CN107192701A - 一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用 - Google Patents

一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用，该基底包括基片，覆盖于基片表面的钛薄膜层，覆盖于钛薄膜层表面的银薄膜层，以及覆盖于银薄膜层表面的银纳米棒阵列层，且银纳米棒与玻璃片表面的夹角为86°；通过清洗基片、制备钛、银薄膜层制备银纳米棒阵列层等步骤制得，用于人工合成色素的检测，尤其适用于食品安全问题的现场快速检测。

Description

一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底及其制备方 法和应用
技术领域
本发明涉及一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法，以及基于该基底的人工合成色素检测的应用，属食品安全检测技术领域。
背景技术
如今，农药、食品添加剂的过量添加与残留严重威胁着人们的食品安全。其中：人工合成色素作为目前最广泛的食品添加剂，其添加不透明、不规范、不合法现象极为严重，许多制造商为了使食物外观更加诱人，添加过量人工合成色素获取利润。现有的检测方法普遍存在样品前处理过程复杂、检测费用昂贵、检测时间较长和相对误差较大等问题，对检测使用广泛的食品添加剂存在着无法在线实时监测、易受外界环境影响等问题。
目前，表面增强拉曼光谱技术作为一种高灵敏的检测技术，其扩展了表面振动光谱，为大量的化学检测问题提供了可能性的解决办法。表面增强拉曼效应的基本原理主要分为化学增强机理与电磁增强机理。物理增强主要由于外加电场使金属表面等离子体共振引起表面局域电场增强而产生拉曼信号的增强；化学增强往往通过电荷转移，粗糙金属表面吸附分子后分子的极化率产生变化，若分析吸附于金属纳米离子表面时，就会产生较强的等离子体共振，从而增强了拉曼散射信号。
在检测的实际应用中，对理想的SERS基板具有较高的要求，如：增强性能高，可重复性好，统一性强，寿命稳定，制造简单，成本低。而目前SERS基底大多是通过复杂制备条件的物理或化学方法形成的，如利用贵金属溶胶-凝胶法、纳米小球排布法、电化学腐蚀法、电子束光刻法、模板法以及倾斜角沉积法等一些特殊制备纳米材料的方法能够得到满足条件的SERS活性基底。这些技术作为目前比较成熟的纳米结构制备方法，其普遍存在制备过程复杂、成本高、可重复性差等缺陷。并且，制备的SERS基底存在许多不可预知的SERS行为，只有少数基板通过已知的SERS增强设计机制。
因此，亟待研发出适用于食品安全实时监测的SERS基底，及如何进一步应用在人工合成色素的添加与残留的检测领域。
发明内容
针对上述现存的技术问题，本发明提供一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用，为食品安全问题的现场灵敏、便捷的检测提供新的技术手段。
本发明提供一种检测人工合成色素的表面增强拉曼散射基底，包括基片，基片为硅晶片或玻璃片；覆盖于基片表面的钛薄膜层，厚度为20 nm，作用为使后续蒸镀的金属材料能够与基片牢固结合；覆盖于钛薄膜层表面的银薄膜层，厚度为100 nm，作用为在表面形成不平整微小凸起，为后面倾斜生长纳米棒提供前期成核结构；以及覆盖于银薄膜层表面的银纳米棒阵列层，且银纳米棒与玻璃片表面的夹角为86°，进一步，银纳米棒的棒长为850-950 nm、直径为80-99 nm、棒间距为150-300 nm。
本基底选择钛金属主要因为钛可以很好的连接基片与银，使得生长在基片上的薄层与纳米结构不易脱落；选择银主要是由于银的表面增强拉曼效应最为显著，且金作为一种与银具有相当的表面增强拉曼散射效应金属，其成本过高，不利于推广。而银薄膜层与银纳米棒阵列层连接处会产生表面增强拉曼效应。
本发明又提供一种上述基底的制备方法，包括如下具体步骤：
A、清洗基片：先配制洗液清洗基片，进一步，洗液采用体积比为8:2的98%硫酸和30%双氧水的混合溶液，或者体积比为5:1:1的去离子水、过氧化氢、氢氧化铵的混合溶液。然后用二次去离子水冲洗干净，氮气吹干，固定在真空沉积室中。
B、制备钛、银薄膜层：为减少腔体中的颗粒，使金属靶材能够顺利从腔体底部自由向上蒸镀到腔体上部的样品台上，在压力小于1×10-6 Torr的真空沉积室中，通过电子束蒸发，在上步干净的基片上先以0.2nm/s的速度沉积钛薄膜层，速率太快会造成沉积不均匀，如果速率慢的情况下效率太低，再以0.3nm/s的速度沉积银薄膜层。
C、制备银纳米棒阵列层：采用倾斜角沉积技术，通过电子束蒸发，在上步银薄膜层表面以0.3nm/s的速度生长银纳米棒阵列层，且旋转基片使其法线与沉积方向夹角为86°，使得基底表面形成棒状结构。
上述倾斜角沉积技术是在一定的沉积条件下利用传统的物理气相沉积技术控制表面纳米结构的生长，其控制生长的主要机制有阴影效应和表面扩散效应，倾斜角度大于75°。倾斜角沉积法作为倾斜排列的高灵敏度银纳米棒阵列SERS基底的方法，在沉积过程中因蒸发镀膜具有对材料无约束、控制准确简便的优势；同时，该技术满足对基底制作的高效要求，且生产设备与条件简单，可扩展到基底的大批量生产。
