CN108872192A

CN108872192A - Sers单元及sers系统

Info

Publication number: CN108872192A
Application number: CN201810677125.6A
Authority: CN
Inventors: 郭清华; 孙海龙
Original assignee: Suzhou Skyline Innovation Nanotechnology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Nawei Life Technology Co ltd
Priority date: 2018-01-30
Filing date: 2018-06-27
Publication date: 2018-11-23
Anticipated expiration: 2038-06-27
Also published as: CN108872192B; CN108844943B; WO2019148759A1; CN208399384U; CN108844943A

Abstract

本发明公开了一种SERS单元、SERS芯片以及SERS检测系统，SERS单元包括基材和多个纳米粒子聚集体，基材包括由第一材料构成的第一层、设置在第一层上方且由第二材料构成的第二层，第二层的上表面分布有多个纳米凹陷部；每一个纳米粒子聚集体由多个纳米粒子聚集形成，且每一个纳米粒子聚集体分别被一对应的纳米凹陷部所限制。本发明的SERS单元及SERS芯片具有高SERS活性（EF~10⁸），高均匀性（任意1μm²点误差<10%），极佳的稳定性（>1年）和批次重现性（误差<15%）等优点，可广泛应用于物质的痕量分析或生物分子的检测，同时该SERS单元及芯片制备简单，能大面积、大规模生产。

Description

SERS单元及SERS系统

技术领域

本发明涉及表面增强拉曼(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)技术，特别涉及用于表面增强拉曼检测的芯片及其制备方法与应用。

背景技术

表面增强拉曼(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)是通过金属纳米结构表面上或附近的探针分子与金属表面发生等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)相互作用从而引发拉曼增强散射，SERS产生的拉曼信号较普通拉曼散射会增强10³-10¹⁴倍。相对于其它光谱检测方法，SERS具备高灵敏度、高选择性和检测条件宽松三个明显优势，可广泛地应用于痕量分析、单分子检测、生物医学检测、表面吸附和催化反应等诸多领域。

SERS活性的高低与SERS芯片(又称SERS基底)的结构尤其是其上的纳米结构密切相关。早期的SERS芯片，如电化学的粗糙金属电极或贵金属纳米溶胶滴干后形成的纳米粒子团聚体，由于其纳米结构具有随机性，导致SERS信号不均匀，目标分子信号重复性差，严重影响了SERS技术的发展和应用。为了获得可重复的SERS信号，人们制备了一系列具有规则纳米结构的SERS基底。例如，CN103590037A公开了一种单层膜结构的SERS基底，该SERS基底具有高度规则的纳米结构，均匀性优异，检测结果具有较高的重现性和可信度。然而，其增强因子(EF)仅有10⁶，限制了其在痕量分析中的应用。还有些研究人员通过原子蒸镀、磁控溅射、脉冲沉积或电化学沉积制备纳米粒子聚集体，获得了较高的增强因子，但是制备工艺复杂，可控性差，成本高，从而很难实现规模化推广应用。

随着人类社会的发展，在食品卫生，环境污染，公共安全方面的痕量物质检测需求越来越高。而具有超高灵敏度的SERS技术(甚至可实现单分子检测)发展至今虽然已近50年，却因受限于低成本高质芯片的获得，而无法广泛应用于痕量物质检测中。有鉴于此，提供一种成本低廉、制备工艺简单、高度重现且具有高SERS活性而能够广泛用于痕量分析的芯片具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型结构的高性能SERS单元，适合产业化生产。

