CN106770165A - 基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底及其制备方法 - Google Patents

基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的具有纳米孔中包含银纳米粒子复合结构的表面增强拉曼基底及其制备方法，属于表面增强拉曼基底技术领域。本发明涉及到掩模刻蚀方法、物理气相沉积方法以及一些组织方面的方法。操作简便，过程低耗清洁，可控性高。由于金纳米二维孔中银纳米粒子的存在，使得结构在表面增强拉曼上有着潜在的应用前景，并且银纳米粒子的生长程度是可控的，这样我们就可以通过控制光照时间的长短，调节拉曼信号的强度。除了制备这样一种拉曼信号强度可控的复合结构以外，更重要的是这种利用表面等离子体共振在光激发下场的增强来实现化学反应的诱导，是一种新的理念，将会在以后的化学合成及制备中有着很高的应用价值。

Description

基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基 底及其制备方法
技术领域
本发明属于表面增强拉曼基底技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的具有纳米孔中包含银纳米粒子复合结构的表面增强拉曼基底及其制备方法。
背景方法
表面等离子体是电磁辐射在金属—电介质界面激发的传导电子在金属表面的相干振荡。随着对光—金属相互作用的研究逐渐深入，形成了一个被称之为“表面等离子体基元学”(Plasmonics)的新领域[1-3]。其在光学传感、生物监测、太阳能电池等方面有着广泛的应用[4-6]。众所周知，化学反应与电子的转移是分不开的，而等离子体共振恰好又能在光或者电磁波的辐射下在共振区域内形成一个特定的场的增强，提高电子的转移能力[7]，这样便会形成一个区域性的反应场所。
近些年来，胶体刻蚀的出现极大程度上推动了微纳结构制备工艺的发展，各种具有表面等离子体共振的微纳结构不断地涌现[8]，这些结构在传统光电、传感及生物监测等领域发挥重要作用，同时，我们也注意到，共振的本质与化学反应的相互联系。这里，我们将从等离子体共振的本质出发，利用其共振区域内场的增强，到达等离子体共振诱导反应，并将其用在表面增强拉曼基底的制备当中。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用表面等离子体共振作为诱导手段，诱导化学反应位置选择性进行的方法，并在此基础上，依托于金纳米孔这种具体的简单结构制备银纳米粒子分布面积与数目可控、具有显著表面增强拉曼效果的金纳米孔中包含银纳米粒子复合结构的的表面增强拉曼基底及其制备方法。
本方法涉及到掩模刻蚀方法、物理气相沉积方法以及一些组装方面的方法。整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。通过调控刻蚀时间和物理气象沉积的时间，制备出具有一定厚度的周期性排列的纳米孔膜，然后利用光激发下共振区域场的增强效应，进行硝酸银的催化还原，在共振区域内，定域生成银纳米粒子，这种纳米孔与银纳米粒子复合结构在表面增强拉曼上有显著的效果。此处金纳米孔仅仅作为一种实验实施的具体结构，事实上，这种方法适用于各种具有表面等离子体的微纳结构。
本发明所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其步骤如下：
1)制备亲水处理过的基底；
2)在1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～10000rpm转速下离心3～5分钟，在离心后得到的固态物中加入1～3mL去离子水并再次进行离心；重复加入去离子水和离心过程4～7次；在离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水混合液，在4000～10000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水混合液和离心过程4～20次，在最后离心得到的固态物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，从而得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；用一次性注射器吸取0.1～0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球在空气-去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使聚苯乙烯微球彼此紧密排列；将亲水处理过的基底从单层聚苯乙烯微球底部将紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于倾斜面上自然干燥，从而在基底上得到二维有序的单层聚苯乙烯微球阵列；
3)将步骤2)制得的基底置于反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度为10～20℃，氧气流速为10～50sccm，刻蚀功率为30～200W的条件下，刻蚀100～500秒；在这个过程中，单层聚苯乙烯微球被刻蚀，体积逐渐变小；然后将刻蚀过的基底放置在真空蒸发镀膜设备的样品台上，在5×10-4～1×10-3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属金，沉积速度为0.5～2沉积金膜的厚度为20～100nm；
4)将步骤3)制得的基底浸泡在甲苯中，用超声机在40w～70w功率下超声除去聚苯乙烯微球，得到具有金二维有序纳米孔阵列的基底；
5)配置浓度为0.1mM～10mM的硝酸银水溶液，配置浓度为0.1～3M的柠檬酸钠水溶液；将步骤3)制得的具有金二维有序纳米孔阵列的基底放在硝酸银水溶液中，上方放置可见光源，用光照射，随后加入柠檬酸钠水溶液，柠檬酸钠水溶液与硝酸银水溶液的体积比为1：10～50，照射时间在15分钟～3小时，从而制备得到本发明所述的金纳米孔中包含不同数量银纳米粒子复合结构的基底；
步骤1)基底为平整的玻璃片、石英片、硅片等。
步骤2)中聚苯乙烯微球的直径为0.3～3μm，购买商业化产品。
本发明各个步骤操作简单，可控性强，在制备的金纳米孔与银纳米粒子的复合结构上接上p-ATP(对巯基苯胺)单分子层，作为拉曼检测信号的探针分子。
本发明所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底，其是由上述方法制备得到。
6)将0.0125～0.0250g p-ATP溶于乙醇中，配成浓度10-3～10-13M的乙醇溶液；
