CN103048307A - 一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于超灵敏测试分析技术领域，具体地说是涉及一种可大规模生产、应用广泛、高效、绿色环保的基于天然超疏水结构表面的增强拉曼检测基底及其制备方法。其是通过物理气相沉积（PVD）、自组装或化学镀覆膜技术在天然生物超疏水表面覆盖贵金属层形成粗糙疏水的表面增强拉曼检测热点区后得到。天然超疏水结构表面为植物花瓣、植物叶片或昆虫翅膀。贵金属为金或银，贵金属层的厚度为5纳米～50纳米。这种疏水性的SERS检测基底具有高的灵敏度，检测限可以达到10^-9。本发明取材天然疏水生物表面，灵敏度高，性能稳定，成本低，对环境无污染。

Description

一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底及其制备方法

技术领域

本发明属于超灵敏测试分析技术领域，具体地说是涉及一种可大规模生产、应用广泛、高效、绿色环保的基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼散射技术（SERS）是拉曼光谱分析中的重要技术。作为一种重要的痕量分析检测手段，表面增强拉曼散射（SERS）光谱可以提供直接的分子振动光谱的指纹信息，自1974年问世以来被广泛研究和应用。SERS检测极限可以达到飞摩（10^-15）量级，使单分子检测成为可能并且SERS检测技术可以在极其复杂的体系中仅仅增强目标分子或基团，避开杂质干扰实现特定分子检测。另外，SERS光谱检测的样品囊括固态、液态和汽态甚至是生物活体。例如，可以用于牛奶中三聚氰胺的检测，蛋白质膜污染的检测，水果表面农药残留痕量检测等。

贵金属结构对于SERS检测至关重要，入射光作用下金属表面自由电子周期振荡形成等离子体波使局域电场增强，而金属表面的检测分子的拉曼信号强度和局域电场强度的4次方成正比（I&E⁴），物理增强机制是整体增强的主体，远大于化学增强的贡献。所以制备合适的金属结构对于SERS检测至关重要，传统的制备金属结构的方法包括化学合成、电化学、自组装、物理气相沉积和多种刻蚀技术来制备粗糙的金属表面。另外通过设计金属结构，可以形成疏水结构，在SERS检测极低浓度样品时，不仅通过金属表面的增强的局域电场实现待测分子的拉曼信号的物理增强，还可以借助疏水特性帮助实现样品浓缩，实现更低浓度样品检测。例如F.Gentile等人（Microelectron.Eng.,2010,87，798.）通过刻蚀技术制备微柱阵列结构，在柱的顶端修饰生长粗糙次级结构，覆上金属，实现制备疏水特性金属微结构SERS检测基底可以把样品浓缩在微柱上最终可以检测浓度为10^-18摩尔每升的样品分子。但是人工制备的疏水结构费用昂贵，不利于大规模生产，制备过程往往会产生污染环境的废液。

自然界中的生物表面很神奇，具有微米尺度和纳米尺度的多层级结构，具有天然的疏水特性表面。例如我们熟知的出淤泥而不染的荷叶表面是有一些微球构成的粗糙表面具有极好的疏水特性，还有玫瑰花等也是具有疏水结构所以在清早会看到花瓣表面的晨露，水黾腿也是一种疏水结构从而帮助其在水面行走。蜻蜓的翅膀表面也具有疏水特性使其可以在雨中正常飞行。润湿性是固体表面一种重要的性质，在动植物的生命活动、人类的日常生活、工农业生产中起着极其重要的作用，超疏水表面因其在防雪、防水、抗氧化、防污染、减小摩擦和自清洁功能等领域有广泛的应用前景，成为当前研究的热点之一。但尚没有利用疏水生物表面制备SERS检测基底的相关研究和报道，利用自然界的天然疏水生物表面制备SERS增强基底具有巨大的优势和应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于制备一种可大规模生产、成本低、效率高、绿色环保的具有样品浓缩性能的基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底。

本发明研究选取自然界中生物疏水表面的天然微纳结构并以生物疏水表面为框架结构通过物理气相沉积（PVD）、自组装或者化学镀技术覆盖一定厚度的贵金属层形成粗糙疏水的表面增强拉曼检测热点（hot spots）区完成SERS检测基底的制备。经研究发现自然界生物疏水表面具有多极的微纳结构，包括准微米周期尺度结构和纳米周期尺度结构。选取生物疏水表面后在其表面覆盖金属层后制备SERS检测基底后检测极限可以达到10^-9摩尔每升。该发明取材天然生物疏水表面，取材容易，成本低，无污染，易于大量制备生产。

