CN105044076A - 一种背面检测式表面增强拉曼散射芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种背面检测式有序结构银纳米冠阵列SERS芯片及其制备方法，属于表面增强拉曼散射(SERS)技术领域。该SERS芯片为聚合物-金属复合材料。用聚合物复制阳极氧化铝模板(AAO)结构，获得具有与AAO表面结构互补的聚合物冠状阵列。在聚合物冠状阵列表面再构筑一层具有SERS活性的贵金属层，形成SERS芯片。由于这种制作工艺及选用的芯片材料，使芯片两侧具有不同的介质材料和表面粗糙度，我们通过实验和理论模拟都证明了该芯片必须采用背面检测的方式才能更有效的激发表面等离子体并发生耦合，得到更强的SERS信号。

Description

一种背面检测式表面增强拉曼散射芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于表面增强拉曼散射(SERS)技术领域，具体涉及一种背面检测式有序结构银纳米冠阵列SERS芯片及其制备方法。该芯片的有序结构、制作工艺及所选用的芯片材料使其具有适合于背面检测方式的特性，并通过背面检测方式提高芯片的灵敏度。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy,SERS)因其高灵敏度、检测条件温和、指纹识别等优点，成为现代分子光谱技术中的重要组成部分，并在生物、医学、化学及工业领域有着广泛的应用。为了快速、准确的获得优质的检测信号，SERS基底及芯片成为人们关注的重点。

在SERS检测过程中，主要包括激光激发、微纳结构电磁场增强及信号的收集三个过程。目前，对SERS芯片的研究主要集中在提高微纳结构电磁场增强方面。常见的SERS芯片通过构筑粗糙的微纳表面或进行表面修饰实现高倍数的电磁场增强以提高芯片灵敏度。但在SERS检测过程中往往忽略了对芯片检测方式的优化，即芯片的表面等离子体激发和信号收集过程。

现有的商业化SERS芯片(例如雷尼绍公司的KlariteSERS检测芯片，以及Silmeco公司的硅柱阵列SERS芯片)所采用的检测方式均为正面检测，即将待测样品滴加到具有微纳结构的金属层后，激发光从被测样品所在表面入射，金属的表面等离子体被激发，使金属表面的局域电磁场得到增强并与样品相互作用，从而使拉曼散射得到增强。这种SERS检测芯片将微纳结构造成的电磁场增强作为主要关注点，目的在于提高检测灵敏度。通常的SERS检测芯片不考虑从背面激发和检测的可能性，也没有从背面检测方式出发对灵敏度进行优化，只能满足常规的检测需求，对于特殊的检测平台(SERS芯片与倒置显微拉曼光谱仪、光纤、波导结构耦合)则无法适用。

针对上述特殊的检测需求，则需要一种具有特定微纳结构的SERS芯片，使其能够以背面激发和检测的方式使用并获得高SERS活性，实现高灵敏度检测。背面检测方式是将待测样品滴加在特定微纳结构的金属层表面后，激光由芯片背面入射，即先透过介质层，再对金属层和被测样品进行激发，并在背面对SERS信号进行采集。正面检测与背面检测的区别就在于两种检测方式下，激光入射方向相反。背面检测方式拓宽了SERS芯片的适用范围。

发明内容

本发明涉及一种背面检测式超灵敏SERS芯片，根据该芯片的制作工艺和特殊结构，采用特定的背面检测和收集散射信号的方式获得更强的拉曼信号，实现超灵敏检测。

该SERS芯片为聚合物-金属复合材料。用聚合物复制阳极氧化铝模板(AAO)结构，获得具有与AAO表面结构互补的聚合物冠状阵列。在聚合物冠状阵列表面再构筑一层具有SERS活性的贵金属层，形成SERS芯片。由于这种制作工艺及选用的芯片材料，使芯片两侧具有不同的介质材料和表面粗糙度，我们通过实验和理论模拟(在实施例部分进行详细说明)都证明了该芯片必须采用背面检测的方式才能更有效的激发表面等离子体并发生耦合，得到更强的SERS信号。

为了实现以上目的，本发明所采用的技术方案是以阳极氧化铝为模板制备一种背面检测式超灵敏SERS芯片，具体步骤如下：

(1)以二氯甲烷为溶剂，将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)配制成质量分数为1.8％～2.2％的聚合物溶液；然后将其悬涂在具有有序结构的AAO模板表面(AAO模板可采用孔径为100nm～300nm的六方密堆积有序结构，或采用周期间距为500nm的复合有序周期结构，其中，复合有序周期结构的周期单元由中心孔道及周围六个孔道组成，周期单元间以六方密堆积形式排列)，转速为1400rmp/min～1700rmp/min，每次悬涂20s～25s，共悬涂5～8次，使聚合物渗透到AAO模板表面的孔道内，再将AAO模板在130℃～170℃下加热固化30min～40min，得到厚度为0.2～0.4mm的透明聚合物层。

(2)将步骤(1)所得的带有聚合物层的AAO模板浸泡在浓度为0.7M～1.0M的氢氧化钠溶液中，时间为15min～20min，除去AAO模板，得到聚合物纳米冠状阵列；

