CN110286114A - 纳米颗粒莱可格斯杯器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纳米颗粒莱可格斯杯器件及其制备方法。本发明的纳米颗粒莱可格斯杯器件包括柱体结构，其中柱体结构包括布置在具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底上的纳米柱、形成在纳米柱表面的Au层、形成在Au层表面的Ti粘附层以及在Ti粘附层表面的等离子体Au球形纳米颗粒。

Description

纳米颗粒莱可格斯杯器件及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种纳米颗粒莱可格斯杯器件及其制备方法。

背景技术

纳米材料独特的比色光学特性可有效影响分子的光吸收或发射。在不 影响信噪比的情况下实现信号放大是传感和检测的关键所在。纳米尺度金 属物表面附近发现强电场约束和散射现象，即所谓的“等离子体效应”， 从而产生表面增强拉曼散射场(SERS)。因此，在传感领域一直未得到充 分利用的本质较弱拉曼信号，目前正越来越多地利用其在等离子体表面附 近的放大信号来获取独特分子信息。SERS用于传感目标分析物的优点在 于无需光标记(如荧光团和发色团)的直接定量，这需要采用基于定位标记 或酶化学反应的其他步骤。其高特异性甚至可以在复合培养基(如细胞培养 基、血清或缓冲液)中进行检测。此外，与荧光不同的是，它不存在光漂白 问题。基于上述优势，SERS技术通过调节传感表面的等离子体特性，实 现了对肿瘤标志物、葡萄糖、感染相关疾病生物标志物、药物甚至是水果 农药残留的检测。

由于SERS增强因子较大，许多基于等离子体的SERS衬底都采用Ag 而非Au制备。由于Au在可见光范围内带间跃迁对等离子体振荡的阻尼作 用更强，其SERS增强因子往往小于Ag。然而，Ag在高电解质浓度条件 下容易发生氧化，因此，在高盐溶液中检测目标时，使用银SERS衬底需 要特别谨慎。由于其不稳定的特性，许多基于Ag的SERS传感器无法重 复使用或回收。此外，Ag等离子体表面产生的强SERS，有时会在传感过 程中被怀疑存在Ag氧化，导致Ag尺寸或形状发生变化，并随着时间的推 移呈现出不同的SERS结果。

为利用SERS信号在复杂培养基或高电解质条件下对目标进行传感， 理想的等离子体SERS衬底由稳定性高于Ag的材料组成。利用Au制备 SERS活性等离子体衬底时，需要通过表面处理光学工程来弥补与银相比 SERS增强因子较低的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在上述缺陷，提供一 种能够在不改变纳米结构设计的情况下简化了等离子体共振条件的调制 并且使得使得SERS强化适用于多种不同的拉曼测量条件纳米颗粒莱可格 斯杯器件及其制备方法。

根据本发明，提供了一种纳米颗粒莱可格斯杯器件，包括柱体结构， 其中柱体结构包括布置在具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底上的纳米柱、 形成在纳米柱表面的Au层、形成在Au层表面的Ti粘附层以及在Ti粘附 层表面的等离子体Au球形纳米颗粒。

优选地，Au球形纳米颗粒是自组装等离子体纳米颗粒。

优选地，Au球形纳米颗粒与底层等离子体纳米结构之间具有强约束电 场的宏观均匀等离子体耦合。

优选地，纳米颗粒莱可格斯杯器件包括：多个柱体结构。

优选地，多个柱体结构以矩阵形式形成在基底上。

优选地，Au层103的厚度为90nm。

优选地，Ti粘附层104的厚度为90nm。

根据本发明，还提供了一种上述纳米颗粒莱可格斯杯器件的制备方 法，包括：

第一步骤：制备nanoLCA；

第二步骤：针对nanoLCA，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的连接 分子执行自组装制备处理。

优选地，制备nanoLCA包括：利用由纳米柱阵列组成的石英模具采用 复制成形制备nanoLCA衬底，利用激光干涉光刻技术对光刻胶块阵列进行 图案制作，随后利用蚀刻解析石英模具上的纳米柱阵列，将石英模具上的 光聚合物用紫外线照射进行固化以形成具有纳米孔道阵列结构的聚合衬 底，在聚合衬底上沉积Au层，然后再沉积一层Ti粘附层。

优选地，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的连接分子执行自组装制 备处理包括：半胱胺通过硫醇-Au键合自组装在Au nanoLCA表面，并且 在冲洗未结合的半胱胺分子后，在Au nanoLCA上形成半胱胺自组装单分 子层，利用Au NP溶液在半胱胺-Au nanoLCA衬底上孵育，使得衬底上产 生Au NP的自组装单分子层，随后用水冲洗衬底，氮气吹扫残余液体，完 成NP-nanoLCA的制备。

