CN108226137A - 一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构pmma sers基底的制备方法及应用 - Google Patents

一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构pmma sers基底的制备方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明的SERS基底的制备方法及应用。包括：三维金字塔结构PMMA柔性支撑层；负载在柔性支撑层上的银纳米颗粒层；负载在银颗粒层上的二硫化钼层。通过在金字塔形硅基底上沉积二硫化钼薄膜；在二硫化钼薄膜上沉积银纳米颗粒，形成银纳米颗粒层；在银纳米颗粒层上形成PMMA柔性支撑层；并去除金字塔形硅基底的方法制得。本发明操作简单、制备成本低，可实现三维SERS基底的批量化生产，而且获得的SERS基底灵敏度、均一性和稳定性高，再现性好，可以重复使用并且可以投入实际应用。步骤简单、操作方便、实用性强。

Description

一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底的制备方法及应用
技术领域
本发明属于三维柔性拉曼增强(SERS)基底领域，特别涉及一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底的制备方法及应用。
背景技术
拉曼增强技术在增强机制和可以提供超灵敏和无标记的化学和生物分析等增强性能两方面吸引了广大研究学者的注意力。相比较二维结构的增强基底而言，研究学者们付出很多努力证明一些三维结构具备更大的比表面积，可以为贵金属提供更多的着陆点，从而借助电磁场增强机制贡献更多的、稠密的三维热点。另外，三维结构可以捕获更多的待测分子，而且三维结构具有的限光效应能够有效地放大三维热点附近分子的拉曼信号。
特别的，为了降低拉曼信号较大的波动，提高三维SERS基底的再现性，研究学者们采用现代新型的纳米制备技术精心设计三维阵列结构，从而大大地提高了制备的成本，对于基底走出实验室大批量生产造成了阻碍。目前为止，大量的工作停留在提高SERS基底性能的研究中，忽略了基底用于有毒溶液的原位检测，因此急需制备出真正能够用于实际生活检测的SERS基底。
论文《基底表面结构对银枝晶形貌及其表面增强拉曼散射效应的影响》公开了一种在金字塔形硅纳米线基底上生长银枝晶的方法，但贵金属银对于探针分子的吸附较差，因此，需要生物相容性较好的材料加以弥补。
中国专利CN107014799A公开了一种石墨烯/银纳米花/PMMA“三明治”结构柔性SERS基底及其制备方法，但其PMMA层为平面结构，只是为石墨烯/银纳米花提供一个柔性的支撑层。
中国专利CN105651756A公开了一种用于放大拉曼信号的拉曼增强基底，在镀有Ag膜的衬底外侧包覆有一层MoS2薄膜，但其也不具有三维金字塔形的柔性基底。
发明内容
为了克服上述不足，本发明提供一种基于二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明的SERS基底的制备方法及应用。本发明操作简单、制备成本低，可实现三维SERS基底的批量化生产，而且获得的SERS基底灵敏度、均一性和稳定性高，再现性好，可以重复使用并且可以投入实际应用。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底，包括：
三维金字塔结构PMMA柔性支撑层；
负载在柔性支撑层上的银纳米颗粒层；
负载在银颗粒层上的二硫化钼层。
与现有的表面增强SERS基底相比，本申请建立了三维的金字塔形结构的PMMA柔性支撑层，并通过其与二硫化钼@银纳米颗粒结构复合，有效利用了三维的金字塔型柔性基底的周期性的表面结构、较大的比表面积和限光效应使SERS基底的灵敏度、均一性、稳定性和再现性显著提升。
为了保证本申请的SERS基底较优的灵敏度、均一性、稳定性和再现性。本申请经过大规模实验摸索发现：当二硫化钼层数为1-5层，所述的银纳米颗粒直径为30-80nm，PMMA为颗粒状，分子量为100000-300000时，本申请SERS基底的灵敏度、均一性、稳定性和再现性最优。
本发明还提供了一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底的制备方法，包括：
在金字塔形硅基底上沉积二硫化钼薄膜；
在二硫化钼薄膜上沉积银纳米颗粒，形成银纳米颗粒层；
在银纳米颗粒层上形成PMMA柔性支撑层；
去除金字塔形硅基底，即得。
本申请研究发现：在三维金字塔形基底负载石墨烯薄膜时，薄膜会产生褶皱，且负载后石墨烯薄膜还容易因为张力较大使石墨烯薄膜被破坏，因此，本申请系统研究了多种非贵金属薄膜在三维金字塔基底上的成膜情况和检测效果，发现：在三维金字塔形基底上生长二硫化钼的成膜效果较好，且在刻蚀后，二硫化钼就被转移到了最外层，形成了二硫化钼@银纳米颗粒结构，基底的抗氧化性得到提高，能够实现超低浓度的检测。
