CN110201590B - 一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法，步骤如下：1)采用电子束光刻技术在聚二甲基硅氧烷微流混合器的检测区制备纳米尺度亲疏水阵列；2)向微流混合器通入分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液，在混合区充分混合，使分析物分子吸附于金属纳米颗粒表面；3)吸附有分析物分子的金属纳米颗粒吸附于微流混合器检测区中的亲水区，形成“金属纳米颗粒‑分析物分子‑金属纳米颗粒”三明治结构的二聚体或多聚体；4)洗去未吸附的纳米颗粒和分析物分子。本发明利用亲疏水阵列的图案调控实现尺寸和聚集形态可控的二聚体或多聚体制备，并将分析物分子耦合到表面等离激元“热点”区域，有利于对“热点”效应的进一步研究和利用。

Description

一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法，属于功能化微流器件的技术领域。
背景技术
当特定波长的入射光作用于金属纳米颗粒表面时，会激发自由电子的集体振荡，把光限制在金属纳米颗粒表面附近，即产生局域表面等离子体共振。当金属纳米颗粒彼此靠近时，等离子体振荡相互耦合，在纳米颗粒间隙内会产生极强的电磁场，其增强效应远远超过单个纳米粒子，该区域称为“热点”。但是，由于纳米颗粒间距离较小，分析物难以进入“热点”区域，在很大程度上限制了对于金属纳米颗粒等离激元共振耦合作用的研究和应用。
专利“基于微流混合器的SERS基底制备及检测一体化方法”
(CN201810004337)利用微流混合器将分析物吸附于金属纳米颗粒表面，在形成固相SERS基底时成功将分析物耦合在“热点”中，但制得的基底为单层纳米颗粒膜，包含大量“热点”，适于研究平均效应，而难以控制“热点”的个数，无法研究单个或多个“热点”中表面等离激元参与各种物理、化学过程的机制。
作为单个或多个“热点”效应研究的理想模型，纳米颗粒二聚体及多聚体的制备和研究成为人们日益关注的焦点。目前最常见的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法是以少量分子如DNA作为连接体进行纳米颗粒多聚体的组装，该方法中可以将分析物分子与连接体DNA相连，从而耦合于“热点”中，但是，该方法存在不易控制组装颗粒数、易形成链状或网状结构聚集体、纳米颗粒聚集形态难以控制以及产率较低等问题。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法，解决了分析物难以进入“热点”、“热点”个数不可控、以及传统的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备中聚集形态不可控、产率低、分析物难以进入“热点”等问题。
技术方案：本发明提供了一种三明治结构的纳米颗粒二聚体及多聚体的制备方法，该方法包括以下步骤：
1)采用电子束光刻技术，在聚二甲基硅氧烷PDMS微流混合器的检测区域制备纳米尺度的亲疏水阵列；
2)向上述微流混合器的通入分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液，在微流混合器的混合区域充分混合，使分析物分子吸附于金属纳米颗粒表面；
3)表面吸附有分析物分子的金属纳米颗粒吸附于微流混合器检测区域中的亲水区域，由于亲水区域的尺寸和形状限制，形成“金属纳米颗粒-分析物分子-金属纳米颗粒”三明治结构的二聚体或多聚体；
4)通入去离子水，洗去未被吸附的纳米颗粒和分析物分子。
其中：
所述的微流混合器包含混合区域和检测区域，分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液在混合区域内混合均匀后进入检测区域。
所述的分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液在混合区域内混合均匀，是指通过混合区域改变通道几何形状或施加外部扰动实现分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液的混合均匀。
步骤1)所述的在聚二甲基硅氧烷PDMS微流混合器的检测区制备纳米尺度的亲疏水阵列的具体步骤如下：
①在PDMS基片上旋涂光刻胶，并进行前烘；
②根据所需阵列图案，采用电子束光刻技术对光刻胶涂层进行曝光，之后再置于显影液，使曝光的光刻胶溶解于显影液中；
③显影完成后，对PDMS基片的表面进行氧等离子处理，并修饰亲水处理剂，使表面保持长期亲水性，再将未被曝光的光刻胶洗去，暴露出呈强疏水性的PDMS，从而形成亲疏水阵列。