(3)利用蒸发镀膜的方法将具有表面增强活性的金属(金、银、铜、铂等)沉积在聚合物纳米冠阵列上，金属层沉积厚度为15～25nm，所得即为聚合物-金属复合的有序纳米冠阵列SERS基底；

(4)将步骤(3)所得有序纳米冠阵列SERS基底负载在石英片上，即得到背面检测式SERS芯片，石英片及SERS芯片的尺寸可根据实际需要进行调整。

本发明的特点在于制备了一种背面检测式超灵敏SERS芯片。由于该芯片采用蒸发镀膜的方法制备贵金属纳米冠阵列，在制备贵金属纳米冠阵列的同时在聚合物纳米冠间隙处引入贵金属纳米粒子，使得SERS芯片两侧粗糙度产生极大差异，针对该芯片所特有的三维结构及所选芯片材料，只有背面检测的方式才能够获得更高的灵敏度。

与现有的正面检测式芯片相比，本发明的优点在于：

1、对于特定微纳结构的SERS芯片，背面检测方式的灵敏度高于正面检测方式(根据实施例1，背面检测方式所得强度是正面检测方式所得强度的1.4倍。)。对SERS检测过程中激光激发和信号收集这两个过程进行了优化。可对痕量待测物进行准确的检测，提高样品的检出限。

2、对于需要实时监测的反应过程，可在芯片正面进行反应，同时在背面进行原位的实时检测，避免了在芯片同一侧反应和检测的复杂装置，也可保证反应过程所得原位光谱的准确性。

3、背面检测SERS芯片可与倒置的拉曼光谱仪复合，使液体样品的加样过程更加便捷，样品不易流失，具有更广泛的适用性。

4、背面检测SERS芯片可与光纤复合，形成具有增强效果的光纤探头，使SERS光谱真正的走出实验室，面向现场实时检测。

5、背面检测SERS芯片采用聚合物与金属的复合材料，可直接作为微流控通道的一部分，将SERS增强基底与微流控通道一体化，可在通道内任意位置进行检测，而无需在通道内附加SERS增强区域，避免了样品流动过程中对增强基底位置的影响。

附图说明

图1：实施例1制备的SERS芯片的光学照片；

在石英片(1.5cm×4.5cm)一侧负载三个相同的SERS基底(尺寸为0.5cm×0.5cm)，基底表面呈蓝紫色半透明状。在检测过程中，激光从石英片的另一侧入射，即由背面进行SERS信号的激发和收集。

图2：实施例1制备的复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底的扫描电子显微镜照片；

图3：复合有序周期银纳米冠阵列截面及测量示意图；

各部分名称为：银纳米冠阵列1、位于银纳米冠阵列间的银纳米粒子2、待测样品3、聚合物冠状阵列4、聚合物基底5、入射激光6、激光探头7；

图4：为实施例2中复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底对4-巯基吡啶的表面增强拉曼光谱图。将5.0μL浓度为1.0×10^-4M的4-巯基吡啶水溶液滴加在芯片表面，分别以正面检测(曲线1)和背面检测(曲线2)的方式采集其表面增强拉曼光谱图。激发光波长为532nm，积分时间10秒。

图5：为实施例3中复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底对福美双的表面增强拉曼光谱图。将5.0μL浓度为1.0×10^-12M的福美双乙醇溶液滴加在芯片表面，以背面检测的方式采集其表面增强拉曼光谱图。激发光波长为532nm，积分时间10秒。

图6：为实施例4中采用时域有限差分法(FDTD)对正面检测和背面检测两种方式下的电磁场增强进行模拟。模拟过程所用模型参数与图2中SERS基底结构参数一致。

具体实施方式

实施例1：一种背面检测式SERS芯片的制备方法，方法步骤如下，

(1)将0.6g聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶解在20mL二氯甲烷中形成PMMA溶液。在1500rmp/min转速下，将溶液悬涂在复合周期阳极氧化铝(AAO，周期间距500nm，周期单元内中心孔的孔径为90nm，周期单元内周围六个孔的孔径为170nm)模板表面，AAO模板尺寸为1.5cm×1cm，悬涂时间20s，重复悬涂6次。将所得样品放置在130℃的热台上，加热固化30min，得到厚度为0.3mm的透明聚合物层。

(2)将步骤(1)所得样品放置在1.0M氢氧化钠水溶液中15min以除去AAO模板，得到PMMA复合有序周期纳米冠阵列。

(3)利用真空蒸发镀膜的方法将金属银沉积在PMMA纳米冠阵列上，沉积速度为0.2nm/s，压力小于2.0×10^-3Pa，沉积厚度为20nm，得到聚合物-贵金属的复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底。

(4)将步骤(3)所得SERS基底裁剪成5mm×5mm大小，再采用光敏胶将其负载在石英片(1.5cm×4.5cm)上，得到片载式背面检测SERS芯片。

采用扫描电子显微镜(SEM,HITACHISU8020)对实施例1中得到的复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底的形貌进行观察，得到图2，在图2中，复合有序周期银纳米冠与AAO模板孔道呈互补结构，且其结构单元由中心纳米冠(直径为100nm)和边缘六个纳米冠(直径为190nm)共同组成，纳米冠间的间隙约为10nm，构成高密度的“热点”结构，各结构单元间以六方密堆积形式周期排列。

