CN103439308A

CN103439308A - 一种表面增强拉曼基底及其制备方法

Info

Publication number: CN103439308A
Application number: CN2013102558107A
Authority: CN
Inventors: 李洁慧; 纪新明; 窦宏雁
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-12-11

Abstract

本发明涉及拉曼光谱分子检测技术领域，公开了一种表面增强拉曼基底及其制备方法。本发明中，通过在基底表面上排列周期性点阵结构的孔增强信号强度，可以提高灵敏度，降低检出限；在基底上打孔在半导体制造工艺中是较为成熟的技术，使得表面增强拉曼基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。

Description

一种表面增强拉曼基底及其制备方法

技术领域

本发明涉及拉曼光谱分子检测技术领域，特别涉及表面增强拉曼基底及其制备方法。

背景技术

生命科学的发展已经进入到单细胞和单分子水平上的探测与操控时代。由于光学方法可直接成像，且对所研究的对象干扰最小，具有无损、原位测量等优点，已成为生命科学首选的研究手段。拉曼光谱可获得分子的振动能级信息，称为分子的“指纹光谱”，可提供分子的详细结构信息，如化学键的类型、强度、角度、构像变化等。但普通的拉曼散射效率很低，一般情况下分子的拉曼散射截面比荧光散射截面低十几个量级，难以对生物样品直接进行探测，提高激发光强则可能产生样品的光损伤和光漂白等副作用。

20世纪70年代研究发现，当吡啶分子靠近粗糙的电极表面时，金属表面等离子体共振产生的局域电场增强可以极大地增强分子所接收到的电场，进而增强远场接收到的拉曼信号，这就是表面增强拉曼散射(surface-enhancedRaman scattering，简称为SERS)。SERS方法可以极大的提高分子的拉曼散射截面，而增强后的拉曼信号强度与正常拉曼信号强度之比被称为SERS增强因子。化学还原的电极、金属溶胶、蒸镀、冷沉积或溅射的金属膜等多种材料都可以实现SERS，而百纳米尺度的金和银两种金属可以提供最好的拉曼增强效果。SERS光谱技术对液体样品的浓度检测限可以低至10^-13～10^-14M(mol/L)。这对于研究价格高、数量少、浓度低的生物样品是非常合适的。

由于SERS效应主要是建立在贵金属纳米颗粒受外界激光照射时产生的表面等离子体效应的基础上，因此获得具有高分布密度、尺寸适合的贵金属纳米颗粒的SERS活性基底是获得良好SERS信号的主要前提。制作表面增强活性基底的方法主要有电化学方法、旋涂法、真空喷镀法、自组装法等。第一例SERS实验是在银电极上实现的，即使用电化学方法获得SERS活性电极。通常电极的粗糙是在KCl电解质溶液中经过一次或多次电化学氧化还原“活化循环”而得。这种方法的特点是方便、快速，但电极电势的改变除能影响电极的粗糙度外，还对分子的氧化态、取向以及表面覆盖度等产生影响。这些因素会导致SERS增强因子及选择定则的变化，从而降低光谱的重现性。另外，通过电腐蚀得到的粗糙表面是很难控制其粗糙度的，并且所得到粗糙程度也是很不一致的。这些不利条件都在很大程度上限制了它们的应用。旋涂法是利用匀胶机低速和高速旋转制成不同光学特性的薄膜，该方法简单，制作时间较短。比较有代表性的是利用旋涂法制作的金属溶胶凝胶基底，经过固化程序后，金属膜不易脱落，且可具有很高的表面增强活性，但膜的均匀性较难控制，且重复性往往较差，废弃率高达70％，这一缺陷限制了该基底的实际应用。真空喷镀法被广泛应用于SERS活性基底的制备。该方法通常是在高真空的条件下，在玻璃、硅片、石英或表面光滑的金属表面蒸镀或溅射一层薄金属膜。该方法可控性、重复性及膜的均匀性好，有利于表面增强拉曼的理论研究，但制备仪器昂贵，且金属膜在液体环境下较易脱落。自组装法是依赖分子间非共价键力自发结合成稳定聚集体的过程。常用的方法是用偶联剂功能化玻璃片或石英片，将功能化基片置于金属溶胶中，使金属溶胶自组装到玻璃片或石英片。该方法简单，但多只适用于特定的激发波长，而且溶胶是一种亚稳态体系，时间长易聚集，因此制备的基底重复性较差。若要使用自组装法制作表面等离子共振可控的SERS活性基底，通常有两种方法，一是改变纳米溶胶的形状，如使用参数可调的复合结构，通过改变纳米粒子的形状可获得表面等离子共振可控的纳米粒子，再将其组装成膜，从而获得不同等离子共振的纳米膜，这方面比较有代表性的是美国莱斯大学的科研工作者制备的核壳结构，但该方法相对繁琐，且具有化学方法难于控制的缺点；另一种方法是改变纳米溶胶在基底上的聚集程度，即改变纳米粒子在基底上的密度，比较有代表性的工作是美国犹他大学研究工作者利用吡咯烷酮反复多次浸泡金膜减少金纳米粒子间斥力而获得不同金溶胶密度的SERS活性基底，该方法等离子共振可控区间有限，且耗费时间，通常需要3-4天的时间。

