患、年幼的孩子以及年迈的老人都无疑是非常困难和痛苦的。在这样的医学工程背景下，继续寻找一种快速、微量、可便携的检测手段，作为尿蛋白含量的检测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备可以快速、可便携地检测生物医学信息微信号的纳米试纸。本发明的技术方案如下：
一种用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法，包括下列步骤：
（1）在衬底表面镀金属锌；
（2）快速升温至450-500℃，保温10-30分钟；
（3）降温并完成氧化锌纳米阵列的组装；
（4）在组装好的氧化锌纳米阵列的表面镀导电金属层，制成纳米试纸。
作为优选实施方式，所述的衬底为硅衬底；步骤（3）中，在室温条件下自然降温。
本发明通过简单的热处理工艺即可制得所需的纳米试纸，具有工艺简单，成本低廉，适于适于流水线批量快速生产的优点。
具体实施方式
为了使金属锌快速转变为氧化锌纳米阵列，本发明采用金属锌（或者二氧化硅衬底表面镀金属锌、硅衬底表面镀金属锌等耐高温衬底表面镀金属锌）衬底。为了更好的配合微集成电路IC工艺，最优方案为选择硅衬底，表面镀1um厚度金属锌，然后经过快速升温至450-500摄氏度，保温10-30分钟，然后在室温条件下缓慢降温，最后利用磁控溅射工艺，在一维纳米阵列最上层，溅射50-500nm厚的导电金属层（Au、Ag等，且不仅限于此），实现纳米纸的制备。期间，可以根据所需，制定图形化衬底金属层的样貌。
下面对本发明给出的工艺条件进行原理上的说明和实验验证：
考虑到金属锌的熔点为419.5℃，实验分为两部分，第一部分实验温度大于熔点，第二部分实验温度小于熔点。
在大于419℃的温度下，将金属锌放入马弗炉中加热后，在金属锌表面的Zn开始熔化，Zn原子与空气中的氧原子结合，生成ZnO纳米颗粒。随着热处理时间的增加，表面的金属锌熔化程度加大，粒子的传输性增大，更多的Zn原子反应成为ZnO纳米颗粒，并由液态传质的特性向某些点集中。这些点的ZnO纳米颗粒被支撑出金属表面，接下来的第二个纳米颗粒被第三个颗粒支撑向表面外部移动，于是这一点的ZnO纳米晶就向表面外的某一方向开始一个一个晶粒连接起来开始由下向上一维生长，并且随着堆积的ZnO纳米颗粒的增加，纳米线的直径也随之增加。加热时间越长，生长出纳米线的点就越多，纳米线的长度越长，纳米线直径也越大。同时随着加热温度的上升，粒子的传输性越活跃，生长点也越多，但是随之而来的是ZnO纳米线生长方向的不稳定和粒径的变粗，当热处理温度到达一个临界值的时候，随着温度的升高，反而对ZnO纳米线的生长带来不利的因素。
在小于419℃的温度下，将金属锌放入马弗炉中加热后，在金属锌表面的Zn没有熔化，但是金属锌表面也吸收了大量的热量，表面还是会产生ZnO纳米颗粒，同时表面粒子的传输性还是会增强，这样也会产生粒子的传输，堆积和纳米线的生长。由热处理温度为300℃，350℃和400℃的3组实验成果的SEM图可以看出加热相同的时间，温度越高，产生的纳米线的生长点越多，纳米线的长度越长，可达3~5μm，直径也越细，可达80nm以下，也越接近450℃温度下生长的纳米线，差别在于生成纳米线的单位面积上的密度要小，生成纳米线的时间相对也要长，在金属锌熔点以上温度下加热的样品在加热20~30分钟后就可出现比较理想的一维结构，而在450℃温度下加热的样品须加热50分钟以上才可出现较理想的一维结构。
发明人分别在450℃，480℃，500℃，600℃的温度下进行了4组实验，450℃，480℃的温度下每间隔10分钟取出一个样品，持续1小时每组实验获得6个样品；500℃的温度下持续90分钟，获得6个样品；600℃的温度下持续60分钟，获得3个样品。
450℃下将金属Zn放入马弗炉中加热后，金属Zn表面开始出现团聚的ZnO纳米颗粒和纳米线。随着热处理时间的增加，纳米线的生长条件更加充分，纳米线的数量逐渐增多，并且纳米线的形貌也越理想，当加热50分钟左右时，ZnO纳米线生长的密度很大，外形更趋于棒状，生长方向整齐趋于一致，表面很光滑，直径最小的达到了50nm以下，并且长度也到达了3~5μm。但是当加热到60分钟时，样品表面又出现部分团聚，ZnO纳米线的直径也继续增加，超过了100nm。
480℃温度下金属Zn片的热处理后，ZnO纳米线的生长规律基本和450℃温度下热处理的样品相同，也是随着加热时间的增加，纳米线的直径越小，基本保持在了100nm以下，形貌越整齐，生长密度也越大，但是有一点区别就是，在500℃温度下，相同的加热时间下所生成的纳米线的直径略大于450℃温度下生产的纳米线直径，ZnO纳米线的生长密度也较小。
500℃和600℃温度下热处理得到的样品，样品的生长规律也符合450℃和480℃温度下样品的生长规律，但是这两组实验的样品的形貌却有着很大的不同。从开始加热后，样品中就一直存在大量团聚的颗粒，纳米线的直径和形貌等也不理想。纳米线直径普遍大于100nm，部分纳米线开始向片状发展，形貌很不规则。
分别在300℃，350℃，400℃的温度下进行了3组实验，3个实验均每间隔10分钟取出一个样品，持续1小时，每组实验分别获得6个样品。
300℃和350℃温度下金属Zn热处理后，在这两个温度下开始加热后样品表面基本都是ZnO颗粒，没有一维结构的出现。随着加热时间的增加，渐渐出现ZnO纳米线，但是纳米线的生长方向不一致，形貌不理想，有片状，有带状，团聚情况严重，纳米线的直径也比较粗，在100nm以上。
对比450℃、480℃、500℃、600℃温度下热处理，可以看出随着热处理时间的延长，ZnO的形貌变化基本和加热温度大于金属锌熔点的几组实验相同。样品加热后，ZnO纳米晶开始生长，出现纳米级颗粒，并开始向着某一个方向一维生长，粒径变粗，长度增加，纳米线直径约100nm，细的也可达50nm，部分纳米线表面光滑，形状整齐，整体结构接近于450℃温度下的热处理的所得的样品。
在经过一维纳米阵列组装后，再利用磁控溅射工艺，在一维纳米阵列最上层，溅射50-500nm厚的导电金属层（Au、Ag等，且不仅限于此）。
至此，纳米试纸结构组装完成，待未来检测生物医学信息中微信号时，只需要将生物溶液（如人血白蛋白、血红蛋白等）滴加其上，通过拉曼光谱检测即可。
Claims (3)
1.一种用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法，包括下列步骤：
（1）在衬底表面镀金属锌；
（2）快速升温至450-500℃，保温10-30分钟；
（3）降温并完成氧化锌纳米阵列的组装；
（4）在组装好的氧化锌纳米阵列的表面镀导电金属层，制成纳米试纸。
2.根据权利要求1所述的用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法，其特征在于，所述的衬
底为硅衬底。
3.根据权利要求1所述的用于增强生物医学信息微信号的纳米试纸的制备方法，其特征在于，步骤3）
中，在室温条件下自然降温。
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2012
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