与其他纳米结构制备技术相比，该倾斜角沉积技术具有可用靶材范围宽、沉积速度快、真空度高等优点，其使用的设备与部件具有污染小、效率高等优势，制备出的薄膜纯度非常高，并且可以在设备中实现多种材料的混合及多层镀膜，且成本低，能够进行大规模生产的优点，在诸多领域有着较好的适用性。研究表明，该方法生产的银纳米棒阵列基板表现出优异的SERS增强效果，在785nm波长的激发光照射下，其增强因子约为108。目前生产出的基底重复度高，同一批次不同基底的SERS强度变化不到10%，不同批次基底的SERS强度变化不到15%。
本发明另提供上述基底检测人工合成色素的应用。在室温条件下，将人工合成色素样品滴加到上述基底表面，选取样品上任意多个位置，利用便携式拉曼光谱仪进行检测，检测条件为激光功率30-100mW，积分时间为1-10s，光谱探测范围350-1800cm-1，检测结果为多个样品点的平均光谱。
综上所述，本发明倾斜角沉积法制备的SERS基底具有制备过程相对简单、灵敏度高、可修饰性强和极好的稳定性等优势，可大规模生产并用于在生化传感器、环境监测、疾病诊断和治疗、食品安全控制等领域。尤其适用于突发性的食品安全问题快速、灵敏、在线、实时、现场的检测，检测成本低、检测速度快。
附图说明
图1为表面增强拉曼散射的基底的显微图片；
图2为实施例2中不同浓度人工合成色素苋菜红溶液的表面增强拉曼光谱图；
图3为实施例3中不同浓度人工合成色素日落黄溶液的表面增强拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明表面增强拉曼散射的基底，如图1所示，包括基片，如硅晶片或玻璃片，覆盖于基片表面的厚度为20nm的钛薄膜层，覆盖于钛薄膜层表面的厚度为100nm的银薄膜层，以及覆盖于银薄膜层表面的银纳米棒阵列层，银纳米棒的棒长为850-950 nm、直径为80-99nm、棒间距为150-300 nm，且银纳米棒与基片表面的夹角为86°。
实施例1：制备表面增强拉曼散射的基底。
A、清洗基片：先用体积比为8:2的98%硫酸和30%双氧水的混合溶液清洗基片，也可用70℃的体积比为5:1:1的去离子水、过氧化氢、氢氧化铵溶液清洗基片20min。然后用二次去离子水冲洗干净，氮气吹干，固定在真空沉积室中；
B、制备钛、银薄膜层：为减少腔体中的颗粒，使金属靶材能够顺利从腔体底部自由向上蒸镀到腔体上部的样品台上，在压力小于1×10-6 Torr的真空沉积室中，通过电子束蒸发，在上步干净的基片上，先以0.2nm/s的速度沉积厚度为20nm的钛薄膜层，让银薄膜层与硅晶片基底或玻璃片基底粘连牢固，再以0.3nm/s的速度沉积厚度为100nm的银薄膜层，目的是在表面形成不平整凸起，为后面倾斜生长银纳米棒提供前期结构。
C、制备银纳米棒阵列层：采用倾斜角沉积技术，通过电子束蒸发，在上步银薄膜表面以0.3nm/s的速度生长银纳米棒阵列，且旋转基片使其法线与沉积方向的最优夹角为86°，获得棒长为850-950 nm、直径为80-99 nm、棒间距为150-300 nm的银纳米棒阵列层。且在银薄膜层与银纳米棒阵列层连接处会产生表面增强拉曼效应。
实施例2：表面增强拉曼散射的基底检测人工合成色素苋菜红。
在室温条件下，取2μL不同浓度（1mg/L，5mg/L，10mg/L，20mg/L，30mg/L，50mg/L，80mg/L，100mg/L）的人工合成色素苋菜红溶液分别滴加到本基底表面。待自然风干后，选取基底上每种样品的任意9个位置，利用拉曼光谱仪对其进行检测。检测条件是光谱仪激光功率为100mW，扫描时间为1s。光谱探测范围350-1800cm-1，检测结果为9个样品点的平均光谱。
如图2所示，利用本基底检测到苋菜红溶液的最低浓度为1mg/L，可作为苋菜红的检出限。
实施例3：表面增强拉曼散射的基底检测人工合成色素日落黄。
取2μL不同浓度（1mg/L，5mg/L，10mg/L，20mg/L，30mg/L，50mg/L，80mg/L，100mg/L）的人工合成色素日落黄水溶液滴加到本基底表面。待自然风干后，选取基底上每种样品的任意9个位置，利用拉曼光谱仪对其进行检测。检测条件是光谱仪激光功率为100mW，扫描时间为10s。光谱探测范围350-1800cm-1，检测结果为9个样品点的平均光谱。
如图3所示，利用本基底检测到日落黄溶液的最低浓度为5mg/L，可作为日落黄的检出限。
此外，可用同样的方式检测柠檬黄、靛蓝、亮蓝等其他人工色素的浓度，但是根据便携式拉曼光谱仪的信号探测极限，对不同人工合成色素的检测需进行激光功率和积分时间的调整，见表1。
表1为检测不同人工合成色素时所需的激光功率和积分时间
苋菜红 日落黄 柠檬黄 靛蓝 亮蓝
100 mW 100 mW 100 mW 30 mW 30 mW
1 s 10 s 10 s 1 s 1 s
综上可知，本表面增强拉曼散射的基底具有可重复性强、可大规模生产等优点，适用于人工合成色素的检测，且灵敏度高，适用于现场快速检测，检出限低，增强效果显著。