本发明第一方面提供一种SERS单元，其包括：

基材，其包括由第一材料构成的第一层、设置在第一层上方且由第二材料构成的第二层，所述第二层的上表面分布有多个纳米凹陷部；

多个纳米粒子聚集体，每一纳米粒子聚集体由多个纳米粒子聚集形成，且每一纳米粒子聚集体分别被一对应的纳米凹陷部所限制。

根据一些实施例，所述第一材料为金属或合金。所述第二材料为金属氧化物或非金属氧化物。根据一些实施例，所述第一材料为铝，所述第二材料为氧化铝。

根据一些实施例，所述纳米粒子聚集体含有的纳米粒子的平均个数为3～6个。

根据一些实施例，所述的纳米粒子聚集体通过所述纳米粒子在所述纳米凹陷部内自组装形成。

根据一些实施例，相邻两个所述纳米凹陷部之间的距离不超过100nm，优选不超过50nm，更优选为10nm～30nm。

本发明还提供一种SERS芯片，其包括一个或多个本发明所述的SERS单元。

本发明还提供一种SERS检测系统，其包括拉曼光谱仪和本发明如上所述的SERS芯片。

进一步地，所述拉曼光谱仪包括壳体、设置在所述壳体内部的光谱仪模块及探出所述壳体的拉曼探头。所述拉曼光谱仪用于对放置在SERS芯片上的待测目标进行拉曼光谱检测，得到光谱检测结果。

本发明还涉及上述的SERS单元、SERS芯片以及包含该SERS芯片的SERS检测系统在物质的痕量分析或生物分子的检测中的应用。

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的SERS单元及SERS芯片具有高SERS活性(EF～10⁸)，高均匀性(任意1μm²点误差<10％)，极佳的稳定性(>1年)和批次重现性(误差<15％)等优点。本发明通过在基材表面构建可控的微观无序的纳米凹陷部，实现了纳米粒子的自组装可控生长，从而实现了对纳米粒子聚集体的形貌、大小尺寸以及分布均匀性的精确控制。本发明仅利用纳米粒子的分散液浸泡基材进行纳米粒子的自组装，无需高成本的溅射工艺，操作极其方便，方法可控，制备成本低(相比现有技术中制备同等质量的SERS芯片，本发明的成本仅为其约10％)，能实现大面积、大规模、高效率的生产。

附图说明

图1为本发明一些实施例中SERS单元的纵向剖面放大示意图；

图2为本发明一些实施例中SERS单元的局部结构放大示意图；

图3A-图3D为本发明一些实施例中不同粒径的球形Au纳米粒子的TEM图；

图4-图5为本发明一些实施例中SERS单元基材的SEM图；

图6-图7为本发明一些实施例中SERS单元的SEM图；

图8-图9为本发明一些实施例中不同浸泡时间制备的SERS单元的SEM图；

图10为本发明一些实施例中SERS单元的SERS活性随聚集体中纳米粒子平均数量改变而变化的数据图；

图11为本发明一实施例中SERS单元的面积为4.82mm*4.26mm的区域进行成像分析采集的图片；

图12显示了按照本发明一实施例在同样制备条件下制备的10批次SERS单元的活性；

图13为利用本发明一实施例的SERS单元作为芯片来对1ppm的多种探针分子进行检测所采集的SERS光谱图；

图14显示了发明一实施例中不同浓度的目标分子(对巯基苯甲酸，MBA)在典型SERS单元上的SERS响应图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将结合实施例和附图对本发明进行详细的介绍，显而易见地，下面描述中的实施例和附图仅仅是本发明的一部分非限制性实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的纳米凹陷部，也被称为纳米孔洞或纳米孔道或纳米孔。本发明中涉及的纳米凹陷部、纳米孔洞、纳米孔道、纳米孔、纳米结构是指具有纳米尺寸的纳米凹陷部、孔洞、孔、结构，所述纳米尺寸的范围没有特别说明时，指的是1nm～1000nm。本发明的纳米粒子聚集体，在某些实施方式中也被描述为纳米粒子单元。本发明所述的相邻纳米凹陷部之间的距离，指相邻两个所述纳米凹陷部开口边缘的最近距离。本发明所述的口部直径指是纳米凹陷部开口边缘上的任意两点之间的多个距离中的最大的距离。

如图1所示，本发明一些实施例提供的SERS单元100，其包括基材1和设置在基材1表面的纳米粒子聚集体2。基材1包括由第一材料构成的第一层1a和由第二材料构成的第二层1b，第二层1b位于第一层1a之上。第二层1b的上表面包括多个纳米凹陷部3。纳米粒子聚集体2分布在纳米凹陷部3内，且纳米粒子聚集体2与纳米凹陷部3一一对应，每一纳米粒子聚集体2分别被一对应的纳米凹陷部3所限制。每一纳米粒子聚集体2由多个纳米粒子20聚集形成。第二层1b的上表面可以是平整的或者非平整的。在一些实施方式中，上表面包括但不限于弧形、起伏形或波浪形。优选地，多个纳米凹陷部3呈多孔结构。