发明内容

本发明的目的在于提供一种表面增强拉曼基底及其制备方法，使得表面增强拉曼基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种表面增强拉曼基底，包含：基底以及覆盖在所述基底上的金属层；其中，所述基底表面上具有周期性点阵结构排列的孔。

本发明的实施方式还提供了一种表面增强拉曼基底的制备方法，包含以下步骤：

提供一基底；

在所述基底表面上打周期性点阵结构排列的孔；

在所述基底上覆盖金属层。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在基底表面上排列周期性点阵结构的孔增强信号强度，可以提高灵敏度，降低检出限；在基底上打孔在半导体制造工艺中是较为成熟的技术，使得表面增强拉曼基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。

另外，所述周期性点阵结构的排列形状为正方形或六边形。孔的周期性点阵结构的排列形状越有规律，则拉曼峰越强，半波宽越窄，从而进一步使信号强度得到增强。

另外，所述孔的周期为0.8至1.2微米，占空比为1∶4，可以最大程度激发SPR共振，进一步有利于信号强度的增强。

另外，所述孔的深度在1至15微米之间，进一步有利于信号强度的增强。另外，所述基底的材料为硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、玻璃、聚酰亚胺PI、光刻胶SU-8；所述金属层的材料为金、银或铝。以常见的材料做基底和金属层，使得原材料易于获取，进一步使成本低廉。

另外，还包含：粘附层；所述粘附层位于所述基底和所述金属层之间，增加金属层与基底之间的粘附力，有利于基底的重复利用。

附图说明

图1A是根据本发明第一实施方式的表面增强拉曼基底的俯视图，孔排列成正方形；

图1B是根据本发明第一实施方式的表面增强拉曼基底的剖视图；

图1C是根据本发明第一实施方式的表面增强拉曼基底的俯视图，孔排列成六边形；

图2是拉曼光谱采集系统的光路示意图；

图3是几种结构的基底测得的拉曼峰的对比示意图；

图4是根据本发明第二实施方式的表面增强拉曼基底的制备方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种表面增强拉曼基底，该表面增强拉曼基底包含基底以及覆盖在基底上的金属层，基底上具有周期性点阵结构的孔。如图1A是表面增强拉曼基底的俯视图，如图1B所示是表面增强拉曼基底的剖视图，图中101是基底，102是金属层，103是周期性点阵结构的孔。

可以采用半导体工艺中的光刻工艺在基底上打孔，光刻掩模上的图案具有周期性点阵结构，经光刻之后，基底就具有了周期性点阵结构的孔。点阵结构的周期是可控的，比如，周期性点阵结构的孔的周期T为0.8至1.2微米，占空比为1∶4。

值得说明的是，周期性结构引起周期性介电常数的变化，对于不同的周期T，引起的周期性势场也会不同，从而导致拉曼峰位置发生相应的变化，通过模拟和实验测量圆孔排列为正方形排列，得出其拉曼峰位置基本与晶格常数(即周期性点阵结构的孔的周期)之比为1∶1，六边形排列基本接近于

此外，占空比是圆孔直径和圆孔间距之比，随着占空比变大，拉曼峰的强度变大。由光学原理可知，光传播分为横电波(TE)和横磁波(TM)两种传播模式，而在占空比较小时，能够制造能带禁带，形成表面等离子体(SPR)共振的主要是TM传播模式，此时TE传播模式影响基本可以忽略，而当占空比变大，TE传播模式也逐渐形成禁带，当占空比达到某一值时，两者禁带完全重合，此时TE和TM传播模式都能制造能带禁带，激发SPR共振，从而可以得到最高强度的SPR共振峰。