在保持拉曼测量稳定性和可靠性的同时，本发明在此进行采用了三维 热点工程技术，以改善SERS效应。本发明在三维纳米阵列结构上引入等 离子体Au球形纳米颗粒(NP)，利用等离子体效应调节热点的数量和密 度。许多研究者主要关注利用二维纳米颗粒阵列优化SERS衬底设计，本 发明则利用纳米杯周期性脱附膜为模板进行均匀的三维纳米颗粒组装，从 而实现该衬底上的三维等离子体耦合。纳米颗粒和纳米杯阵列的等离子体激元之间大量三维等离子体激元耦合中观察到的SERS增强因子强于2D 纳米颗粒阵列，因为强电场约束导致热点更加密集。

附图说明

结合附图，并通过参考下面的详细描述，将会更容易地对本发明有更 完整的理解并且更容易地理解其伴随的优点和特征，其中：

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器 件的示意图。

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器 件的制备方法的流程图。

需要说明的是，附图用于说明本发明，而非限制本发明。注意，表示 结构的附图可能并非按比例绘制。并且，附图中，相同或者类似的元件标 有相同或者类似的标号。

具体实施方式

为了使本发明的内容更加清楚和易懂，下面结合具体实施例和附图对 本发明的内容进行详细描述。

实现SERS的最低要求是在传感表面附近存在等离子体激元共振，而 SERS增强因子的强弱则与等离子体共振条件和SERS检测条件的密切程 度紧密相关。拉曼信号可在强激发能作用下放大。由于等离子体共振条件 附近存在强电场约束和散射现象，可以匹配等离子体共振与激发源波长实 现SERS额外增强。为提升SERS性能，在等离子体对象附近也使用成对 发色团进行了类似的研究。等离子体共振波长与激发激光波长相匹配时， 激发分子振动的光子越多，拉曼散射越强。大多数SERS衬底均专门用于 实现与拉曼激发波长匹配的等离子体共振条件(例如，785nm)。此种纳米结 构工程的主要缺陷在于测量条件限制，部分目标分子的检测需要不同的激 光激发能量或波长。

为能感应具有不同拉曼探测条件(例如，不同激发激光波长)的目标， 需要采用能容易调节的一种等离子体共振条件易于调节的SERS衬底。本 文介绍了一种由纳米杯阵列构成的等离子体衬底，它是一种多功能、高效、 稳定的SERS传感器。比色特性是纳米杯阵列所引致的一种特征等离子体 效应：可见光范围内的透射或反射峰随等离子体共振条件的改变而移动， 因此，器件表面相应的颜色在透射或反射模式下发生变化。周围折射率(RI)发生变化时，等离子体共振条件发生较灵敏的变化，通过使用这种比色特 性的纳米杯阵列提供一种额外自由度调节SERS性能。换而言之，传感表 面的RI变化使得等离子体共振波长与拉曼激发源波长匹配，进一步提高 SERS增强因子(EF)。基于此种比色纳米杯阵列衬底-即所谓的纳米 -Lycurgus杯(莱可格斯杯)阵列(nanoLCA)衬底，本发明通过操作该传感 衬底上的传感介质展示了一种可调节SERS增强因子。

虽然nanoLCA(纳米LCA)本身具备良好的SERS性能，但在Au纳 米杯阵列上添加AuNP可实现更显著的改善；其实现方式为：等离子体传 感表面组装等离子体NP，从而形成更密集的热点。示意图(图1)展示了 通过在nanoLCA上进行NP组装增强SERS改善效果的想法。

<第一实施例>

图1示意性地示出了根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器 件的示意图。

如图1所示，根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器件包括： 柱体结构，其中柱体结构包括布置在具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底 101上的纳米柱102、形成在纳米柱102表面的Au层103、形成在Au层 103表面的Ti粘附层104以及在Ti粘附层104表面的等离子体Au球形纳 米颗粒105。

其中，Au球形纳米颗粒是自组装等离子体纳米颗粒。

而且其中，Au球形纳米颗粒与底层等离子体纳米结构之间具有强约束 电场的宏观均匀等离子体耦合。

优选地，纳米颗粒莱可格斯杯器件包括：多个柱体结构。优选地，多 个柱体结构以矩阵形式形成在基底上。

优选地，Au层103的厚度为90nm。

优选地，Ti粘附层104的厚度为90nm。

<第二实施例>

图2示意性地示出了根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器 件的制备方法的流程图。

如图2所示，根据本发明优选实施例的纳米颗粒莱可格斯杯器件的制 备方法包括：

第一步骤S1：制备nanoLCA；

例如，制备nanoLCA包括：利用由纳米柱阵列组成的石英模具采用复 制成形制备nanoLCA衬底，利用激光干涉光刻技术对光刻胶块阵列进行图 案制作，随后利用蚀刻解析石英模具上的纳米柱阵列，将石英模具上的光 聚合物用紫外线照射进行固化以形成具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底， 在聚合衬底上沉积Au薄层，然后再沉积一层9Ti粘附层。