7)将步骤5)制得的基底浸泡于步骤6)制得的p-ATP的乙醇溶液中，5～15小时后，将样品取出，用乙醇冲洗并用氮气吹干，得到表面接有p-ATP单分子层拉曼探针分子的复合结构，随后用高分辨激光拉曼光谱仪对其进行拉曼信号增强的表征，可以得出，随着步骤5)中光照时间的增长金纳米孔中的银纳米粒子数量与分布面积随之上升，拉曼信号得到明显的增强；
8)将银纳米粒子生长状况相同的样品分别浸泡于浓度10-3～10-13M的拉曼探针分子p-ATP溶液中，5～15小时之后，将样品取出，用乙醇冲洗并用氮气吹干。得到表面接有不同数量p-ATP单分子层的样品，随后用高分辨激光拉曼光谱仪进行拉曼增强信号的表征，可以得出样品的检测限。
附图说明
图1为不同光照时间制备的金纳米孔与银粒子的复合结构的SEM照片，(A)-(H)的光照时间分别为0、15、30、45、60、75、90和120分钟，(A)中的比例尺为500nm，每张SEM照片的右上角小图为其对应的45°斜面照片；(I)为随光照时间延长，银纳米粒子在金纳米孔中生长状况过程的演示图，其中包括了银纳米粒子的数量、尺寸以及分布面积的变化。由电镜图我们可以看出，随着光照时间的增长，金纳米孔中的银纳米粒子的数量、尺寸以及分布面积都呈现增长趋势，且银纳米粒子生长的位置具有选择性即只在孔中生长。
图2为不同光照时间下得到的金纳米孔与银纳米粒子复合结构的反射光谱。其中从反射谱图中，我们可以看出，随着光照时间的增长，结构的反射峰峰值升高，即反射率上升，这与银纳米粒子的数量及分布面积的上升吻合。
图3(A)为不同光照时间下得到的具有金纳米孔与银纳米粒子复合结构的表面增强拉曼基底的拉曼谱图，随着光照时间的增长即银纳米粒子的数量及分布面积的上升，拉曼信号强度显著增强；其中左上角插图表示的是当拉曼位移在1077cm-1处时，拉曼信号强度随着光照时间增长的变化，我们可以定量得出当光照时间为90分钟时，拉曼信号较初始金纳米孔结构增强倍数达到70倍。(B)为光照时间90分钟的样品用作检测不同浓度p-ATP分子时得到的拉曼谱图，其中我们可以得出，我们制备的这种表面增强拉曼基底对p-ATP分子的检测限可以达到10-11M以上。
具体实施方式
实施例1：亲水玻璃片基底的制备
所用玻璃片用玻璃刀裁至2.5cm长，3.5cm宽大小，放入浓硫酸(质量分数98％)与过氧化氢(质量分数37％)的混合溶液(体积比为7：3)中水浴加热至80℃，保持5小时，即得到亲水玻璃片基底；将混合溶液倒入废液瓶中，得到的玻璃片用去离子水反复洗涤4次，并用氮气吹干。
实施例2：疏水聚苯乙烯微球的制备
在常温下，在1mL、5wt％、直径为700nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去离子水，在6000rpm转速下离心5分钟，吸取上层清液，在遗留下的固态物中再加入3mL去离子水并再次进行离心，此后重复加入去离子水并进行离心过程7次。在最后一次吸取上层清液之后，在固态物中加入1mL的乙醇和1mL去离子水，用6000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，然后在遗留的固态物中再加入相同的乙醇和去离子水的混合液并用相同的方法离心，此后重复此加入混合液并离心操作过程16次，在最后一次吸取上层清液后，在固态物中最后加入1mL乙醇和1mL去离子水，得到疏水的10wt％聚苯乙烯微球含量的乙醇和去离子水的分散液。
实施例3：六方紧密堆积的单层聚苯乙烯胶体晶体的制备
用一次性注射器吸取0.2mL实施例3制备的直径为700nm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇和水分散液，缓慢滴到盛有去离子水的培养皿的空气-去离子水的界面上，静置片刻，沿着培养皿一侧加入50μL浓度为10wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液，聚苯乙烯微球会随之形成六方紧密堆积的单层。以实施例1经过亲水处理的玻璃片为基底，伸入到水面以下，从紧密的单层微球下方缓慢向上提起，置于斜面自然干燥，从而在玻璃片上得到单层紧密堆积的聚苯乙烯胶体晶体。
实施例4：基于玻璃基底的金纳米孔膜的制备
将实施例3制备的样品放置在各向异性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为10mTorr，刻蚀温度20℃，氧气流速50sccm，刻蚀功率为200W的条件下，刻蚀240秒。在这个过程中，聚苯乙烯微球被刻蚀，体积减小，得到拥有非紧密堆积的聚苯乙烯微球阵列的玻璃基底。
将上述基底置于真空蒸发镀膜设备的样品台上，基底法线与沉积方向垂直，在5×10-4Pa的真空度下进行热蒸发沉积金，沉积速度为1沉积厚度为30nm；
将上述步骤所得基底浸泡于盛有20mL甲苯的扁型称量瓶中，用40w的功率进行超声除球30s，这样就在玻璃基底得到了的金纳米孔。
实施例5：基于等离子体共振诱导硝酸银还原制备具有金纳米孔与银纳米粒子复合结构的表面增强拉曼基底
将实施例4中制备的基于玻璃基底的金纳米孔结构面朝上，浸泡于100mL浓度为1mM的硝酸银溶液中，在样品正上方加一可见光源，随后加入6mL浓度为1M的柠檬酸钠溶液，开始计时。
分别取光照时间为0、15、30、45、60、75、90、120分钟的样品，这样就得到了金纳米孔中含有不同数量及分布面积的银纳米粒子的基底样品，且随着光照时间的增长，银纳米粒子的数量及分布面积逐步上升。
实施例6：不同光照时间下得到的复合结构的表面增强拉曼的测试
将不同光照时间的基底样品，浸泡于浓度为10-3M的p-ATP溶液中10小时，取出用乙醇冲洗3次并用氮气吹干，用高分辨激光拉曼光谱仪测不同光照时间样品的拉曼信号。由测试结果可得，随着光照时间的增长即银纳米粒子分布面积及数量的上升，基于此结构得到的p-ATP拉曼信号显著增强。
实施例7：基于制备的复合结构提升拉曼信号检测灵敏度的测试
取光照反应时间为90分钟的基底样品，分别浸泡于10-7、10-9、10-11和10-13M的p-ATP溶液中10小时，取出用乙醇冲洗3次并用氮气吹干，用高分辨拉曼激光光谱仪测不同p-ATP浓度下得到的拉曼信号的强度，找出其拉曼检测限。实验结果得出，光照反应为90分钟的复合结构基底对p-ATP分子的拉曼检测灵敏度可以达到10-11M。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的方法方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同改变与修饰，均落入本发明的保护范围内。
[1]Atwater,H.A.Sci.Am.2007,296,56.
[2]Ozbay,E.Science 2006,311,189.
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[8]Zhang G,Wang D.Chem Asian J 2009；4:236。