本发明包括：

(1)研究生物超疏水表面的天然多级微纳结构和疏水特性；

(2)通过物理气相沉积或者化学镀工艺以疏水表面为框架模板制备具有疏水特性的贵金属微纳结构，完成SERS试纸的制备；

(3)研究基于生物超疏水表面的贵金属微纳结构表面的疏水特性和SERS增强机制；

(4)测试基于天然生物超疏水表面的疏水性SERS检测基底的性能。

本发明所述方法其更为具体的方法如下：

（1）研究天然生物超疏水表面的天然多级微纳结构和疏水特性

本发明所述的基底可以在检测有拉曼信号的生物或化学探针分子方面的应用。探针分子包括罗丹明6G（R6G）、对氨基苯硫酚（p-ATP）、核黄素、抗原抗体等。

所述的天然生物疏水表面包含具有超疏水特性的植物花瓣，如玫瑰花瓣；植物叶片，如荷叶，水稻叶；昆虫翅膀，如蝉翼，蜻蜓翅膀等。

所述的疏水是指疏水表面与探针分子水溶液接触时，液滴不易在固体表面上铺展开呈现出来的特殊润湿性能。

由于固体表面的超疏水特性，液体在表面形成球状液滴，不会铺开，随着液体的挥发，球状液滴的体积逐渐减小，最后液体挥发干后，浓缩在基底表面极小的区域内。

所述的疏水表面是指，液体水滴与固体表面接触时，接触角大于90度的称为疏水表面，接触角小于90度的为亲水表面，接触角大于150度的称为超疏水表面。

所述的疏水角（contact angle，CA）是指表征润湿性的重要指标，是指将一滴水滴到一水平光滑的固体表面时，若液滴不完全润湿固体表面，在固体表面上的固液气三相交界点处，气液界面和固液界面两条切线把液相夹在其时所形成的角θ，如图1所示，它可以预测如下几种润湿情况：

1）当θ=0，完全润湿；

2）当θ﹤90°，部分润湿或润湿；

3）当θ=90°，是润湿与否的分界线；

4）当θ﹥90°，不润湿；

5）当θ=180°，完全不润湿。

所述的天然多级微纳结构，主要包括几微米到几十微米的具有一定间距和周期的微米结构，诸如荷叶表面的5～9微米的乳突间距为30到50微米，玫瑰花瓣表面的8微米锥状突起结构间距为20到40微米；还有几十到几百纳米的纳米结构，如玫瑰花瓣的微米尺度锥状突起结构表面的周期近似为800纳米的光栅状条纹，蝉翼表面的单柱80纳米，间距为180纳米的周期状阵列结构等。

所述的疏水特性是指通过测量固体表面的静态接触角和滚动角来表征生物表面的润湿特性。静态接触角即上述的接触角，接触角越大，疏水性越强。滚动角与接触角相类似，是表征一个特定表面润湿性的重要方法。也是常用的一种测量材料表面润湿性的方法。滚动角是指液滴在倾斜表面上刚好发生滚动时，倾斜表面与水平面所形成的临界角度，如图2所示。在化学里滚动角定义为前进接触角（简称前进角）与后退接触角（简称后退角）之差，滚动角的大小也代表了一个固体表面的滞后现象（hysteresis)。

所述的前进角是指液固界面取代气固界面后形成的接触角也叫前进角；所述的后退接触角气固界面取代液固界面后形成的接触角也叫做后退角。

（2）通过物理气相沉积，化学镀工艺或自组装技术以超疏水表面为框架模板制备具有疏水特性的贵金属微纳结构，完成SERS检测基底的制备；

所述的物理气相沉积是指在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基片表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀膜、离子镀膜，及分子束外延等。

所述的化学镀工艺是指一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子和络合剂的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成镀层的方法，可以实现单一金属镀层或者复合金属镀层。

所述的自组装是指基本结构单元（分子，纳米材料，微米粒子等）自发形成有序结构的一种技术。在自组装过程中，基本结构单元是基于非共价键的相互作用下自发组织成或聚集为一个稳定的、具有一定规则的集合外观的结构，是若干个个体之间整体的复杂协同作用。当基本结构单元为金属纳米材料时，可通过控制液体挥发和定向流动及选择模板等条件完成特定金属纳米材料的图案化。