其中步骤①所述的光刻胶为与电子束响应的正性光刻胶或者负性光刻胶；优选的光刻胶为正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯PMMA，所述的旋涂的转速为
3000r/min～7000r/min，所述的前烘的温度为80～120℃，前烘时间为2min～10min。
步骤②所述的显影液为与所述光刻胶相对应的显影液。
步骤②所述的电子束曝光时长为3min～25min，置于显影液中的时长为2min～15min，二者均根据所需的亲疏水阵列图案及尺寸进行调节。
步骤③所述的氧等离子处理的时长为30s～60s；步骤③所述的亲水处理剂为聚乙二醇PEG、聚乙烯吡咯烷酮PVP或者甲基丙烯酸羟乙酯HEMA。
步骤1)所述的纳米尺度的亲疏水阵列图案根据纳米颗粒尺寸以及多聚体数目和聚集形态的需要进行调节，阵列单元尺寸精度达到百纳米。
所述的纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、钯纳米颗粒、铝纳米颗粒、铁纳米颗粒、镍纳米颗粒、钛纳米颗粒、钴纳米颗粒、锌纳米颗粒或者铂纳米颗粒。
所述的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体“热点”的个数和分布可以通过调节多聚体中纳米颗粒的数量和聚集形态，即通过调节亲疏水阵列的图案及尺寸进行调控，有利于研究单个或多个“热点”中表面等离激元参与各种物理、化学过程的机制。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、本发明利用集成有纳米尺度亲疏水阵列的微流混合器制备纳米颗粒二聚体或多聚体，操作标准，易于控制，产率高，且确保制得的纳米颗粒二聚体或多聚体为单层沉积，可获得理想的金属纳米颗粒二聚体或多聚体研究模型；
2、本发明所述的方法可以通过简单地调节亲水区域阵列的尺寸和形状，从而可控地得到纳米颗粒二聚体或多聚体，以及调节纳米颗粒的聚集形态；
3、本发明所述的方法采用高混合效率的微流混合器，混合时间在毫秒量级，平衡扩散速率和吸附速率，确保分析物大量吸附于金属纳米颗粒上，并在形成二聚体或多聚体时被耦合在“热点”中，得到三明治结构，有利于对“热点”的进一步研究和应用；
4、本发明所制得的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体中“热点”的个数可以通过调节多聚体中纳米颗粒的数量，即通过调节亲疏水阵列的图案及尺寸进行调控，有利于研究单个或多个“热点”中表面等离激元参与各种物理、化学过程的机制。
附图说明
图1为基于微流混合器的三明治结构纳米颗粒二聚体的过程示意图；
图2为实施例1制得的“银纳米球-PATP-银纳米球”三明治结构的银纳米球二聚体的示意图；
图3为实施例2制得的“银纳米球-PATP-银纳米球”三明治结构的银纳米球三聚体的示意图；
图4为实施例3制得的“银纳米球-PATP-银纳米球”三明治结构的银纳米球四聚体的示意图；
图5为实施例4制得的“金纳米立方-PATP-金纳米立方”三明治结构的金纳米立方二聚体的示意图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
实施例中采用的微流混合器为混合时间在毫秒量级的级联式分裂-重组C-SAR混合器，通入该混合器的液体在混合区域利用一系列非对称三角形障碍物实现快速混合，混合完成后流入检测区域直通道。
实施例1：
一种三明治结构的银纳米球二聚体的制备方法，包括以下步骤：
(1)检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片：采用模塑法制备得到具有微流混合通道的PDMS基片，表面用正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯PMMA进行涂胶，匀胶机转速为7000r/min，之后置于烘箱中，以80℃进行前烘，前烘时间为5min；在检测区进行电子束曝光，曝光时间为6min，曝光后置于显影液中3min，再用去离子水清洗，得到纳米圆形阵列，纳米阵列在X轴方向和Y轴方向间距均为4μm，圆形直径为105nm，制备面积为100μm*100μm；利用氧等离子处理表面40s，之后用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行亲水处理，使表面保持长期亲水性；洗去光刻胶，暴露出强疏水性的PDMS，得到直径为105nm的圆形亲疏水阵列；
(2)三明治结构的银纳米球二聚体的制备：