如图2所示，本发明的另一些实施例提供的SERS单元100，其基本同图1所示的SERS单元，不同的是，其中纳米粒子聚集体2包括位于纳米凹陷部3的开口面以下的第一部分和位于纳米凹陷部3的开口面以上的第二部分，沿纳米凹陷部3深度的方向上，第一部分的长度大于第二部分的长度，第二部分的长度不超过纳米粒子粒径的一半。

根据本发明，第一材料、第二材料可以独立地为无机材料、有机材料或者无机/有机复合材料。第一材料与第二材料的化学成分不同。具体的，第一材料、第二材料分别包括但不限于金属材料、金属氧化物材料、半导体材料、高分子模板、单晶硅、石英片、玻璃片、聚四氟乙烯、塑料。在一个优选实施方式中，第一材料为金属或合金，第二材料为金属氧化物或非金属氧化物。在一个具体实施方式中，第一材料优选包括硅、铝、钛、铬、铜中的至少一种，第二材料优选包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、二氧化铬中的至少一种。在一个优选实施方式中，第一材料为铝，第二材料为氧化铝。

根据本发明，第二层1b的厚度优选为30nm～500nm。第一层1a的厚度没有特别限制，一般为不小于1μm，优选为1μm～1mm。

根据本发明的一个具体方面，纳米凹陷部3的深度小于所述第二层1b的厚度。

本发明的相邻纳米凹陷部3之间的距离不超过100nm，优选不超过50nm，更优选为10～30nm。通过凹陷部之间距离控制所述纳米粒子聚集体2之间的距离，增强SERS单元的拉曼信号。本发明的纳米凹陷部3的口部直径范围为50nm～1μm，优选为100nm～500nm，更优选为100～400nm。本发明的纳米凹陷部3的深度范围为30nm～300nm，优选为50nm～200nm，更优选为60nm～150nm。在一些实施例中，纳米凹陷部3的深度优选不超过所述纳米粒子20粒径的3倍，更优选不超过所述纳米粒子20粒径的2倍，以使纳米粒子聚集体2更靠近纳米凹陷部3的开口。纳米凹陷部3的内部形状包括但不限于柱形或者倒锥形。优选地，每平方厘米的所述基材1表面上分别具有10⁸～10¹⁰个所述的纳米凹陷部3。

根据本发明，基材1的制作方法包括但不限于光刻法、等离子刻蚀法、纳米压印法、电化学刻蚀法或者化学刻蚀法。基材同样也可以从商业途径获取。在一个优选实施方式中，基材1由基体材料通过电化学阳极氧化法制作得到。电化学阳极氧化法具体可参考但不限于文献1：J.Am.Chem.Soc.127，3710；Chem.Commun.53,7949。图4、图5示出了本发明一些实施方式通过电化学阳极氧化方法制备SERS单元基材1的SEM图，均呈蜂窝结构分布。图4显示的SERS单元基材表面的纳米凹陷部的口径约100nm、深度约100nm、相邻纳米凹陷部3之间的距离约20nm。图5显示的SERS单元基材表面的纳米凹陷部的口径分别约300nm、深度约200nm、相邻纳米凹陷部3之间的距离约40nm。

本发明纳米粒子聚集体2含有的纳米粒子20的数量受纳米粒子20粒径和纳米凹陷部3的体积或口部面积有关。优选地，纳米粒子聚集体2含有的纳米粒子数为1～15个，优选为2～10个，更优选3～6个。在一些具体实施方式中，纳米粒子聚集体2含有的纳米粒子数包括但不限于2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个。在同一个SERS单元中，所含纳米粒子个数差别在3个以内的纳米粒子聚集体占绝大多数，优选80％以上，更优选90％以上，最优选95％以上或99％以上。纳米粒子个数差别在3个以内的纳米粒子聚集体中，纳米粒子个数随机分布。优选地，纳米粒子聚集体2含有的纳米粒子20的平均个数为3～6个。