第二步骤S2：针对nanoLCA，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的 连接分子执行自组装制备处理，以完成NP-nanoLCA的制备。

例如，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的连接分子执行自组装制备 处理包括：半胱胺通过硫醇-Au键合自组装在Au nanoLCA表面，并且在 冲洗未结合的半胱胺分子后，在Au nanoLCA上形成半胱胺自组装单分子 层，利用Au NP溶液在半胱胺-Au nanoLCA衬底上孵育，使得衬底上产生 Au NP的自组装单分子层，随后用水冲洗衬底，氮气吹扫残余液体，完成 NP-nanoLCA的制备。

<具体示例>

混合NP纳米杯阵列结构的制备与光学特性测量

制备nanoLCA和the NP-nanoLCA对SERS性能进行评价。采用复制 成形制备nanoLCA衬底，模具由纳米柱阵列组成。利用紫外光固化聚合物 通过复制成型技术制备聚合纳米杯阵列结构。后期在聚合纳米杯阵列结构 上沉积Ti(9nm)和Au(90nm)薄层，获得了nanoLCA衬底等离子体特性 23。利用扫描电子显微镜(SEM)对其表面形貌进行表征。nanoLCA制备完 成后准备NP-nanoLCA衬底。两端都存在胺和硫醇官能团的半胱胺用作连接分子，通过静电方式将带负电荷的NP静电吸引到nanoLCA表面20,25。 半胱胺处理nanoLCA表面后孵育24小时组装50nm金Au NP，导致NP 自组装单分子层(SAM)在nanoLCA衬底上形成NP-nanoLCA20。NP的平 均数量为4.26NP/纳米杯。

nanoLCA表面等离子体共振波长与透射峰相当，因为nanoLCA在其 等离子体共振处表现出很强的特殊透射现象。nanoLCA在空气和水中的等 离子体共振波长分别为536nm和586nm，而NP-nanoLCA分别为533nm 和592nm。倒三角形标记的透射峰代表局部表面等离子体共振模，其在 SERS和电磁场散射中发挥着至关重要的作用。nanoLCA和NP-nanoLCA 在空气和水中的共振波长差值只有3nm和6nm，但NP-nanoLCA拉曼散 射强度远大于nanoLCA。利用10μM若丹明6G(R6G)测量了nanoLCA 和NP-nanoLCA拉曼散射，积分时间为1秒，激光功率为120pW。NP在 nanoLCA结构上组装时，所有特征R6G拉曼峰(即607.2、770、1177、 1308、1357、1504、1572和1644cm-1)的强度均有所增加。利用1357cm-1 处代表芳香C-C拉伸28的拉曼峰强度计算EF。nanoLCA上组装NP之后， 峰强度增加了54.74倍。

此种SERS衬底上添加等离子体Au NP(即nanoLCA)在传感表面形成 密度更高的热点，从而实现更高的SERS性能。虽然各nanoLCA和 NP-nanoLCA的等离子体共振波长彼此接近，但NP-nanoLCA的SERS增 强效果超过50倍，表明同一传感区域的热点密度和数量对SERS增强至关 重要。

同其他关于SERS的报告相比，本实验所用1秒的积分时间和120pW 的激光功率都相对较短/小；在mV范围激光功率的SERS测量中通常使用 10到30秒的积分时间29-31。这表明，nanoLCA和NP-nanoLCA因其强 光散射特性而能够实现低能耗的低成本拉曼测量。此外，拉曼测量过程中 采用较短的积分时间可避免底层传感表面熔化或变形-特别是当衬底由顶部金属层下面的聚合物构成时。

利用比色法调节等离子体共振，以获得最优SERS EF。等离子体共振 波长处观察到纳米材料金属表面的强散射电场；共振波长越接近激光激发 波长，SERS越强，因为分子激发过程中会有更多光子参与。有研究者曾 提出等离子体共振与激发激光波长匹配增强SERS的方法32,33。大多数报 告研究显示，为设计特定波长(即拉曼激发波长)条件下的等离子体共振， 需要制作新的衬底结构。不同于这些研究报告的是，将比色等离子体表面 用作SERS衬底，可轻松控制等离子体共振条件，从而避免额外的衬底设 计和制造需求，有效节省衬底重新设计造成的额外时间和成本。比色传感 器等离子体共振可通过控制周围的RI34实现；因此，具有可调谐共振波 长的单衬底可用于SERS EF较高的多种不同拉曼条件。