将检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片与另一片PDMS盖片键合，得到微流控芯片。将直径约50nm的银纳米球溶液从微流混合器的两个侧通道分别同时通入，流速均为200μL/min；将5μM的PATP溶液从主通道通入，流速为40μL/min；在混合区域充分混合分析物和金属纳米颗粒，PATP大量吸附于纳米颗粒表面；表面吸附有PATP的银纳米球沉积在微流芯片检测区中的亲水区域；通入去离子水除去未被吸附的银颗粒和PATP；由于亲水区域为直径105nm的圆形，因此所得即为三明治结构的银纳米球二聚体，如图2所示。
实施例2：
一种三明治结构的银纳米球三聚体的制备方法，包括以下步骤：
(1)检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片：采用模塑法制备得到具有微流混合通道的PDMS基片，表面用正性光刻胶PMMA进行涂胶，匀胶机转速为4000r/min，之后置于烘箱中，以120℃进行前烘，前烘时间为2min；在检测区进行电子束曝光，曝光时间为12min，曝光后置于显影液中6min，再用去离子水清洗，得到纳米圆形阵列，纳米阵列在X轴方向和Y轴方向间距均为5μm，圆形直径为150nm，制备面积为200μm*100μm；利用氧等离子处理表面60s，之后用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行亲水处理，使表面保持长期亲水性；洗去光刻胶，暴露出强疏水性的PDMS，得到直径为150nm的圆形亲疏水阵列；
(2)三明治结构的银纳米球三聚体的制备：
将检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片与另一片PDMS盖片键合，得到微流控芯片。将直径约65nm的银纳米球溶液从微流混合器的两个侧通道分别同时通入，流速均为230μL/min；将4μM的PATP溶液从主通道通入，流速为45μL/min；在混合区充分混合分析物和金属纳米颗粒，PATP大量吸附于纳米颗粒表面；表面吸附有PATP的银纳米球沉积在微流芯片检测区中的亲水区域；通入去离子水除去未被吸附的银颗粒和PATP；由于亲水区域为150nm的圆形，因此所得即为三明治结构的银纳米球三聚体，如图3所示。
实施例3：
一种三明治结构的银纳米球四聚体的制备方法，包括以下步骤：
(1)检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片：采用模塑法制备得到具有微流混合通道的PDMS基片，表面用正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯PMMA进行涂胶，匀胶机转速为4000r/min，之后置于烘箱中，以80℃进行前烘，前烘时间为10min；在检测区进行电子束曝光，曝光时间为25min，曝光后置于显影液中15min，再用去离子水清洗，得到纳米矩形阵列，纳米阵列在X轴方向和Y轴方向间距均为5μm，矩形尺寸为170nm*170nm，制备面积为200μm*200μm；利用氧等离子处理表面，之后用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行亲水处理，使表面保持长期亲水性；洗去光刻胶，暴露出强疏水性的PDMS，得到尺寸为170nm*170nm的矩形亲疏水阵列；
(2)三明治结构的银纳米球四聚体的制备：
将检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片与另一片PDMS盖片键合，得到微流控芯片。将直径约80nm的银纳米球溶液从微流混合器的两个侧通道分别同时通入，流速均为150μL/min；将4μM的PATP溶液从主通道通入，流速为30μL/min；在混合区域充分混合分析物和金属纳米颗粒，PATP大量吸附于纳米颗粒表面；表面吸附有PATP的银纳米球沉积在微流芯片检测区中的亲水区域；通入去离子水除去未被吸附的银颗粒和PATP；由于亲水区域为尺寸170nm*170nm的矩形，因此所得即为三明治结构的银纳米球四聚体，如图4所示。
实施例4：
一种三明治结构的金纳米立方二聚体的制备方法，包括以下步骤：