在一些优选实施方式中，同一SERS单元中，纳米粒子个数在3～8个的纳米粒子聚集体占90％以上，纳米粒子个数在4～7个的纳米粒子聚集体占80％以上，纳米粒子个数在5～6个的纳米粒子聚集体占50％以上。纳米粒子聚集体含有的纳米粒子的平均个数为5个。

在另一些优选实施方式中，同一SERS单元中，纳米粒子个数在5～10个的纳米粒子聚集体占90％以上，纳米粒子个数在6～9个的纳米粒子聚集体占80％以上，纳米粒子个数在7～8个的纳米粒子聚集体占50％以上。纳米粒子聚集体含有的纳米粒子的平均个数为7个。

在一些实施方式中，纳米凹陷部3的深度为60nm～120nm，口部直径范围为100nm～300nm，相邻两个所述纳米凹陷部3之间的距离为20～50nm，每个所述纳米凹陷部3中限制有一个对应的纳米粒子聚集体2，该纳米粒子聚集体2包括3～8个纳米粒子20，每个纳米粒子20的粒径范围为30～60nm，纳米粒子20个数在4～7个的纳米粒子聚集体2占80％以上，纳米粒子个数在4～7个的纳米粒子聚集体2中，纳米粒子个数在4～7之间随机分布。

根据本发明，纳米粒子20的形状没有特别限制，例如可以呈规则或不规则的球状、块状、片状或棒状。纳米粒子20的粒径范围为15～120nm，优选为30～60nm。本发明的纳米粒子20包括具有SERS活性的所有纳米粒子。在一些实施例中，纳米粒子20选自金、银、铜、铂或铝中的一种或多种金属的合金的纳米粒子或它们的任意组合。在一些实施例中，纳米粒子为合金结构或者核壳结构。

根据本发明，纳米粒子聚集体2中的纳米粒子20紧密排列或紧密堆积，纳米粒子聚集体2中相邻纳米粒子20之间的间隙为1～2nm。在一些具体实施例中，纳米粒子聚集体2中纳米粒子20呈单层排列，如图1或图2所示。

前述的SERS活性纳米粒子20可以通过湿法工艺合成或商业途径购买获得。合成工艺过程及条件可以参考但不限于文献2：Angew.Chem.Int.Ed.45,3414。图3A-图3D是本发明制备的金纳米粒子的SEM图。

根据本发明，在同一个SERS单元中，由于不同纳米凹陷部2的限制以及自组装生长的随机性，所述纳米粒子聚集体的尺寸和/或形状均不同。所述纳米粒子聚集体中所含纳米粒子个数总体相近，但存在随机的差别。例如，在一个优选实施例中，同一SERS单元中，纳米粒子个数差别在3个以内的纳米粒子聚集体占绝大多数，优选80％以上，或90％以上，或95％以上，或99％以上。纳米粒子个数差别在3个以内的纳米粒子聚集体中，纳米粒子个数随机分布。

在一个优选实施方式中，纳米粒子通过在液相中自组装的方式在纳米凹陷部中形成纳米粒子聚集体。自组装的驱动力包括但不限于重力、范德华力、静电作用、氢键、疏水作用、偶极相互作用。纳米粒子聚集体的大小尺寸以及所述纳米粒子聚集体中所含纳米粒子的数量可通过纳米粒子分散液的浓度、自组装时间等条件来控制。通过纳米凹陷部的结构设计可以获得期望尺寸和间隙的纳米凹陷部，进而可以控制纳米粒子聚集体之间的尺寸、间隙或形状。优选地，纳米粒子表面和第二层表面经过特殊修饰，纳米粒子表面修饰基团与包括纳米凹陷部的第二层表面修饰基团产生自组装驱动力，例如带相反电荷、和/或极性相似、和/或产生氢键。

