CN104807802B

CN104807802B - 一种表面增强拉曼散射基底及其原位生长方法

Info

Publication number: CN104807802B
Application number: CN201510159499.5A
Authority: CN
Inventors: 宋春元; 汪联辉; 魏玉涵
Original assignee: Southeast University; Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Southeast University; Nanjing Post and Telecommunication University
Priority date: 2015-04-03
Filing date: 2015-04-03
Publication date: 2018-05-11
Anticipated expiration: 2035-04-03
Also published as: CN104807802A

Abstract

一种表面增强拉曼散射基底及其原位生长方法，该基底在经过清洗和表面电荷修饰处理的基片上原位生长单层膜，所述单层材料为金纳米颗粒，且颗粒的分布密度为1.44‑4.77个/μm²。制备方法：配制三种清洗液；配制三种修饰剂；配制金纳米颗粒生长液；将基片分别在三种清洗液中煮沸清洗干净；再对清洗后的基片进行修饰处理；在湿盒中将金纳米颗粒生长液滴在修饰后的基片上，静置生长后冲洗吹干得成品。本发明方法简便易行，所得基底性能良好，对设备要求低，可产业化。

Description

一种表面增强拉曼散射基底及其原位生长方法

技术领域

本发明涉及拉曼散射基底制备领域，具体涉及一种表面增强拉曼散射基底及其原位生长方法。

背景技术

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种分析检测手段有以下三个明显优点:(1)高灵敏度：SERS 的增强因子最高可以达到10¹⁴-10¹⁵，这使得单分子检测成为可能。(2)高选择性：共振增强的选择性和表面选择定则使得 SERS 可以在复杂体系中仅增强目标分子或基团，得到目标分子的指纹光谱信息。(3)检测条件温和：SERS 光谱可以方便地用于水溶液体系，而且样品可以是固态、液态或汽态。

活性基底的制备是获得SERS信号的前提, 为了将SERS作为一种常规、在线的分析工具, 所制备的SERS基底应具有增强能力强且均一性好、易于制备和存储、使用方便等特点。由于具有独特的光学性能和纳米尺度的粗糙表面, 金、银、铜等纳米结构具有很好的SERS活性; 而且随着纳米材料制备技术的日益成熟, 尺寸和形状高度可控的金属纳米粒子已经可以通过多种方法被制备出来。因此, 利用纳米技术制备SERS活性基底是目前SERS研究的一个重要发展方向。

根据目前的研究情况, 胶体态的SERS活性基底由于其特殊的流动性非常适合于生物领域的实时检测, 但是分散的单个纳米粒子的拉曼增强效果相对较弱, 而以聚集态的纳米粒子作为基底又很难获得可重复的光谱。因此, 既具有高效的SERS 增强效应又有很好的光谱重现性的有序固态基底成为研究热点。

目前制备有序固态基底的方法主要有：自组装法、模板法、电子束刻蚀、离子束光刻以及原位生长等。以自组装法为例，由于成膜机理制约，粒子之间的间距偏大,难以形成丰富的纳米级颗粒间隙，因而SERS增强性能受限。电子束刻蚀以及离子束光刻可以得到SERS效果优良的增强基底，但是设备成本高昂，制作周期长。原位生长方法拥有自组装方法经济便捷的优点，且SERS性能较自组装方法优秀，但是重复性难以保证。因此，如何通过简单、经济的方法制备出增强能力强且均一性好、易于制备和存储、使用方便的SERS基底仍然是一个有待解决的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种表面增强拉曼散射基底及其原位生长方法，基底增强能力强、均一性好、成本低，原位生长方法简单、快速、可调控。

为解决现有技术问题，本发明采取的技术方案为：

一种表面增强拉曼散射基底，在经过清洗和表面电荷修饰处理的基片上原位生长单层膜，所述单层膜的材料为金纳米颗粒，且金纳米颗粒的分布密度为1.44-4.77个/μm²。

作为表面增强拉曼散射基底优选的是，所述金纳米颗粒形状为球状或花状，颗粒大小为151-511 nm。

作为表面增强拉曼散射基底优选的是，所述基片为硅片或玻璃片。

上述表面增强拉曼散射基底的原位生长方法，包括以下步骤：

步骤1，配制过氧化氢和浓硫酸的第一混合液，氨水和过氧化氢的第二混合液，浓盐酸和过氧化氢的第三混合液；

步骤2，配制氨基硅烷化试剂乙醇溶液，4-苯乙烯磺酸脂钠水溶液, 聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液；

步骤3，量取0.5 ml摩尔浓度为10mM-40 mM氯金酸，5ml摩尔浓度200 mM十六烷基三甲基氯化铵以及0.25ml摩尔浓度0.3 M抗坏血酸配制金纳米颗粒生长液；