制备的金属层需要特定的厚度和形貌来满足高灵敏度SERS检测基底的制备。特定的厚度是指为了保证以不同种类疏水生物表面为框架模版制备的疏水SERS检测基底不受疏水生物表面材料的特定蜡质等天然涂层对检测信号的干扰，在生物疏水表面覆盖足够遮盖原生物表面的金属层，采用物理气相沉积时可以通过控制沉积速度和沉积时间来控制厚度和形貌。使用化学镀工艺制备时通过控制金属离子浓度，还原剂种类，温度，时间来控制厚度和形貌。采用自组装的方法来组装金属纳米材料可以通过控制温度、纳米材料的浓度、液体挥发速度和液体定向流动等来控制厚度和形貌。

所述的特定的厚度可依据不同生物疏水表面可定为5纳米～50纳米，特定的形貌指以纳米粒子岛膜为主的粗糙金属表面。

所述的高灵敏度指的是探测极限浓度低于10^-6mol/L，本发明疏水性SERS检测基底的稳定探测极限浓度可以达到10^-9mol/L。

所述的贵金属包括金、银等在可见光区域等离子体性质好的金属。

所述的具有疏水性能的贵金属微纳结构，是指通过物理气相沉积、化学镀、自组装等技术，在生物疏水表面覆盖金属层后，保留了原有生物表面的微米结构、纳米结构，只是微纳结构表层被粗糙的金属层所覆盖，整体还具有疏水或超疏水性能。

（3）研究基于生物超疏水表面的贵金属微纳结构表面的疏水特性和SERS增强机制；

所述的贵金属微纳结构表面的疏水特性与原生物表面疏水特性类似，需要通过测量固体表面的静态接触角和滚动角来表征覆盖贵金属后的疏水生物表面的润湿特性。覆盖金属后的疏水生物表面由原来的微米结构-纳米结构变化为微米结构-纳米结构-纳米粒子粗糙度，疏水特性也会发生变化。

所述的SERS增强机制主要包含物理增强机制和化学增强机制，物理增强占主体，主要起于金属表面的局域电场增强使得检测分子偶极距增大，拉曼散射信号增强。这里主要是通过对疏水表面的贵金属微纳结的局域电场进行理论模拟来研究物理增强机制。

所述的局域电场增强是指由于微纳金属结构在入射激光外电场激励的情况下，能诱导产生表面等离子体激元共振，在金属表面附近产生局域化的电场增强。

所述模拟是指通过有限时域差分（FDTD）、离散偶极子近似（DDA）、有限元方法（FEM）等理论工具对以疏水生物表面的微纳结构为框架形成的的金属微纳结构进行场强分布的模拟。

（4）测试基于天然生物超疏水表面的疏水性SERS检测基底的性能；

所述的性能包括基于天然生物疏水表面的疏水性SERS检测基底的灵敏度，可重复性，疏水性、保质性等。

所述的测试是指拉曼信号的检测，测试采用的仪器包含聚焦激光显微拉曼系统和便携非显微拉曼系统。其激发波长可选择488、514、532、633、785、808、1063纳米等可见及近红外激光光源。其它测试仪器还包含反射式显微镜、扫描隧道电子显微镜、疏水角测量仪等。

所述的SERS灵敏度包括对探针分子拉曼信号的探测极限浓度，或者一定浓度下分子的表面增强拉曼信号与分子普通拉曼信号相比较获得的增强因子。探针分子包括罗丹明6G（R6G）、对氨基苯硫酚（p-ATP）、核黄素、抗原抗体等有拉曼信号的生物或者化学分子。

所述的可重复性是指拉曼测试热点区是否均匀，不同位置测试能否获得一致的检测效果。使用聚焦激光显微拉曼系统在疏水生物表面上不同位置取样测试，聚焦光斑的尺寸为微米量级，采样点间距为几微米到几十微米，在微米尺度上即微观上获得高度可重复性性能（超过98％）。使用便携式非显微拉曼系统在SERS试纸的不同位置取样测试。光斑大小为毫米量级，采样点间距为数毫米，在毫米即宏观尺度上获得高度可重复性性能。

