CN108007918A - 一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼检测芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，由两部分组成：一部分是疏水基底；另一部分是壳层隔绝纳米粒子，壳层隔绝纳米粒子堆积构成三维热点结构。此芯片用于拉曼光谱的检测，相对于传统的二维SERS基底或者纯金属基底来说，对进入热点的物质具有更高的增强效果，极大增加拉曼的检出限，并且由于惰性壳层的存在，保证了纳米粒子更加稳定，不会被外界环境破坏，更不会与待测物发生反应而影响检测结果，保证了检测的准确性和稳定性。另外，也延长了该基底的保存时间，无需苛刻的保存条件，更具有普通商品的特性，更有利于该芯片的使用、保存、流通。
Description
技术领域
本发明涉及高灵敏、高稳定性的基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片。
背景技术
社会经济的迅速发展也带来了多方面的环境问题。不断产生的各种污染物（氰化物、多环芳径和重金属离子等），严重危害人民的健康与日常生活。随着人们生活水平的日益提高，健康、环保越来越受到重视。因此，国家、企业、研究机构出台了各种行业、领域和物质的检测标准，以及市场的准入机制。各种危险物质的常规检测方法（如色谱、质谱等），需要复杂样品前处理过程，且操作繁琐、设备昂贵，无法现场快速监测。因此，这些物质的快速准确检测技术一直是一大难题。
拉曼光谱是具有指纹识别功能的分子光谱技术，可在毫秒范围内实现样品无损伤的定性定量分析。但相比于质谱等传统检测方法而言，普通拉曼光谱检测灵敏度低，且不适用于复杂体系。表面增强拉曼光谱利用金银纳米结构表面的电磁场，可以百万倍地增强附近分子的拉曼信号，从而实现物质的痕量检测（甚至达到单分子水平）。此外便携式拉曼光谱仪具有便于携带、操作简单、野外实时检测等特点，测试样品不需要特殊的前处理和制样工作，但受制于灵敏度而较难应用于实际生活。
但其检测灵敏度低，仅限于对高浓度的物质进行分析。表面增强拉曼光谱（SERS）利用金银纳米材料所独具的电磁场增强效应，可将待测物的信号放大数百万倍，实现了拉曼光谱对痕量目标物的高灵敏检测。其检测灵敏度可以达到单分子水平，克服了拉曼光谱检测灵敏度低的问题。由于其极高的表面灵敏度，表面增强拉曼光谱在表面化学、分析化学、电化学、生物化学和材料学等领域得到了广泛的应用。目前主要局限来源于，纳米粒子和检测基底的不均匀性，重现性不高，导致它通常只用于作定性分析，很难进行定量分析。因此 SERS 能否走向实际应用，关键是得到高增强、均匀、稳定的基底。
随着制备高性能、均一稳定的SERS纳米衬底技术不断成熟与发展，便携式拉曼光谱仪必将结合表面增强拉曼光谱技术，实现快速现场痕量检测。但到目前为止，还很难获得高性能、重现性稳定的SERS纳米基底。例如Renishaw公司的Klarite型商用SERS芯片，利用离子束刻蚀技术在硅基底表面刻蚀出倒金字塔形状的三维光子晶体，然后在硅基底镀上一定厚度的金，形成了金的三维倒金字塔周期结构。但这种芯片的制备过程周期较长，且离子束刻蚀、溅射镀金技术等都非常昂贵且复杂，因此芯片的制备成本很高，为便携式表面增强拉曼检测技术的广泛推广带来了困难。
发明内容
为了有效解决上述难题，本发明的目的在于提供一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，以低成本制造适合商业化的、均匀的拉曼光谱增强基底，并用于拉曼定量检测。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，由两部分组成：一部分是疏水基底；另一部分是壳层隔绝纳米粒子，壳层隔绝纳米粒子堆积构成三维热点结构。
该基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片可用于表面增强拉曼检测。
所述疏水基底的制备方法是：其材料可以为疏水的硅片、玻璃片、聚四氟乙烯塑料基底、聚三氟乙烯基底、聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(PMMA)或陶瓷基底，将上述材料浸入含有0.5 - 3wt.% HF酸和1 - 5wt.%NH4F的混合溶液中获得疏水基底。
所述壳层隔绝纳米粒子为壳层隔绝银纳米粒子（合成方法参见发明专利CN201510287999.7，公告号104827029B，公告日2017-07-11）或壳层隔绝金纳米粒子。
所述三维热点结构为多层结构，较平面结构的二维热点结构具有更多的热点，具有更高的拉曼光谱信号增强能力。
所述基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片用于液体样品检测，既可以用于实验室大型台式拉曼光谱仪，还可以用于便携式拉曼光谱仪，大大弥补便携式光谱仪较台式机在检测方面的劣势。所述芯片可以是一个芯片一个检测位点，也可以是一个较大的芯片具有多个检测位点。
采用上述方案后，本发明的检测芯片可实现对拉曼光谱的增强检测作用，并且，由于具有三维的热点结构，具有更多的热点，可以更有效的增加检测灵敏度，并且具有很好的均匀性。另外，由于壳层隔绝纳米粒子表面覆盖了一层薄薄的惰性二氧化硅层，所以，纳米粒子具有很好的稳定性，导致该检测芯片具有更高的质保期，可以长期存放，更加符合一般商品的特质。该芯片在应用中，只需要将微升级别的极小量待测物溶液（如果是固体样，需要将其通过溶解或者消解的方法变成溶液形式）滴加在芯片上，待溶液挥发完毕，即可用拉曼光谱仪甚至便携式拉曼光谱仪测试，即可得到拉曼光谱信号。该方法应用起来非常简单，较传统的同样需要液体进样色谱法，极大的节约了检测时间，而且对仪器要求不高，可实现户外便携式检测、对于液体和气体物质实时在线监测，并且对于检测人员无需专业知识和培养，普通人都能迅速掌握并进行实际操作，这样极大的节约了时间、物力和人力成本。本发明可以应用在食品安全检测、水环境检测、大气环境检测、生产过程监控、日用化妆品等领域，可为质检部门、企业、检测机构等提供一种有效的快速筛查手段。成为传统实验室的补充，提高运行效率，降低检测成本，并有希望成为标准的检测手段。