考虑到nanoLCAs比色特性或周围RI增加过程中因等离子体共振波长 红移所致透射颜色渐变，空气(1RIU，或干燥状态)和水(1.33RIU，或 湿态)中nanoLCA上的拉曼测量预计会产生不同的SERS EF。为寻找比 色等离子体衬底上的最优SERS条件，本发明研究了等离子体共振波长与 拉曼测量条件(例如：激光激发波长(如532nm或632nm))之间的关系。nanoLCA在空气中的表面等离子体共振波长更接近于532nm的激光波长， 而在水中的等离子体共振更接近于632nm的激光波长。本发明验证结果 显示，532nm激光源在空气中的R6G拉曼散射要大于632nm激光源的测 量结果(参见补充图S3)。532nm光源条件下，由于器件表面等离子体共振 波长附近的散射光量较大，使得SERS增强幅度较大。

R6G拉曼测量主要在632nm条件下进行，因为R6G分子在532nm 处受到激发时会发出荧光；因此，R6G拉曼测量的理想SERS衬底应具备 接近632nm的表面等离子体共振波长。本发明利用nanoLCA衬底的比色 特性，通过调节表面等离子体共振定位在632nm附近，其实现方式是表 面的界面介电特性。先前的实验已证明，nanoLCA与水界面的表面共振波 长为586nm，更接近于632nm的激光激发波长。本发明利用该位移表面 等离子体共振条件和632nm激发激光源表征了nanoLCA和NP-nanoLCA 衬底的SERS性能。

nanoLCA和NP-nanoLCA在湿态的SERS增强幅度均高于干燥状态测 量结果。NanoLCA平均增加2.16倍，NP-nanoLCA平均增加2.17倍。

因为周围介质由空气变为水时，两种衬底表面等离子体共振波长的位 移量基本相当，nanoLCA和NP-nanoLCA上实现了类似的SERS EF(即： nanoLCA和NP-nanoLCA分别为586nm和592nm)。湿态条件下较大的 SERS EF意味着nanoLCA或NP-nanoLCA对生物传感影响十分显著，而 生物传感通常涉及缓冲液、电解质或细胞培养基。由于无需干燥传感表面 溶剂的直接目标分析更适合生物医学应用，具备比色特性且基于Au的稳 定nanolca或NP-nanoLCA都是理想的SERS衬底。

分子光吸收特性有时非常易受周围介质介电特性的变化影响。结果表 明，R6G的光吸收随空气中含水量的增加而减少。如果分子吸收光量减少， 拉曼散射也有可能减少；尽管如此，等离子体nanoLCA衬底在湿态条件下 测量时拉曼散射强度增加两倍多，表明等离子体激元的SERS效应通过提 供更大的分子激发主导着内在分子光学特性的变化。

R6G浓度不断增大过程中的拉曼光谱在水环绕条件下进行了 NP-nanoLCA测量，最低可检测浓度为100nM。本发明将2pL的R6G溶液 (100nM)置于半径1mm的区域上得到63.66fmol/mm2的密度。本发明 在6.06μM激光焦点尺寸条件下以20倍物镜观察R6G分子实际数量时， 1.836attomol R6G中收集到拉曼信号。因此，NP-nanoLCA作为一种良好 的SERS平台可将检测限下降至attomol范围。考虑每个纳米杯对应的R6G 分子数量时(周期为350nm)，NP-nanoLCA上每个纳米杯检测到大约4696 个R6G分子。

虽然对于SERS测量而言，100nM R6G的浓度似乎相对较高，但检测 时仅减少了2pl的100nM R6G，并使用几百微瓦范围的激光功率进行测量。 同其他SERS研究相比，此种传感所需体积非常小。例如，使用Au单层 膜检测0.1nM R6G，但所用体积为100pl。另一项开展的研究中使体积减 少10pL，同时用90mw激光功率测量～2nm R6G的SERS值，该值是本发 明激发拉曼光谱所用功率(即120pW)的750倍。因此，NP-nanoLCA非 常适用于基于血清素的便携式化学检测，可在样本量有限且功率较低的情 况下有效应用。