步骤4，将基片依次浸入第一混合液、第二混合液和第三混合液中，分别煮沸10-20min；

步骤5，将经步骤4处理后的基片依次浸入氨基硅烷化试剂乙醇溶液、4-苯乙烯磺酸脂钠水溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液进行修饰，其中在氨基硅烷化试剂乙醇溶液中过夜处理，在4-苯乙烯磺酸脂钠溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中处理至少1.5h;

步骤6，在湿盒中将金纳米颗粒生长液滴在基片上，湿盒在4℃中静置生长5 -20 h后用去离子水冲洗多余的金纳米颗粒生长液，氮气吹干，得表面增强拉曼散射基底成品。

作为上述原位生长方法优选的是，步骤1中所述第一混合液中，浓硫酸的质量分数为98％，过氧化氢的质量分数为30％，两者的体积比为3:1；

所述第二混合液中，过氧化氢的质量分数为30％，氨水的质量分数为28%，去离子水、氨水和过氧化氢的体积比为5:1:1；

所述第三混合液中，过氧化氢的质量分数为30％，浓盐酸的质量分数为37%，去离子水、过氧化氢和浓盐酸的体积比为5:2:1。

作为上述原位生长方法优选的是，步骤2中，所述氨基硅烷化试剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷，且溶液的质量分数为9.8％；4-苯乙烯磺酸脂钠溶液的质量分数为3％，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的质量分数为2%。

作为上述原位生长方法优选的是，重复步骤6的操作1-3次得表面增强拉曼散射基底。

有益效果

与现有相比，本发明优势具体表现在以下方面：

首先，本发明不需要引入复杂，高成本的微纳加工方法，例如氧离子刻蚀，离子束刻蚀等对设备依赖度极高的微纳加工工艺，降低了对制备设备的要求；同时，金纳米颗粒的原位生长为自发形成，只需要控制基本外部环境条件，过程简便易行，大幅度简化SERS基底制备的工艺流程，对设备要求低，有效降低成本，更有利于制备出的SERS基底的推广和应用。

其次，本发明通过调控生长液中氯金酸的浓度，生长液在基片表面作用时间，以及成膜次数，能够实现基底表面金纳米颗粒密度以及颗粒形貌的可调控，获得最优的组成配方，在降低成本，简化工艺的同时获得性能优良的SERS基片。

附图说明

图1为本发明表面增强拉曼散射基底的原位生长方法的流程图；

图2为本发明实施例4表面增强拉曼散射基底的扫描电子显微镜照片，金纳米颗粒大小为200 nm，其中（a）基底表面金纳米颗粒分布图（放大倍率为2K），（b）基底表面金纳米颗粒形貌（放大倍率为150K）；

图3为拉曼探针分子4-巯基苯甲酸（4-MBA）在本发明实施例1、实施例2和实施例3的表面增强拉曼散射基底上扫描得到的SERS光谱；

图4为本发明实施例4表面增强拉曼散射基底用于检测农药地虫硫磷得到的SERS谱，图上线条从上到下的浓度依次为100 μg/ml-50 μg/ml-20 μg/ml-10 μg/ml-2 μg/ml-1μg/ml-空白基底。

具体实施方式

下述实施例中所用到的材料试剂等，如无特殊说明，均来自商业途径。

实施例1

一种表面增强拉曼散射基底，在经过清洗和表面电荷修饰处理的基片上原位生长单层，所述基片为硅片，所述单层材料为金纳米颗粒，且颗粒的分布密度为1.44-4.77个/μm²。

上述表面增强拉曼散射（SERS）基底的原位生长方法，包括以下步骤：

步骤1，配制质量分数30％的过氧化氢和质量分数98％浓硫酸的第一混合液，质量分数28%氨水和质量分数30％过氧化氢的第二混合液，质量分数37%浓盐酸和质量分数30％过氧化氢的第三混合液，其中，步骤1中所述第一混合液中质量分数98％的浓硫酸和质量分数30％过氧化氢的体积比为3:1；所述第二混合液中去离子水、质量分数28%氨水和质量分数30％过氧化氢的体积比为5:1:1；所述第三混合液中去离子水、质量分数30％过氧化氢和质量分数37%盐酸的体积比为5:2:1；

步骤2，所述氨基硅烷化试剂乙醇溶液的溶质为中3-氨丙基三乙氧基硅烷，且质量分数为9.8％，4-苯乙烯磺酸脂钠溶液的质量分数为3％和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的质量分数为2%；

步骤3，量取0.5 ml 摩尔浓度为30mM氯金酸，5 ml 摩尔浓度200 mM十六烷基三甲基氯化铵以及 0.25 ml 摩尔浓度0.3 M抗坏血酸配制金纳米颗粒生长液；

步骤4，将基片依次浸入第一混合液、第二混合液和第三混合液中，分别煮沸15min；

步骤5，将经步骤4处理后的基片依次浸入氨基硅烷化试剂乙醇溶液、4-苯乙烯磺酸脂钠水溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液进行修饰，其中在氨基硅烷化试剂乙醇溶液中过夜处理，在4-苯乙烯磺酸脂钠溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中处理至少1.5h；