根据本发明，SERS单元中不同纳米粒子聚集体的尺寸相差不超过纳米凹陷部的孔径，且至少两个纳米粒子聚集体的形状和/或尺寸不同，使得本发明的SERS单元中纳米粒子聚集体呈微观无序而宏观均一态。现有技术的研究者在追求可重复的SERS基底时，一贯致力于获得均一的微观纳米结构。本案发明人在长期研究和大量实践中发现，结构相似的纳米粒子聚集体之间极易发生能量共振，将聚集在纳米粒子间隙处(“热点”)的能量发散出去，导致“热点”处的SERS活性大大下降。本发明通过不同纳米凹陷部的尺寸和/或形状微观差异，使得被限制于不同纳米凹陷部中的纳米粒子聚集体的尺寸和/或形状产生差异，纳米粒子聚集体中所含纳米粒子个数总体相近，但存在随机的差别，呈一定的微观无序态。这突破了人们对优秀SERS基底的常规认识。一方面，可以避免因相同结构的纳米粒子聚集体之间产生相互作用，消除其对于等离子体局域化的不利影响，大幅增强SERS单元作为SERS基底应用时的SERS活性。另一方面，从统计角度，大面积范围内(1μm²)的纳米粒子聚集体(约100个或更多)总体性能却十分接近，因而具有宏观均一的特征，使得所述SERS单元十分均匀，进而可以保障SERS测试结果的可靠性，使之可以很好的应用于定量检测。此外，通过将各纳米粒子聚集体限制于与之相应的纳米凹陷部中，减少或避免纳米粒子聚集体在SERS单元使用的过程中受到液流剪切力或者其它物理、化学作用下发生位移或者形状、结构改变的影响，进而有利于获得稳定、准确的检测结果。在一些实施例中，纳米粒子聚集体包括位于纳米凹陷部的开口面以下的第一部分和位于纳米凹陷部的开口面以上的第二部分，第一部分的体积大于第二部分的体积。第一部分的体积占纳米粒子聚集体体积的百分数优选为70％以上，更优选为90％以上。图2公开了本发明一些实施方式中单个纳米凹陷部及其限制的纳米粒子聚集体的示意图。其中，纳米粒子聚集体部分位于纳米凹陷部开口以上。纳米粒子呈一定的堆积状态，但整体上纳米粒子仍属于单层排列。

根据本发明，所述SERS单元优选直接作为SERS芯片(也称SERS基底)应用，其最大面积在10cm²以上。

本发明的SERS单元可直接作为SERS基底或SERS芯片使用，也可以与其它元件配合形成SERS基底或SERS芯片。

在一些实施例中，本发明的SERS单元可经过如下方法制得：首先通过电化学阳极氧化法在金属基材表面制作多孔的金属氧化物层，使得金属基材成为由金属构成的第一层和由金属氧化物构成的第二层，从而形成表面具有多个纳米凹陷部的SERS单元基材。其次将SERS单元基材浸入分散有特定浓度的SERS活性纳米粒子的分散液中，SERS活性纳米粒子自组装到多个纳米凹陷部中，形成纳米凹陷部限制的纳米粒子聚集体。纳米粒子聚集体的大小尺寸以及所述纳米粒子聚集体中所含纳米粒子的数量可通过纳米粒子分散液的浓度、自组装时间等条件来控制。优选地，所述的制备方法还可包括：控制将所述基材表面于所述分散液中浸泡的时间，使自组装形成的每一纳米粒子聚集体包含3～6个纳米粒子。本发明的制备方法工艺简单、成本低廉，适合产业化生产。

在一些实施例中，SERS单元基材还可以经过如下方法制得：在第一材料层表面沉积预定厚度的第二材料层，通过光刻、电化学刻蚀、纳米压印等手段对第二材料层进行刻蚀，使得第二材料层形成多孔阵列结构，第二材料层中的多孔以第一材料层作为底部组成多个纳米凹陷部，形成SERS单元基材。

优选地，SERS单元制备方法还包括对SERS活性纳米粒子和/或SERS单元基材表面进一步的表面修饰，以形成自组装驱动力。自组装的驱动力包括但不限于重力、范德华力、静电作用、氢键、疏水作用、偶极相互作用中的至少一种作用力。在一些具体实施方式中，对SERS活性纳米粒子和/或SERS单元基材表面分别进行疏水性修饰。在一些具体实施方式中，对SERS活性纳米粒子和/或SERS单元基材表面分别进行正负电修饰。在一些具体实施方式中，无需对SERS活性纳米粒子或SERS单元基材表面进行修饰，其本身就存在自组装驱动力。