本发明提出一种背面检测超灵敏SERS芯片。该发明的特点主要有：1、该SERS芯片采用背面检测方式。这种背面检测方式相对于传统的正面检测方式有更高的灵敏度。2、该SERS芯片由聚合物-贵金属复合材料制成，由于蒸镀工艺在纳米冠间隙处引入了纳米粒子(见附图3)，造成金属与聚合物界面处的粗糙度增大，使背面检测方式可以更有效的激发表面等离子体。3、背面检测方式突破了以往SERS芯片的应用范围，既可满足常规的SERS检测要求，又可与特殊的检测样品、体系及光学设备相匹配。

实施例2：

对实施例1中获得的SERS芯片分别采用正面检测和背面检测两种方式进行测试。选用4-巯基吡啶(分子式为C₆H₇N₃O)为探针分子。将5.0μL1.0×10^-4M4-巯基吡啶的水溶液滴加在芯片表面，待样品完全干燥后，采用光纤便携式拉曼光谱仪(B&WTekInc.)进行检测。激光波长为532nm，激光功率3.2mW，积分时间10s。正面检测时，激光从芯片正面入射。背面检测时，激光从芯片背面入射。两种方式下获取的4-巯基吡啶SERS谱图如附图4所示。其中，背面检测获得的SERS信号(曲线2)强度明显高于正面检测获得的SERS信号(曲线1)强度。

实施例3：

对实施例1中获得的背面检测SERS芯片进行应用，利用芯片的复合有序周期银纳米冠阵列SERS基底实现超灵敏检测。选用农药福美双(分子式为C₄H₉N₂S₄)为待测样品，将5.0μL1.0×10^-12M福美双的乙醇溶液滴加在芯片表面，待样品完全干燥后，采用光纤便携式拉曼光谱仪(B&WTekInc.)进行检测。激光从芯片背面入射，激光波长为532nm，激光功率3.2mW，积分时间10s，获取福美双的SERS谱图(见附图5)。该芯片可获得微量农药的表面增强拉曼光谱，为超灵敏SERS芯片，具有实际应用价值。

实施例4：

根据实施例1中获得的SERS芯片结构参数，采用时域有限差分法(FDTD)对正面检测和背面检测两种方式下的电磁场增强进行模拟。

根据附图2所示的芯片微纳结构，在FDTD中建立的模型参数为：周期间距500nm并以六方密堆积排列，每个周期单元由中心纳米冠(直径为100nm)和边缘六个纳米冠(直径为190nm)共同组成，纳米冠间的间隙约为10nm。入射激光分别从正面和背面两个方向入射，得到电磁场分布图(见附图6)，其中，图6(a)为正面检测方式的电磁场分布图，图6(b)为背面检测方式的电磁场分布图，标尺表示电磁场的增强程度。可以看出背面检测方式具有更强的电磁场增强，能更有效的激发表面等离子体并发生耦合，即背面检测方式较正面检测方式有更高的灵敏度。

Claims (5)

1.一种背面检测式超灵敏SERS芯片的制备方法，其步骤如下：

(1)以二氯甲烷为溶剂，将聚甲基丙烯酸甲酯PMMA配制成质量分数为1.8％～2.2％的聚合物溶液；然后将其悬涂在具有有序结构的AAO模板表面，转速为1400rmp/min～1700rmp/min，每次悬涂20s～25s，共悬涂5～8次，使聚合物渗透到AAO模板表面的孔道内，再将AAO模板在130℃～170℃下加热固化30min～40min，得到厚度为0.2～0.4mm的聚合物层；

(2)将步骤(1)所得的带有聚合物层的AAO模板浸泡在浓度为0.7M～1.0M的氢氧化钠溶液中，时间为15min～20min，除去AAO模板，得到聚合物纳米冠状阵列；

(3)利用蒸发镀膜的方法将具有表面增强活性的金属沉积在聚合物纳米冠阵列上，金属层沉积厚度为15～25nm，所得即为聚合物-金属复合的有序纳米冠阵列SERS基底；

(4)将步骤(3)所得有序纳米冠阵列SERS基底负载在石英片上，即得到背面检测式SERS芯片。

2.如权利要求1所述的一种背面检测式超灵敏SERS芯片的制备方法，其特征在于：AAO模板可采用孔径为100nm～300nm的六方密堆积有序结构，或采用周期间距为500nm的复合有序周期结构，其中，复合有序周期结构的周期单元由中心孔道及周围六个孔道组成，周期单元间以六方密堆积形式排列。

3.如权利要求1所述的一种背面检测式超灵敏SERS芯片的制备方法，其特征在于：具有表面增强活性的金属为金、银、铜或铂。

4.一种背面检测式超灵敏SERS芯片，其特征在于：由权利要求1～3之一所述的方法制备得到。

5.如权利要求4所述的一种背面检测式超灵敏SERS芯片，其特征在于：该芯片采用背面激发和信号收集的方式进行拉曼光谱的检测。