步骤6，在湿盒中将10μl金纳米颗粒生长液滴在基片上，再将湿盒放入4℃中静置生长15 h后去离子水洗净，氮气吹干得表面增强拉曼散射基底。

实施例2

步骤1-6同实施例1相同，步骤7重复1次成膜。

实施例3

步骤1-6同实施例1相同，步骤7重复2次成膜。

实施例4

步骤1-6同实施例1相同，步骤7重复3次成膜。

实施例5

步骤1-5，步骤7同实施例1相同，实施例5静置生长时间5 h。

实施例6

步骤1-5，步骤7同实施例1相同，实施例5静置生长时间10 h。

实施例7

步骤1-2和步骤4-7同实施例1，实施例3中氯金酸的浓度为10 mM。

实施例8

步骤1-2和步骤4-7同实施例1，实施例3中氯金酸的浓度为40 mM。

实施例9

步骤1-2和步骤4-7同实施例1，实施例3中氯金酸的浓度为20 mM。

性能测试

将摩尔浓度为1 mM的4-MBA溶液滴加到本发明所制备得基底上，待其干燥后放入EZRaman-M 进行拉曼表征。光谱仪选择785 nm的激发波长，激光能量选择30 mW，采集时间为10 s 结果如图3所示。

当氯金酸的摩尔浓度为10mM时，单次成膜实验的时间从5 h增长到 20h的过程中，基底表面颗粒密度从 0.72-1.04-1.34-1.42个/μm²，从 5h-15h 增长明显，15h以后增长非常小，因此选择 15h 为单次实验时间。当静止生长为15h，氯金酸摩尔浓度为10mM时，成膜实验的次数从一次到四次的过程中表面颗粒密度从1.33-2.42-3.89-5.13个/μm²，但四次成膜情况下已经难以满足单层成膜。因此，后续实验选择三次成膜，相应的SERS表征见图3所示。

当氯金酸摩尔浓度从10mM提升到40mM的过程中，表面颗粒密度依次为3.89个/μm²，4.10个/μm²，4.28个/μm²，4.86个/μm²，SERS测试结果方面，在 1065 cm^-1处的峰值按照29448（10mM)-37861(20mM)-73389(30mM)-74190(40mM)的规律变化，因此综合考虑氯金酸浓度取 30mM。

Claims

1.一种表面增强拉曼散射基底，其特征在于：在经过清洗和表面电荷修饰处理的基片上原位生长单层膜，所述单层膜的材料为金纳米颗粒，且金纳米颗粒的分布密度为1.44-4.77个/μm²；制备方法包括以下步骤：步骤1，配制过氧化氢和浓硫酸的第一混合液，氨水和过氧化氢的第二混合液，浓盐酸和过氧化氢的第三混合液；步骤2，配制氨基硅烷化试剂乙醇溶液，4-苯乙烯磺酸脂钠水溶液，聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液；步骤3，量取0.5ml摩尔浓度为10mM-40mM氯金酸，5ml摩尔浓度200mM十六烷基三甲基氯化铵以及0.25ml摩尔浓度0.3M抗坏血酸配制金纳米颗粒生长液；步骤4，将基片依次浸入第一混合液、第二混合液和第三混合液中，分别煮沸10-20min；步骤5，将经步骤4处理后的基片依次浸入氨基硅烷化试剂乙醇溶液、4-苯乙烯磺酸脂钠水溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液进行修饰，其中在氨基硅烷化试剂乙醇溶液中过夜处理，在4-苯乙烯磺酸脂钠溶液和聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液中处理至少1.5h；步骤6，在湿盒中将金纳米颗粒生长液滴在基片上，湿盒在4℃中静置生长5 -20h后用去离子水冲洗多余的金纳米颗粒生长液，氮气吹干，得表面增强拉曼散射基底成品。

2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：所述金纳米颗粒形状为球状或花状，颗粒大小为151-511nm。

3.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：所述基片为硅片或玻璃片。

4.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：步骤1中所述第一混合液中，浓硫酸的质量分数为98％，过氧化氢的质量分数为30％，两者的体积比为3:1；所述第二混合液中，过氧化氢的质量分数为30％，氨水的质量分数为28%，去离子水、氨水和过氧化氢的体积比为5:1:1；所述第三混合液中，过氧化氢的质量分数为30％，去离子水、过氧化氢和浓盐酸的体积比为5:2:1。

5.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：步骤2中，所述氨基硅烷化试剂为3-氨丙基三乙氧基硅烷，且溶液的质量分数为9.8％；4-苯乙烯磺酸脂钠溶液的质量分数为3％，聚二烯丙基二甲基氯化铵溶液的质量分数为2%。

6.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：步骤3中，金纳米颗粒的形状为球状或花状。

7.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于：重复步骤6的操作1-3次得表面增强拉曼散射基底。