所述的柔韧性是指疏水性SERS检测基底的耐弯折性，即经过多次弯折而不发生断裂。经过多次弯折后，SERS试纸的灵敏度和可重复性未受影响。

所述的疏水性是指由于疏水生物表面具有微纳结构，从而当水滴被滴到其表面时，接触角会超过150度，液体不会铺开，而是在表面形成球状液滴，对低浓度的分子水溶液进行SERS测试时，伴随着液体挥发，溶液逐渐浓缩，最后浓缩到极小的面积上使得检测区的分子实际浓度比最初液滴浓度大很多，从而帮助实现更低浓度样品的检测，即降低了检测极限。

所述的保质性是指SERS试纸暴漏在空气中一定时间内能保持检测功能，由于一些金属表面，如银经过10～20个小时由于被氧化在表层形成硫化银从而使SERS检测功能逐渐减弱至消失。通过惰性气体保护对疏水性检测基底进行罐装封装。

所述的惰性气体包括氩气等稀有气体以及氮气等。主要是排除氧气、硫化氢等对金属有氧化作用的气体。

所述的罐装封装是指使用金属器皿或者玻璃器皿对试纸充保护气体进行密封处理。

附图说明

图1：干燥的白玫瑰花瓣的扫描电镜图片，标尺为100um。插图是干白玫瑰花瓣的整体照片，花瓣呈现淡黄色。

图2：玫瑰花瓣表面放大的扫描电镜图片，图中的标尺长度为20um。

图3：玫瑰花瓣表面的微片状突起结构的放大的扫面电镜图像，从中能够看出，这些微结构表面具有纳米条纹结构，图中标尺长度为2um。

图4：干燥玫瑰花瓣的侧面扫描电镜图片，从图中可以看出，微片状突起结构的高度大约是24.5um，图中标尺长度为2um。

图5：微片状突起结构表面的纳米条纹结构的扫描电镜图像，标尺长度为1um。

图6：干燥的白玫瑰花瓣表面的静态接触角为158°，滚动角为7°。

图7：蒸银后的玫瑰花瓣的EDX电子能谱图，探测出碳、氧、银三种元素的峰。

图8：（a）蒸银后的玫瑰花瓣的扫描电镜图片，标尺长度为20微米，插图为蒸银后的玫瑰花瓣照片，花瓣颜色变为银灰色；（b）放大倍数的蒸银后的玫瑰花瓣扫描电镜图片，仍可见微片状突起结构和纳米条纹结构，标尺长度为10微米。（c）蒸银后的干玫瑰花瓣表面的静态接触角为157°，滚动角为10°。

图9：微片状突起结构的顶部的放大扫描电镜图像。在顶部表面也存在纳米条纹。标尺长度为1微米。插图是纳米凹槽表面的高分辨扫描电镜图片，从中能识别出银纳米粒子。插图的标尺长度为200纳米。

图10：微片状突起结构侧表面的纳米光栅结构的扫描电镜图片，标尺长度为1微米。

图11：（a）浓度为10^-9摩尔每升的罗丹明6G(R6G)溶液滴到蒸银后的玫瑰花瓣表面的照片。（b）随着水分的不断蒸发，R6G液滴变得越来越小，颜色越来越深，表明R6G在不断的浓缩。（c）水分全部蒸干后，银包裹的玫瑰花瓣表面残留着R6G斑点。（d）具有R6G斑点的蒸镀银之后的玫瑰花瓣的扫描电镜图像。标尺长度是200微米。（e）R6G斑点区域放大倍数的扫描电镜图片，标尺长度是10微米。

图12：（a）在玫瑰花瓣表面沉积银之后表面的纳米光栅结构的扫描电镜图像。标尺长度是1微米。（b）依据纳米光栅结构（周期是800纳米，深度是800纳米）正弦模型，应用时域有限差分法（FDTD）模拟的电场强度分布图。（c）银纳米光栅表面的高倍数扫描电镜图片，标尺长度是100纳米。（d）模拟b图半球状银纳米粒子，间距分别是0纳米、1纳米、2纳米、5纳米和10纳米的电场强度分布图。

图13：（a）滴在表面蒸镀银的玫瑰花瓣表面，且浓度为10^-9摩尔每升的R6G分子的拉曼光谱图。后面的8条谱线是在微片状突起结构的顶端选点检测的SERS信号，而前面的7条谱线是在侧面纳米光栅结构上选点检测的信号。（b）波数为1648cm^-1处检测15组拉曼信号的峰值强度对比图。