优选的，所述沉积二硫化钼薄膜的方法为热分解方法；
优选的，所述沉积银纳米颗粒的方法为：“沉浸-捞取”法；
优选的，所述形成PMMA柔性支撑层的方法为在银纳米颗粒层上滴加PMMA和甲苯的混合溶液，自然晾干，即得；
优选的，所述除去金字塔形硅基底的方法为刻蚀法。
本发明还提供了一种拉曼光谱仪，包括任一上述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底。
本发明还提供了一种生物传感器，包括任一上述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底
本发明还提供了一种用于通过SERS在样品中探测分析物的方法，其包括使所述样品与上述的生物传感器接触。
本发明还提供了任一上述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMASERS基底在痕量有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒的检测方面的应用，特别是对R6G分子和三聚氰胺的检测。
本发明的有益效果
(1)本发明相比于现有技术，柔性、透明的SERS基底结合了二硫化钼、银纳米颗粒和PMMA柔性支撑层，可充分发挥三者的优势：二硫化钼原来被生长到硅金字塔上，在刻蚀后，二硫化钼就被转移到了最外层，这样就形成了二硫化钼@银纳米颗粒结构，因此有二硫化钼的保护，基底的抗氧化性得到提高，还有二硫化钼@银纳米颗粒结构带来的二硫化钼中的激子能量和银纳米颗粒产生的局域表面等离子体共振效应的耦合共同作用于待测分子信号的增强，此外银纳米颗粒对生物分子的吸附性，二硫化钼的优异的生物兼容性可以更好地吸附分子，从而能够实现超低浓度的检测。
(2)本申请PMMA柔性支撑层是一个三维的金字塔型结构，具有周期性的表面结构和较大的比表面积，这样提供的三维结构和二硫化钼@银纳米颗粒结构复合能够产生稠密的三维热点，还有这样的三维结构具备限光效应，这样有利于保障SERS基底的灵敏度、均一性和稳定性高，再现性好。此外，形成的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明的SERS基底还可以在使用后可以用乙醇和去离子清洗，从而能够实现重复利用，所以这是一款绿色环保的传感器。另外，我们可以得到厘米级尺寸的硅金字塔型基底，在此基础上我们可以制备出大面积的柔性SERS基底，因此这是一种易于推广，适合工业化生产的传感器。
(3)本发明制备方法简单、检测效率高、实用性强，易于推广。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明制备的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明的SERS基底的示意图。
图2为本发明实施例1制备的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明的SERS基底的扫描电子显微镜图像。
图3为本发明实施例1制备的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明基底的SERS性能指标验证，(a)10-5-10-13M浓度的R6G分子的拉曼光谱图，(b)不同批次制备了5个相同的SERS基底，在每个SERS基底上随机选择8个点检测的10-6M浓度的R6G分子在613和774cm-1特征峰的相对强度。(c)制备的SERS基底氧化处理后获得R6G(10-7M)分子的拉曼增强光谱。(d)制备的SERS基底重复使用获得R6G(10-7M)分子的拉曼增强光谱。
图4为本发明实施例1制备的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明SERS基底原位检测三聚氰胺，(a)SERS基底使用方法示意图，(b)三聚氰胺标准溶液的拉曼增强光谱，(c)三聚氰胺标准溶液的定量检测，(d)在牛奶中的三聚氰胺的拉曼增强光谱图。
图5为本发明实施例1制备的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA复合型柔性、透明SERS基底原位检测结晶紫，(a)为检测的结晶紫在浓度为10-7-10-14M的拉曼光谱图，证明了本发明所述的超灵密度。然后本申请制备了缺乏二硫化钼保护的基底银纳米颗粒/金字塔PMMA基底，如图5(b)对R6G分子进行了检测，证明了本发明的稳定性。为了证明SERS信号的均匀度，如图5(c)本申请选取20微米×20微米，步长为2微米，测试了拉曼mapping，证明了基底的均匀度。最后，图5(d)是本申请在进行循环利用测试过程中分别清洗3次得到R6G分子的拉曼光谱图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的说明。
实施例1