Claims (8)

1.一种检测人工合成色素的的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，包括基片，覆盖于基片表面的钛薄膜层，覆盖于钛薄膜层表面的银薄膜层，以及覆盖于银薄膜层表面的银纳米棒阵列层，且银纳米棒与玻璃片表面的夹角为86°。
2.根据权利要求1所述的基底，其特征在于，所述的银纳米棒的棒长为850-950 nm、直径为80-99 nm、棒间距为150-300 nm。
3.根据权利要求1或2所述的基底，其特征在于，所述的基片为硅晶片或玻璃片。
4.根据权利要求1或2所述的基底，其特征在于，所述的钛薄膜层的厚度为20 nm。
5.根据权利要求1或2所述的基底，其特征在于，所述的银薄膜层的厚度为100 nm。
6.一种根据权利要求1-5任一所述基底的制备方法，其特征在于，包括如下具体步骤：
A、清洗基片：先配制洗液清洗基片，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干，固定在真空沉积室中；
B、制备钛、银薄膜层：在压力小于1×10-6 Torr的真空沉积室中，通过电子束蒸发，在上步干净的基片上，先以0.2nm/s的速度沉积钛薄膜层，再以0.3nm/s的速度沉积银薄膜层；
C、制备银纳米棒阵列层：采用倾斜角沉积技术，通过电子束蒸发，在上步银薄膜层表面以0.3nm/s的速度生长银纳米棒阵列层，且旋转基片使其法线与沉积方向夹角为86°。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述的洗液采用体积比为8:2的98%硫酸和30%双氧水的混合溶液，或者体积比为5:1:1的去离子水、过氧化氢、氢氧化铵的混合溶液。
8.一种根据权利要求1-5任一所述基底检测人工合成色素的应用，其特征在于，包括如下具体步骤：在室温条件下，将人工合成色素样品滴加到上述基底表面，选取上述样品上任意多个位置，利用便携式拉曼光谱仪进行检测，检测条件为激光功率30-100mW，积分时间为1-10s，光谱探测范围350-1800cm-1，检测结果为多个样品点的平均光谱。
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