图6、图7公开本发明一些实施例的SERS单元的SEM图。图6和图7所示的SERS单元分别为图4和图5的SERS单元基材自组装纳米粒子聚集体形成。由图可以看出，纳米粒子聚集体组装效率很高，几乎所有孔道内均有纳米粒子聚集体形成，并由于孔道不尽相同，每个聚集体的结构也略有差异，满足微观无序的特征。从大范围看，相同面积内的聚集体数目及包含的平均粒子个数十分接近，因此也满足宏观均一的特点。此外，聚集体阵列之间距离短，相同面积内可以收集更多的信号源。

再请参阅图8、图9，其中示出了将前述裁剪的图4所示基材于前述Au纳米粒子分散液中浸泡不同时间(1h、5h)，对于所获SERS单元的影响。可以看到，当将前述基材浸入纳米粒子分散液后，纳米粒子不断自组装到基材的纳米孔洞结构中。随着时间延长，形成纳米粒子聚集体的纳米粒子数目逐渐增多，并在10小时左右达到饱和。饱和纳米粒子聚集体中纳米粒子数目由纳米粒子尺寸及孔道尺寸共同决定。在本实施例中，浸泡1h后，多个纳米粒子聚集体平均包含的纳米粒子个数约为5个，组装约5h后，多个纳米粒子聚集体平均包含的纳米粒子个数约为8个。相比现有SERS基底需通过改变孔径结构来调节粒子数目的方式，本发明实施例的前述SERS单元仅需改变组装时间即可实现，因此具有便捷易控的特性。

进一步地，再请参阅图10，前述实施例中，各SERS单元作为SERS基底应用时的SERS活性随纳米粒子聚集体中纳米粒子的个数变化而变化。通过控制具有纳米凹陷部的基材在纳米粒子溶液中的浸渍时间，可实现SERS单元中的纳米粒子聚集体中纳米粒子的个数。当各纳米粒子聚集体中所含纳米粒子数不大于1时，大部分的纳米粒子单独存在于纳米孔洞中，没有“热点效应”，因此SERS单元的SERS活性较低。随着各纳米粒子聚集体中的纳米粒子数增多，“热点效应”逐渐增强，其SERS活性迅速提高，并在平均粒子数为4到5之间时趋于最大值。当进一步增加粒子数，局域等离子体开始发散，其热点处的电磁场增强能力下降，因此SERS单元的SERS活性开始降低。并且，随着纳米粒子数的增多，纳米聚集体之间的结构差异越来越小，更容易发生“共振”现象，进一步降低SERS单元的活性。

图11是对前述实施例所获SERS单元的面积为4.82mm*4.26mm的区域进行成像分析采集的图片，其中以20μm为步长，共检测了51333个(241*213)数据点。结果显示几乎所有区域的信号波动在10％以内，足以验证此SERS单元良好的均匀性。虽然对于每个纳米孔洞来说，其中的纳米粒子聚集体结构不尽相同，但SERS检测将选取数十至数百平方微米内所有聚集体的信号。由于SERS单元的宏观均一特征，此SERS单元十分均匀，而SERS基底的均匀性是SERS测试结果可靠的必要前提，也是定量检测的必要前提。正是在此种情况下，才能将信号强度与所测分子数量对应。否则，不同区域信号有数量级的差别，将无法获得准确的测试结果。

再请参阅图12，其显示了利用本发明前述实施例在同样制备条件下制备的10批相同结构的SERS单元直接应用为SERS基底时的活性变化图。由图可知，不同批次SERS单元活性差异在15％之内，批次稳定性高，符合SERS基底的商业流通需求。

又请参阅图13，其显示了浓度为1ppm的几种探针分子在本发明前述实施例所获的典型SERS单元上的SERS光谱。在1ppm的低浓度下，该SERS单元仍能清晰显示这几种物质的典型特征峰，说明该SERS单元具有令人满意的SERS活性，为其能作为痕量检测基底做出了重要保证。