在基底上打孔的结构构成了光子晶体结构，光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap，简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。本实施方式是在高折射率材料(如金属层)的某些位置周期性的出现低折射率(如周期性点阵结构的孔)的材料。在本发明中，由于在这种光子晶体结构之上还覆盖了金属层，在有光照射到金属层上时，会发生反射，即表面增强拉曼散射，而由于表面不是平滑的，周期性孔的存在，使某些波长的光不能反射回来，起到分光的作用，形成波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，可以省略后续光谱采集系统中的棱镜，不用棱镜进行分光，从而缩小仪器体积，实现仪器小型化。在此，值得说明的是，孔的深度不宜过深，过深会导致光入射进去之后，无法反射出来；孔的深度不宜过浅，过浅会达不到分光的目的。此外，随着孔的深度的增加，信号增强效果越明显，但到达12微米左右之后，信号增强效果会减弱，因此，周期性点阵结构的孔的深度在1至15微米之间较为适宜，进一步有利于信号强度的增强。

值得一提的是，图1A中周期性点阵结构的排列形状为正方形，还可以排成六边形，如图1C所示，但是，本发明并不以此为限，任意周期性点阵结构的排列形状都在本发明的保护范围之内。孔的周期性点阵结构的排列形状越有规律，则拉曼峰越强，半波宽越窄，从而进一步使信号强度得到增强。在实际实验中，可以看出六边形排列比正方形排列有着更强的共振峰和更窄的半波宽。这是由两种排列所具有的不同周期性程度引起，六边形排列比正方形排列有着更好的周期性，其在六个方向上的周期都相等，而正方形排列只在两个方向的周期相等，这使得光波在六边形排列基底传输过程中更少的受到传输方向的影响，所以其能激发更强和更窄的拉曼峰。

此外，值得说明的是，基底可以使用的材料为硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、玻璃、聚酰亚胺PI、光刻胶SU-8，金属层可以使用金、银、铝等金属，可以采用半导体工艺中的镀金工艺将金属层覆盖在硅基底上，镀金工艺非常成熟，比如直流溅射，在此不再赘述。在硅表面镀金之后，金的附着力不够强是经常遇到的问题，后续使用中金属层容易脱落，因此，可以在硅表面先镀一层铬或钛做粘附层，然后再镀金。也就是说，表面增强拉曼基底还包含：粘附层；该粘附层位于基底和金属层之间，增加金属层的附着力，使金属层在后续使用中不易脱落。金属薄膜的厚度是影响共振峰强度的重要因素，当膜厚度达到一定程度后，随着膜厚度的增加，共振峰强度变小，由于光信号在金属薄膜中传播时会发生衰减，因此，对于光滑表面的表面增强拉曼基底，当膜厚度超过一定值时，共振峰将消失，而对于具有周期性点阵结构的孔的表面增强拉曼基底，虽然膜厚的增加会使得共振峰强度变小，但由于金属层两表面之间可以通过圆孔传导表面等离子体，故不会发生表面光滑的表面增强拉曼基底的共振峰完全消失，当膜厚在某一数值时，反射光强度近似为零，共振深度达最大，这一深度称为趋肤深度。因此，金属层的厚度选在趋肤深度附近。一般，粘附层的厚度为5纳米，金属层的厚度为50纳米，比如说，以铬或钛做粘附层，金做金属层，那么，铬或钛的厚度为5纳米，金的厚度为50纳米。

在采用拉曼光谱采集系统进行有机磷检测时，先在表面增强拉曼基底上制备样品膜，然后将基底放置到拉曼光谱采集系统中获得拉曼光谱，对拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。

具体地说，在需要对有机磷样品液进行检测时，通过静电吸附的方法将有机磷样品液结合到表面增强拉曼基底的金表面，室温晾干或氮气(N₂)吹干，得到带有样品膜的表面增强拉曼基底，这样处理样品的方法非常简单，易于操作，而且有利于快速实时的检测。简单地说，将有机磷样品液，比如，蔬菜水果的水洗液，滴到表面增强拉曼基底的金表面，晾干或吹干之后，在金表面之上会形成样品膜。此外，在表面增强拉曼基底上制备样品膜时，所需的样品量极少，一般50μL即可完成样品膜的制备。因此，本实施方式对数量少、浓度低的有机磷样品进行检测也是非常合适的。

拉曼光谱采集系统将激光打在带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；其中，拉曼光谱包含拉曼位移和拉曼强度。