Claims (6)

1.一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其步骤如下：
1)制备亲水处理过的基底；
2)用一次性注射器吸取0.1～0.5mL疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，疏水聚苯乙烯微球在空气-去离子水的气液界面排列为单层，再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂使聚苯乙烯微球彼此紧密排列；将亲水处理过的基底从单层聚苯乙烯微球底部将紧密排列的疏水聚苯乙烯微球托起，放于倾斜面上自然干燥，从而在基底上得到二维有序的单层聚苯乙烯微球阵列；
3)将步骤2)制得的基底进行反应性等离子体刻蚀，在刻蚀过程中，单层聚苯乙烯微球被刻蚀，体积逐渐变小；然后将刻蚀过的基底在5×10-4～1×10-3Pa的真空度下进行热蒸发沉积金属金，沉积速度为沉积金膜的厚度为20～100nm；
4)将步骤3)制得的基底浸泡在甲苯中，用超声机在40～70w功率下超声除去聚苯乙烯微球，得到具有金二维有序纳米孔阵列的基底；
5)配置浓度为0.1mM～10mM的硝酸银水溶液，配置浓度为0.1M～3M的柠檬酸钠水溶液；将步骤3)制得的具有金二维有序纳米孔阵列的基底放在硝酸银水溶液中，上方放置可见光源，用光照射，随后加入柠檬酸钠水溶液，柠檬酸钠水溶液与硝酸银水溶液的体积比为1：10～50，照射时间在15分钟～3小时，从而制备得到金纳米孔中包含不同数量银纳米粒子复合结构的表面增强拉曼基底。
2.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：步骤1)中的基底为平整的玻璃片、石英片或硅片。
3.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：步骤2)是在1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～10000rpm转速下离心3～5分钟，在离心后得到的固态物中加入1～3mL去离子水并再次进行离心；重复加入去离子水和离心过程4～7次；在离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水混合液，在4000～10000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水混合液和离心过程4～20次，在最后离心得到的固态物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，从而得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液。
4.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：步骤2)中聚苯乙烯微球的直径为0.3～3μm。
5.如权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：步骤3)反应性等离子体刻蚀的刻蚀气压为5～10mTorr，刻蚀温度为10～20℃，氧气流速为10～50sccm，刻蚀功率为30～200W的条件下，刻蚀100～500秒。
6.一种基于表面等离子体共振诱导化学反应制备的表面增强拉曼基底，其特征在于：是由权利要求1～5任何一项所述方法制备得到。
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