得益于前述的良好的均匀性和批次重现性，本发明实施例的该SERS单元适合用于半定量甚至定量分析。图14展示了不同浓度的目标分子(对巯基苯甲酸，MBA)在该典型SERS单元上的SERS响应。可以看出，随着目标分子浓度的下降，其SERS强度也呈下降趋势，并在较宽的范围内，SERS强度与浓度的对数呈现准线性关系。以上为实现MBA的定量检测做出了有力保证。

另外，若以Ag、Pt、Cu、Al等中的任一种或两种以上的组合或其与Au的组合(例如以合金等形式组合)构成的纳米粒子(粒径为15～110nm，优选为50～60nm)替代前述的Au纳米粒子，获得的SERS单元也具有相当优异的表现，例如高SERS活性(EF～10⁸)，高均匀性(任意1μm2点误差<10％)，高稳定性(>1年)和批次重现性(误差<15％)等。

以下结合具体的实施例，对本发明做进一步详细的说明。实施例中未有特别说明的原料均通过商购获得。没有特别提及温度的操作在室温下进行。未有特别说明的操作方法与条件可采用本领域的公知或常规的手段与条件。

实施例1

将10cm×10cm的铝基板进行阳极氧化，使其形成下层为铝金属层，上层为氧化铝层的双层结构，氧化铝层为多孔结构，成为具有多个纳米凹陷部的SERS单元基材。通过电流、电压、电解质组成浓度等参数调节SERS单元基材的孔径、孔间距、孔深度为本实施例所要求值。将SERS单元基材表面清洗和/或进行表面处理后，裁切为4mm*4mm的小尺寸SERS单元基材，取1个SERS单元基材分别浸入浓度约1×10¹⁰个/mL的银纳米粒子分散液中，浸渍2h后取出晾干，得到本实施例的SERS单元或SERS芯片。

经过SEM图表征和分析，如图8所示，该SERS单元包括厚度约0.3mm的金属铝层和厚度约80nm的多孔氧化铝层组成的基材、以及分布在氧化铝多孔(即为本发明的纳米凹陷部)中的金纳米粒子聚集体。多孔氧化铝的孔径约为90nm，孔深度约为80nm，相邻两个孔之间的距离约为20nm。金纳米粒子聚集体由粒径约40nm的金纳米粒子组成。90％以上的纳米粒子聚集体由3～7个金纳米粒子组成。80％以上的纳米粒子聚集体由4～6个金纳米粒子组成。纳米粒子聚集体所包含的金纳米粒子平均个数为5个。每个纳米凹陷部内的纳米粒子基本呈单层排布。

实施例2

本实施例提供一种SERS芯片，其基本同实施例1，不同处仅在于制备时控制浸渍时间为5h。经过SEM图表征和分析，如图9所示，在各纳米凹陷部内均形成了纳米粒子聚集体，绝大多数的纳米粒子聚集体均含有多个聚集在一起的纳米粒子，90％以上的纳米粒子聚集体含有的纳米粒子数为6～10个，80％以上的纳米粒子聚集体含有的纳米粒子数为7～9个。纳米粒子聚集体所包含的纳米粒子平均个数为8个。每个纳米凹陷部内的纳米粒子基本呈单层排布。

实施例3～10

与实施例1相同，不同的是，另取8个SERS单元基材分别浸入浓度约1×10¹⁰个/mL的银纳米粒子分散液中，经过不同浸渍时间后取出晾干，实施例3～10的SERS芯片中纳米粒子聚集体所包含的纳米粒子平均个数分别为1个、2个、3个、3个、6个、7个、9个、10个。

实施例11

本实施例提供一种SERS芯片，其基本同实施例1，与实施例1不同的是，纳米凹陷部的口径约500nm，纳米凹陷部的深度约300nm，相邻二个纳米凹陷部之间的距离约约50nm。浸渍时间为0.5h。如图7所示，本实施例的SERS芯片中，各纳米粒子聚集体含有的纳米粒子数为1～10个，80％以上的纳米凹陷部内具有3-7个纳米粒子，纳米粒子平均个数为4个。

实施例12

本实施例提供一种SERS芯片，其基本同实施例1，与实施例1不同的是，纳米凹陷部的口径约200nm，纳米凹陷部的深度约150nm，相邻二个纳米凹陷部之间的距离约为40nm。浸渍时间为1h。80％以上的纳米粒子聚集体含有的纳米粒子数为3～6个，纳米粒子平均个数为5个。