如图2所示是拉曼光谱采集系统的光路示意图，具体地说，激光源发射的激光垂直入射到带有样品膜的表面增强拉曼基底上；可以选用514纳米激发光作为激光源发射的激光。在图2所示拉曼光谱采集系统中，带有样品膜的表面增强拉曼基底放置在载物台上，光源发射的激光经反射镜反射之后，垂直入射到载物台的基底上。垂直入射的激光通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来，一般样品分子的拉曼光谱很弱，而周期性点阵结构的孔能增强信号强度，因此可以提高灵敏度，降低检出限。反射回来的光通过滤光片进入分光仪，得到拉曼光谱。由于基底上具有周期性点阵结构的孔能出激发表面等离子体SPR波，因此在拉曼光谱采集系统中可以省略棱镜，从而缩小仪器体积，实现仪器小型化。

图谱分析等数字信号处理可由PC机完成，具体地说，拉曼光谱通过CCD探测器转化为数字信号，通过PC对数字信号进行图谱解析。不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以根据测量得到的拉曼光谱定性分析出有机磷的种类。此外，根据特征峰的强度和事先标定有机磷浓度和拉曼峰强度之间的关系，确定有机磷的浓度。具体地说，事先标定可以通过检测已知浓度的有机磷样品液的拉曼光谱，进行图谱分析，得到拉曼峰的强度，得到有机磷浓度和拉曼峰强度之间的对应关系，比如说，有机磷OPs的浓度与峰强度在一定范围内成线性关系，比如可以在10^-4-10^-7M之间成线性关系。

为了直观地反映本实施方式的效果，对几种结构的基底测得的拉曼峰进行了对比，如图3所示，301是只有硅结构，302是没有镀金的点阵结构，303是硅上镀金(没有点阵结构)，304是镀金的点阵结构。由图可以看出，在基底表面不镀金，不管打不打孔，基本看不到拉曼峰(如301和302所示1000cm^-1附近)，镀金之后，具有点阵结构的基底的拉曼峰非常尖锐(如304所示1000cm^-1附近)，很容易就能检测出来，也就是说，提高了检测灵敏度，降低了检出限。

与现有技术相比，本实施方式通过在基底表面上排列周期性点阵结构的孔增强信号强度，可以提高灵敏度，降低检出限；在基底上打孔在半导体制造工艺中是较为成熟的技术，使得表面增强拉曼基底具有成本低廉、工艺简单、操作简便、拉曼信号增强效果和重复性好的特点。

本发明第二实施方式涉及一种表面增强拉曼基底的制备方法，如图4所示，包含以下步骤：

提供一基底；

在基底表面上打周期性点阵结构排列的孔；

在基底上覆盖金属层。

在基底表面上打周期性点阵结构排列的孔的步骤中，周期性点阵结构排列成正方形或六边形。

此外，在基底上覆盖金属层的步骤中，还包含以下子步骤：

在基底上覆盖一层粘附层；

在粘附层之上覆盖金属层。

不难发现，本实施方式为与第一实施方式相对应的系统实施例，本实施方式可与第一实施方式互相配合实施。第一实施方式中提到的相关技术细节在本实施方式中依然有效，为了减少重复，这里不再赘述。相应地，本实施方式中提到的相关技术细节也可应用在第一实施方式中。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种表面增强拉曼基底，其特征在于，包含：基底以及覆盖在所述基底上的金属层；其中，所述基底表面上具有周期性点阵结构排列的孔。

2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述周期性点阵结构的排列形状为正方形或六边形。

3.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述孔的周期为0.8至1.2微米，占空比为1∶4。

4.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述孔的深度在10至20微米之间。

5.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述基底的材料为硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、玻璃、聚酰亚胺PI、光刻胶SU-8；所述金属层的材料为金、银或铝。

6.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，还包含：粘附层；所述粘附层位于所述基底和所述金属层之间。

7.根据权利要求6所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述粘附层的材料为铬或钛。

8.根据权利要求6所述的表面增强拉曼基底，其特征在于，所述粘附层的厚度为5纳米，所述金属层的厚度为50纳米。

9.一种表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

提供一基底；

在所述基底表面上打周期性点阵结构排列的孔；

在所述基底上覆盖金属层。

10.根据权利要求9所述的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，

在所述基底表面上打周期性点阵结构排列的孔的步骤中，所述周期性点阵结构排列成正方形或六边形。

11.根据权利要求9所述的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于，在所述基底上覆盖金属层的步骤中，还包含以下子步骤：

在所述基底上覆盖一层粘附层；

在所述粘附层之上覆盖所述金属层。