一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底的制备方法，包括以下制备步骤：
1)利用湿法腐蚀工艺处理单晶硅表面；
2)在硅金字塔上生长二硫化钼薄膜：首先取(NH4)2MoS4(0.01g，99.99％)加入到试管中，然后取1mL二甲基甲酰胺溶液加入到试管中，得到1wt％混合溶液；把得到的混合溶液使用匀胶机(KW-4A，3000转/分钟)旋涂到硅金字塔表面。然后将样品放进管式炉中，密封(2×10-3Torr)，然后伴随氢气(40sccm)和氩气(80sccm)混合气体加热至500℃，恒温30分钟，然后关闭氢气保持氩气，升温至800℃，恒温1小时，制备得到二硫化钼/硅金字塔样品；
3)利用化学还原方法制备得到银纳米颗粒溶液，然后把二硫化钼/硅金字塔样品沉浸到银纳米颗粒溶液中，然后慢慢取出，自然晾干；
4)在银颗粒/二硫化钼/硅金字塔基底表面均匀滴加PMMA和甲苯混合溶液(0.0750g：100mL)，自然晾干；
5)刻蚀工艺：配置NaOH溶液(30g/100mL去离子水)，然后将上述过程得到的样品放进刻蚀溶液中，放在恒温加热平台上加热(85℃)，待刻蚀掉硅基底，将得到的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底取出到去离子水中洗掉刻蚀溶液，然后取出自然晾干，即得柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底。
实施例2
首先，为了进一步验证实施例1的SERS基底灵敏度，我们检测了另一个探测分子，结晶紫，图5(a)为检测的结晶紫在浓度为10-7-10-14M的拉曼光谱图，证明了本发明所述的超灵密度。然后我们制备了缺乏二硫化钼保护的基底银纳米颗粒/金字塔PMMA基底，如图5(b)对R6G分子进行了检测，证明了本发明的稳定性。为了证明SERS信号的均匀度，如图5(c)我们选取20微米×20微米，步长为2微米，测试了拉曼mapping，证明了基底的均匀度。最后图5(d)是我们在进行循环利用测试过程中分别清洗3次得到R6G分子的拉曼光谱图。
图4是实施例1制备的SERS基底原位检测三聚氰胺的具体方法：在图4(a)中的示意图中我们简略的给出了本发明原位检测三聚氰胺的具体方法，我们将本发明反置于三聚氰胺溶液表面，也就是二硫化钼@银颗粒结构接触溶液，检测过程中激光穿过柔性基底到达二硫化钼@银颗粒结构，激发表面等离子体，进而对吸附于二硫化钼表面的三聚氰胺分子信号增强，然后穿过透明、柔性基底返回拉曼光谱仪的接收器，得到分子的拉曼光谱图。这里本发明的优势是透明基底能够使得分子的拉曼信号在贯穿的过程中衰减最低，另外，柔性基底结构能够漂浮于水溶液表面实现原位检测，并且三维金字塔结构，能够创造更大的比表面积为更多的分子提供着陆点。
最后应该说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMASERS基底，其特征在于，包括：
三维金字塔结构PMMA柔性支撑层；
负载在柔性支撑层上的银纳米颗粒层；
负载在银颗粒层上的二硫化钼层。
2.如权利要求1所述的SERS基底，其特征在于，所述的二硫化钼层数为1-5层。
3.如权利要求1所述的SERS基底，其特征在于，所述的银纳米颗粒直径为30-80nm。
4.如权利要求1所述的SERS基底，其特征在于，所述的PMMA为颗粒状，分子量为100000-300000。
5.一种柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底的制备方法，其特征在于，包括：
在金字塔形硅基底上沉积二硫化钼薄膜；
在二硫化钼薄膜上沉积银纳米颗粒，形成银纳米颗粒层；
在银纳米颗粒层上形成PMMA柔性支撑层；
去除金字塔形硅基底，即得。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述沉积二硫化钼薄膜的方法为热分解方法；
或所述沉积银纳米颗粒的方法为：“沉浸-捞取”法；
或所述形成PMMA柔性支撑层的方法为在银纳米颗粒层上滴加PMMA和甲苯的混合溶液，自然晾干，即得；
或所述除去金字塔形硅基底的方法为刻蚀法。
7.一种拉曼光谱仪，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底。
8.一种生物传感器，其特征在于，包括权利要求1-4任一项所述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMA SERS基底。
9.一种用于通过SERS在样品中探测分析物的方法，其包括使所述样品与根据权利要求8的生物传感器接触。
10.权利要求1-4任一项所述的柔性、透明的二硫化钼@银颗粒/三维金字塔结构PMMASERS基底在痕量有毒有机化学品、生物标志物、致病菌或病毒的检测方面的应用。
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