图14：基于超疏水玫瑰花瓣制备的疏水性SERS检测基底封装在聚合物薄膜里的图片，插图是蒸镀银的边长1厘米的方形玫瑰花瓣的光学照片。

图15：蜻蜓翅膀标本的扫描电镜图片，蜻蜓翅膀表面由纳米柱阵列构成，纳米柱的直径为40～50纳米，间距平均为100纳米。图中标尺长度为100纳米。

图16：蒸银后的蜻蜓翅膀标本的扫描电镜图片。蜻蜓翅膀表面的纳米柱直径变大为70-80纳米，间距平均约为60纳米。图中标尺长度为100纳米。

图17：测量蒸银后的蜻蜓翅膀表面的疏水角，约为151°。

图18：采用基于蜻蜓翅膀标本的超疏水性SERS检测基底测试对氨基苯酚（p-ATP）的拉曼散射光谱图。

具体实施方式

实施例1：以疏水性玫瑰花瓣表面为基片制备疏水性SERS检测基底，用于检测探针分子的拉曼信号光谱。

（1）研究玫瑰花瓣超疏水表面的天然多级微纳结构和疏水特性

选取白玫瑰花瓣，整体进行烘干或者自然风干。干白玫瑰单片花瓣呈现淡黄色（其光学照片如图1中插图所示），其扫描电镜图片（SEM）显示花瓣表面是有一些类似扁贝壳的微片状突起结构组成，如图1所示，大范围内微片状结构分布均匀。图2为倍数稍大的SEM，可以看到微结构之间间距为20～40微米。与水滴接触时易形成空气囊利于疏水。由图3所示，单个的微结构表面是由一些纳米条纹构成，在顶部汇聚形成褶皱，侧壁条纹类似于纳米光栅结构，微结构平均尺寸约为30微米。微片状突起结构的高度大约为24.5微米（如图4所示）。除了微结构以外，通过对侧壁放大的SEM可以呈现纳米结构条纹且具有一定的周期性周期约为800纳米，单个条纹的高度约为800纳米（如图5所示）。所以干玫瑰花瓣表面拥有两级结构：微米片状结构和纳米条纹、褶皱结构。与饱满的新鲜玫瑰花瓣微结构相比，干玫瑰的微结构由于失水干瘪导致相邻微结构之间的间距变大，水滴与表面接触时转换成Cassie模式区域，在凹槽处形成空气囊，从而形成大的静态接触角（CA）和小的滚动角（SA）。

使用接触角测量仪(例如Contact Angle Meter SL200B(Solon Tech.，Shanghai))多次测量疏水性的干玫瑰花瓣的静态接触角和滚动角，如图6所示平均值分别为158°和7°，充分说明干玫瑰花瓣具有超疏水表面。

（2）通过物理气相沉积在干玫瑰超疏水表面蒸镀金属，形成岛膜，制备具有疏水特性的贵金属微纳结构，完成SERS检测基底的制备；

使用真空蒸镀设备（使用的真空镀膜机包括北京北仪创新真空技术有限责任公司制造的DM-300B、沈阳四达真空技术应用研究所制造的多源有机分子气相沉积系统SD400B等）在干玫瑰花瓣的表面蒸渡金属银，并使用膜厚仪监测蒸镀金属膜层的厚度为5纳米～50纳米：具体步骤如下：

a)打开蒸镀炉罩，将银粉装于钼舟（金属丝或箔片可装于钨螺线圈内）并固定在电极上形成蒸发金属源，将干燥的玫瑰花瓣固定在蒸发金属源正上方，距离蒸发金属源5到15厘米。

b)关闭炉罩，对蒸发炉腔体抽真空，先使用机械泵抽真空到10帕，再使用分子泵抽真空到10^-3帕。

c)连通加热电极电源，打开膜厚监测仪将电流慢慢加到50到70安，透过观察窗看到金属受热挥发，依据膜厚仪示数达到所需的膜厚度时关闭的加热电极电源。

d)关闭分子泵和机械泵，对炉腔充气。开启炉罩，取出已经镀覆一定厚度金属膜的干玫瑰花瓣。

图8所示在干玫瑰花瓣表面蒸镀金属银岛膜，在膜厚仪监控下获得的厚度为30纳米，图7为能量色散X射线光谱仪（EDX）在蒸银后的疏水干玫瑰花瓣表面探测的元素Ag、C、O。和蒸银之前的淡黄色花瓣相比，如图8a所示微米片状结构依然在大范围内分布均匀，然而蒸银后干玫瑰花瓣呈现银灰色，如图8a插图所示。通过图8b的放大的SEM图可知蒸银后花瓣的微片状突起结构和其表面的纳米条纹结构被完成的保留下来。