(1)检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片：采用模塑法制备得到具有微流混合通道的PDMS基片，表面用正性光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯PMMA进行涂胶，匀胶机转速为3000r/min，之后置于烘箱中，以100℃进行前烘，前烘时间为10min；在检测区进行电子束曝光，曝光时间为6min，曝光后置于显影液中3min，再用去离子水清洗，得到纳米圆形阵列，纳米阵列在X轴方向和Y轴方向间距均为4μm，圆形直径为100nm，制备面积为100μm*100μm；利用氧等离子处理表面40s，之后用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)进行亲水处理，使表面保持长期亲水性；洗去光刻胶，暴露出强疏水性的PDMS，得到直径为100nm的圆形亲疏水阵列；
(2)三明治结构的金纳米立方二聚体的制备：
将检测区域集成亲疏水阵列的微流混合通道PDMS基片与另一片PDMS盖片键合，得到微流控芯片。将直径约45nm的金纳米立方溶液从微流混合器的两个侧通道分别同时通入，流速均为210μL/min；将5μM的PATP溶液从主通道通入，流速为40μL/min；在混合区域充分混合分析物和金属纳米颗粒，PATP大量吸附于纳米颗粒表面；表面吸附有PATP的金纳米立方沉积在微流芯片检测区中的亲水区域；通入去离子水除去未被吸附的金颗粒和PATP；由于亲水区域为直径100nm的圆形，因此所得即为三明治结构的金纳米立方二聚体，如图5所示。

Claims (5)

1.一种三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1）采用电子束光刻技术，在聚二甲基硅氧烷PDMS微流混合器的检测区域制备纳米尺度的亲疏水阵列；
2）向上述微流混合器通入分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液，在微流混合器的混合区域充分混合，使分析物分子吸附于金属纳米颗粒表面；
3）表面吸附有分析物分子的金属纳米颗粒吸附于微流混合器检测区域中的亲水区域，由于亲水区域的尺寸和形状限制，形成“金属纳米颗粒-分析物分子-金属纳米颗粒”三明治结构的二聚体或多聚体；
4）通入去离子水，洗去未被吸附的纳米颗粒和分析物分子；
所述的微流混合器包含混合区域和检测区域，分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液在混合区域内混合均匀后进入检测区域；
所述的纳米颗粒包括金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒、钯纳米颗粒、铝纳米颗粒、铁纳米颗粒、镍纳米颗粒、钛纳米颗粒、钴纳米颗粒、锌纳米颗粒或者铂纳米颗粒；
所述的在聚二甲基硅氧烷PDMS微流混合器的检测区制备纳米尺度的亲疏水阵列的具体步骤如下：
①在PDMS基片上旋涂光刻胶，并进行前烘；
②根据所需阵列图案，采用电子束光刻技术对光刻胶涂层进行曝光，之后再置于显影液，使曝光的光刻胶溶解于显影液中；
③显影完成后，对PDMS基片的表面进行氧等离子处理，并修饰亲水处理剂，使表面保持长期亲水性，再将未被曝光的光刻胶洗去，暴露出呈强疏水性的PDMS，从而形成亲疏水阵列；
所述的纳米尺度的亲疏水阵列图案根据纳米颗粒尺寸以及二聚体或多聚体数目和聚集形态的需要进行调节，阵列单元尺寸精度达到百纳米。
2.如权利要求1所述的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体的制备方法，其特征在于：所述的分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液在混合区域内混合均匀，是指通过混合区域改变通道几何形状或施加外部扰动实现分析物分子溶液和金属纳米颗粒溶液的混合均匀。
3.如权利要求1所述的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体的制备方法，其特征在于：步骤①所述的光刻胶为与电子束响应的正性光刻胶或者负性光刻胶；步骤②所述的显影液为与所述光刻胶相对应的显影液。
4.如权利要求1所述的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体的制备方法，其特征在于：步骤②所述的电子束曝光时长为3min～25min，置于显影液中的时长为2min～15min，二者均根据所需的亲疏水阵列图案及尺寸进行调节。
5.如权利要求1所述的三明治结构的纳米颗粒二聚体或多聚体的制备方法，其特征在于：步骤③所述的氧等离子处理的时长为30s～60s；步骤③所述的亲水处理剂为聚乙二醇PEG、聚乙烯吡咯烷酮PVP或者甲基丙烯酸羟乙酯HEMA。
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