实施例13

本实施例，提供了一种拉曼光谱检测系统，所述测试系统包括拉曼光谱仪和SERS芯片。SERS芯片包括表面设置有检测区域的基板，检测区域中设置有1个或多个实施例1～12中的SERS单元。通过将样品滴加在SERS单元表面或者将SERS单元浸泡在样品溶液中预定时间后装入SERS芯片。使用拉曼光谱仪对SERS芯片检测区域进行检测。拉曼光谱仪可以是已知的各种类型的拉曼光谱仪，包括但不限于台式拉曼、便携式拉曼、手持式拉曼、微拉曼等，没有任何限制。

SERS芯片的性能测试

对实施例1的SERS芯片的性能进行测试，过程如下：分别配置浓度为1ppm的标准物质乙醇溶液，标准物质分别为三聚氰胺、孔雀石绿、苏丹红I、六甲基四胺。取200ul配制的溶液，将芯片浸泡其中，十分钟后取出，乙醇冲洗后晾干，随后进行拉曼光谱测试。

测试结果如图13所示，在1ppm的低浓度下，该SERS单元仍能清晰显示这几种物质的典型特征峰，说明该SERS单元具有较好的SERS活性。

利用实施例1～10的SERS芯片分别测试对三聚氰胺的检测活性，其检测活性对比如图10所示，说明平均纳米粒子数为3～6时，SERS芯片的检测活性较高，平均纳米粒子数为4～5时，SERS芯片的SERS增强因子高达10⁸。

分10个批次分别制备实施例1的SERS芯片，再进行对1ppm的三聚氰胺进行检测，检测结果的如图12所示，批次稳定性的误差在15％以内。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种SERS单元，其特征在于包括：

基材，其包括由第一材料构成的第一层、设置在所述第一层上方且由第二材料构成的第二层，所述第二层的上表面分布有多个纳米凹陷部；

2.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述第一材料、所述第二材料独立地为无机材料、有机材料或者无机/有机复合材料。

3.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述第一材料为金属或者合金，所述第二材料为金属氧化物或者非金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述第一材料包括硅、铝、钛、铬、铜中的至少一种，所述第二材料包括二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、二氧化铬中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述第一材料为铝，所述第二材料为氧化铝。

6.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述第二层的厚度为30nm～500nm。

7.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：相邻两个所述纳米凹陷部之间的距离不超过100nm，优选不超过50nm，更优选为10nm～30nm。

8.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米凹陷部的深度为30nm～150nm；所述纳米凹陷部的口部直径范围为50nm～1000nm，优选为100nm～500nm。

9.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米粒子聚集体含有的纳米粒子数为2～10个，优选3～6个，平均纳米粒子个数为3～6个。

10.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米粒子的粒径范围为15～120nm，优选为30～60nm。

11.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米粒子是选自金、银、铜、铂、铝中的一种或多种金属的合金的纳米粒子或它们的任意组合。

12.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述的纳米粒子聚集体中的纳米粒子紧密排列或紧密堆积，所述纳米粒子聚集体中相邻纳米粒子之间的间隙为1～2nm。

13.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米粒子聚集体中，所述纳米粒子单层排列。

14.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述基材由基体材料通过电化学阳极氧化法制作得到，所述的纳米粒子聚集体通过所述纳米粒子在所述纳米凹陷部内自组装形成。

15.根据权利要求1所述的SERS单元，其特征在于：所述纳米粒子聚集体包括位于所述纳米凹陷部的开口面以下的第一部分和位于所述纳米凹陷部的开口面以上的第二部分，所述第一部分的体积大于所述第二部分的体积。

16.一种SERS芯片，其特征在于：包括一个或者多个如权利要求1-15中任一项所述的SERS单元。

17.一种SERS检测系统，其特征在于：包括拉曼光谱仪和权利要求16所述的SERS芯片。

18.一种如权利要求1-15中任一项权利要求所述的SERS单元或如权利要求16所述的SERS芯片或如权利要求17所述的SERS检测系统在物质的痕量分析或生物分子的检测中的应用。