附图说明
图1是本发明的微观结构示意图；
图2是包裹不同壳层厚度的二氧化硅壳层的银纳米粒子示意图；
图3是疏水基底接触角测试示意图；
图4是壳层隔绝纳米粒子滴在疏水基底上示意图；
图5是壳层隔绝纳米粒子在疏水基底上形成“粒子饼”示意图；
图6是芯片内部的粒子堆积结构；
图7是用本发明的芯片的拉曼光谱均匀性表征图；
图8是用本发明的芯片，对巯基吡啶的标准工作曲线图。
具体实施方式
本发明的基于壳层隔绝纳米粒子的拉曼光谱检测芯片的微光结构示意图如图1所示，在一个疏水基底1上，壳层隔绝纳米粒子2在上面紧密的堆积成三维立体结构，在粒子与粒子之间，形成了密度大的热点结构，待测物分子进入热点后，其拉曼光谱信号会被极大的增强，增加了检测灵敏度。
其中：
（1）壳层隔绝金或银纳米粒子的合成。用来增强拉曼光谱信号的纳米粒子为壳层隔绝的金或银纳米粒子，就是在150nm的金或银纳米粒子表面包覆一层致密的二氧化硅壳层，合成方法参见专利号CN201010579701.7和CN201510287999.7。合成的粒子如图2所示。
（2）疏水基底制备。常温下，在通风橱中，将基底材料硅片、玻璃片、聚四氟乙烯塑料基底、聚三氟乙烯基底、聚二甲基硅氧烷膜(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜(PMMA)、陶瓷基底浸入氢氟酸（HF含量0.5 - 3.0wt.%）和氟化铵（NH4F含量1 - 5wt.%）的混合溶液中，浸渍4 - 24小时，后用去离子水反复冲洗至无氟化物残留，用氮气或者氩气吹干，即获得疏水基底。疏水效果用动态接触角测定仪测试疏水基底的静态接触角，如图3所示，水滴滴在基底上，不会摊开，会形成一个水珠，其接触角为116°，具有很好的疏水效果。该方法实施十分简单，所用的酸液可反复利用，成本低廉，且不会造成大规模的环境污染。
（3）拉曼光谱检测增强芯片的制备。制备好的壳层隔绝纳米粒子，取1-5μL粒子溶胶，滴在疏水基底上，形成一个个液滴状，如图4所示，然后自然干燥，得到成品的拉曼光谱检测增强芯片，该方法生产工艺极其简单，非常有利于大规模生产线生产、包装。通过扫描电镜，可以看到该芯片的微观结构，图5展示了溶胶液滴干燥后形成的“粒子饼”。再放大3万倍后的图6，可以看到芯片内部的粒子堆积结构，形成的大量三维热点结构。
（4）芯片的拉曼光谱均匀性表征，如图7所示，在该芯片上，用罗丹明6G分子作为探针分子，在不同位置随机获取其拉曼光谱，其拉曼峰分布在一个合理的范围呢，证明该芯片具有很好的均匀性。
（5）用该芯片制作对巯基吡啶的标准工作曲线，如图8所示，发现，用拉曼强度的对数值和对巯基吡啶的浓度对数值可以做一条线性相关系数大于0.996的线性标准曲线。证明可以用于对巯基吡啶的拉曼光谱定量检测。
本发明检测芯片可以有效解决现有技术的难题。本发明合成了尺寸、形貌可调且高度均匀的壳层隔绝纳米粒子，再将它们组装成均匀的增强拉曼纳米芯片，具有三维热点结构，使得拉曼检测的灵敏度、重现性和稳定性极大提高，实现了表面增强拉曼检测分析。芯片制备过程无需使用复杂工艺，且具有制备成本低、方法简单、使用方便、稳定性好、重现性好、结果可靠等众多优势。
该芯片制作及其简单，用于表面增强拉曼光谱检测，具有更高的稳定性和灵敏度，而且该芯片应用十分简单，只需将液体待测样品滴加在芯片上，待溶液干燥后既可以用拉曼光谱仪测试，并可以进行定量检测。本发明可具有极大的商业应用前景。
Claims (5)
1.一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，其特征在于：由两部分组成：一部分是疏水基底；另一部分是壳层隔绝纳米粒子，壳层隔绝纳米粒子堆积构成三维热点结构。
2.根据权利要求1所述的一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，其特征在于：所述疏水基底的制备方法是：其材料可以为疏水的硅片、玻璃片、聚四氟乙烯塑料基底、聚三氟乙烯基底、聚二甲基硅氧烷膜PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜PMMA或陶瓷基底，将上述材料浸入含有0.5 - 3wt.% HF酸和1 - 5wt.% NH4F的混合溶液中获得疏水基底。
3.根据权利要求1所述的一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，其特征在于：所述壳层隔绝纳米粒子为壳层隔绝银纳米粒子或壳层隔绝金纳米粒子。
4.根据权利要求1所述的一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，其特征在于：所述三维热点结构为多层结构。
5.根据权利要求1所述的一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼光谱检测芯片，其特征在于：所述芯片是一个芯片有一个检测位点，或者是一个芯片具有多个检测位点。
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