（3）研究基于干玫瑰花瓣超疏水表面的贵金属微纳结构表面的疏水特性和SERS增强机制。

从图9和图10放大的微结构顶端SEM图片可以看出，在纳米条纹和褶皱表面覆盖了粗糙的银岛膜，最终从蒸银前的花瓣表面的微米片状结构-纳米条纹结构二级结构转变为微米片状结构-纳米条纹结构-纳米粒子三级结构。由于结构的变化，疏水特性也发生了变化。经过多次测量蒸银后的花瓣表面静态接触角为157°，滚动角为10°。超疏水特性略有变化，但变化不大。通常来讲粗糙度越大疏水性越好，表面能越低疏水性越好。虽然蒸银后粗糙度变大了利于提高疏水性能，但是因为金属的表面能比植物表面的有机物质大，所以会降低表面疏水性能，两方面的影响综合到一起，蒸银后的花瓣表面疏水特性变化不大。

将测试分子溶液滴在蒸银后的干玫瑰花瓣表面，由于基底的超疏水特性，液滴和基底的接触角很小，相应的接触面积也很小当水挥发干后，原来的待测分子液滴浓缩在很小的接触面积上。如图11所示，滴一滴7微升的罗丹明6G分子的水溶液（10^-6摩尔每升）于蒸银后的疏水花瓣表面，由于花瓣表面的超疏水特性，液体在表面形成球状液滴，不会铺开，由于分子浓度低，最初呈现几乎无色，随着液体的挥发，球状液滴的体积逐渐减小颜色逐渐加深，呈现粉红色，最后液体挥发干后，浓缩在金属花瓣表面极小的区域内（图11（a）～图11（c）所示）。图11（d）是通过浓缩区域的SEM图片测量出区域的尺寸为宽1.2毫米，长1.4毫米。从图11（e）高倍的SEM图片可以看出原来的微片状结构-纳米条纹褶皱结构-纳米粒子结构表面被覆盖了一层一定厚度的R6G分子薄膜，充分展示了该基于疏水性的生物表面的SERS测试基底的浓缩功效。

除了来自表面的超疏水性的富集作用，入射激光激发的的微纳结构表面的表面等离子体使得微纳结构金属表面附近的局域电场强度E增强，可以提高待测分子的表面增强拉曼信号，进而提高SERS测试灵敏度。

通过有限时域差分法（FDTD）模拟蒸银后花瓣表面微纳结构的局域电场分布得到微纳金属结构对SERS物理增强的贡献。金属覆层的厚度为30纳米。

玫瑰表面数十微米的微结构主要对疏水性和液体浓缩有贡献。测试分子拉曼信号时，局域电场增强主要来自纳米结构的贡献。如图12所示，准平行的纳米条纹可以看做周期性的纳米光栅结构。可以观察到准纳米光栅具有平均周期约800纳米，光栅高度800纳米（图12（a））。基于这种机构，按正弦模型使用FDTD方法模拟纳米条纹附近的局域电场如图12（b）所示，对SERS增强最大值可达到10⁵倍。另外，纳米条纹表面的银纳米岛是由一些尺寸为20至30纳米的粒子构成，如图12（c）所示。以直径为25纳米球形的银纳米粒子为模型，并取随机距离从0、1、2、5、10纳米。增强后的电场强度最大值处多出现在狭缝或尖端位置，对SERS增强最大贡献可以达到10⁷倍（如图12（d））。FDTD模拟结果表明，纳米条纹光栅结构和银岛膜纳米粒子利于产生极大增强的局域电场，利于增强拉曼散射信号，适用于用作高效的SERS检测基底。

（4）测试基于天然生物超疏水表面的疏水性SERS检测基底的性能

采用氩离子激光器作为激发光源，使用的拉曼光谱仪型号为JOBIN YVONT64000，入射波长为514纳米，激光功率为10mW。在聚焦显微系统下测试不同浓度的罗丹明6G（R6G）分子水溶液的拉曼散射光谱。当分子浓度达到10^-9摩尔每升时，测试信号依然稳定，也就是检测极限浓度可以达到10-9摩尔每升。和固体样品相比，信号增强达到10⁸倍。如图13所示。首先将10^-9摩尔每升的液滴滴在蒸银的1平方厘米的干玫瑰花瓣表面，随着水溶剂的挥发，R6G分子浓缩在一个小面积局域内。在该局域内选择15个不同的测试位置，包括8个点位于微结构顶部，7个点位于侧面光栅处。拉曼信号谱如图13（a）所示，后面的8条谱线是在微片状突起结构的顶部选点检测的SERS信号，前面的7条谱线是在侧面纳米光栅处选点检测的信号。R6G分子的特征峰611cm^-1，1360cm-1，1507cm^-1，1651cm^-1信号都很强，以1648cm^-1处峰为例，比较15个点的信号，重复性好，差异小（图13（b），1～8序号的柱状线对应在微片状突起结构的顶部选点检测）。说明基于疏水玫瑰花表面的SERS检测基底作为产品具有高灵敏度和高稳定性，适于大范围内推广使用。如图14，将蒸银后的干玫瑰剪成1厘米×1厘米的小块，用塑料薄膜真空封装，最后至于充满惰性气体的干燥罐中可以保质2个月，使用时取用方便。实施例2：以疏水性的蜻蜓翅膀为基片制备疏水性SERS检测基底

（1）研究蜻蜓翅膀标本超疏水表面的天然多级微纳结构；

具体步骤与实施例1相同。如图15可以看到蜻蜓翅膀表面是由一些纳米柱构成的阵列结构，柱的直径约为40～50纳米，柱间间距平均约为100纳米，如图15蜻蜓翅膀标本的扫描电镜图片（SEM）所示。

（2）通过物理气相沉积在蜻蜓翅膀标本超疏水表面蒸镀金属银岛膜，制备具有疏水特性的贵金属微纳结构，完成SERS检测基底的制备；

具体步骤与实施例1相同。如图16所示的蒸银后的蜻蜓翅膀SEM图片所示，蒸银后蜻蜓翅膀的纳米柱的直径变粗为约70～80纳米，柱间间距相应减小，平均约为60纳米。

（3）研究基于蜻蜓翅膀超疏水表面的贵金属微纳结构表面的疏水特性；

具体步骤与实施例1相同。蒸银后蜻蜓翅膀具有超疏水特性，疏水角为151°，如图17所示，蒸银后的蜻蜓翅膀疏水角为151°，属于超疏水表面，同实例1的玫瑰花表面一样也具有浓缩效果。

（4）测试基于蜻蜓翅膀超疏水表面的疏水性SERS检测基底的性能。

对基于蜻蜓翅膀标本的超疏水SERS检测基底的灵敏性能的检测使用设备如实施例1所述。入射激光波长为514纳米，激光功率为10mW。采用的探针分子是对氨基酚（p-ATP）分子。使用该SERS检测基底，增强因子可以达到10⁸。基于蜻蜓翅膀制备的超疏水SERS基底检测的P-ATP分子的拉曼信号如图18所示。

Claims (8)

1.一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：是通过物理气相沉积、自组装或者化学镀技术在天然生物超疏水结构表面覆盖贵金属层形成粗糙疏水的表面增强拉曼检测热点区后得到。

2.如权利要求1所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：天然生物超疏水结构表面为植物花瓣、植物叶片或昆虫翅膀。

3.如权利要求2所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：天然生物超疏水结构表面为玫瑰花瓣、荷叶、水稻叶、蝉翼或蜻蜓翅膀。

4.如权利要求1所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：物理气相沉积为真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀膜、离子镀膜或分子束外延。

5.如权利要求1所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：贵金属层的厚度为5纳米～50纳米。

6.如权利要求1所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底，其特征在于：贵金属为金或银。

7.权利要求1～6任何一项所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底在检测有拉曼信号的生物或化学探针分子方面的应用。

8.如权利要求7所述的一种基于天然生物超疏水结构表面的增强拉曼检测基底在检测有拉曼信号的生物或化学探针分子方面的应用，其特征在于：探针分子为罗丹明6G、对氨基苯硫酚、核黄素或抗原抗体。

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