热点密度的影响。通过测量NP-nanoLCA衬底上1357cm-1处的拉曼 峰强度绘制了R6G拉曼强度图。本实验制备了三种不同纳米级NP平均数 量的底物，并对其进行了表征。将NP溶液在cysteamine-nanoLCA衬底上 孵育16小时，每个纳米杯平均得到2.9个NP；将NP溶液孵育48小时， 每个纳米杯平均得到5.6个NP。尽管NP在nanoLCA结构上是半随机组 装，但在较大区域内得到一致的SERS-特别是当NP-nanoLCA为5.6NPs/ 纳米杯时。由于大约230个纳米杯接受单次激光辐射照射，得到的拉曼信 号是230个纳米杯的平均SERS性能，表明NP-nanoLCA上SERS性能非 常均匀。

5mm×5mm区域内20个不同点的全拉曼光谱同样验证了信号的均匀 性，满足了良好可靠SERS衬底备选要求-即“大面积均匀SERS性能”。 此种均匀的性能通过底层自上向下制备的周期性三维结构(即纳米杯阵 列)。与基于胶体的传统二维SERS衬底不同，此种自上而下制备的周期性 纳米结构等离子体衬底具有更均匀的光学特性，可作为均匀等离子体耦合 的平台。因此，诱导自组装等离子体NP与底层等离子体纳米结构之间具 有强约束电场的宏观均匀等离子体耦合，是增强nanoLCA衬底SERS的有 效方法，适用于许多现有SERS衬底。

如前文所述，NP组装过程中可通过改变NP溶液的孵育时间来调整每 个纳米杯中组装的NP数量。通过比较具有0NP/纳米杯的nanoLCA和 NP-nanoLCA在1357cm-1处的拉曼峰强度对增强因子进行计算。随着NP 在nanoLCA衬底上组装数量的增加，可观察到拉曼强度的线性响应。每个 纳米杯组装超过2.9个NP时表现出较强相关性。当每个纳米杯平均5.7NP组装在nanoLCA衬底上时，SERS的平均最大增幅度为60.94倍。该 NP-nanoLCA上的增强因子大于使用商业Klarite SERS衬底的R6G检测。

若在同一nanoLCA衬底上组装更多NP，则SERS EF会增加更多。可 以考虑采用两种主要方法增大nanoLCA上的NP密度：(1)增加nanoLCA 上的连接分子密度；(2)增加组装用NP溶液的浓度。具体示例所用半胱胺 分子溶液浓度为10mM,相当于1μM3体积内的6.023x 106个分子。相比 而言，NP溶液浓度为2.0x 1011颗粒/mL，相当于每1μM 3体积内只有 0.2个颗粒。因此，若使用浓度更高的NP溶液进行NP自组装，则可通过 在传感表面获得更密集的热点来增强SERS。

三维等离子体耦合效应。平坦表面上组装二维等离子体Au或Ag纳米 等离子体阵列也具有良好的SERS性能，但二维NP阵列的SERS性能完 全取决于它们之间NP排列的紧密程度或NP的组装质量。

与这些二维NP阵列SERS衬底不同的是，底层等离子体纳米结构衬 底使用时产生三维NP阵列，而且，由于两个等离子体激元(一个来自组 装完成的NP，另一个来自纳米结构衬底)之间的极细微分离处的附加光 学耦合，其支持更强的局域表面等离子体共振效应。NP与衬底之间的间 隙主要取决于能实现NP组装的连接分子长度。组装后的NP与衬底之间的分离程度在1nm范围内；因此，即使NP的二维组装不紧密，但强电磁 场限制在NP和等离子体纳米结构之间的一个极小间隙内，使SERS能够 放大。

由于自下而上合成的球形纳米颗粒通过表面化学自组装可以在两个 等离子体表面之间形成不到1nm的均匀间隙，该制备方法适合SERS应用。 有研究论文展示了如何通过物理气相沉积或电化学沉积制备纳米颗粒结 构。这些方法可通过单个步骤制作此种结构，但所得纳米颗粒结构与所沉 积的纳米颗粒结构之间缺乏均匀分离；因此，上述方法很难实现等离子体 耦合和热点的均匀分布和良好控制。除均匀的等离子体耦合效应之外，NP 自组装还沿底层结构三维表面实现三维耦合效应。

为评估底层等离子体衬底与组装NP组合的影响，本发明测量并比较 了三种不同衬底的拉曼散射：Au膜、带NP SAM的Au膜和带NP SAM的 Au nanoLCA。载玻片上沉积相同厚度(即90nm)的Au制备薄膜衬底。 NP组装的Au膜在拉曼峰1357cm-1处的强度比Au膜高6.28倍。相比而 言，将NP组装在nanoLCA而不是薄膜上时，其增强幅度为24.58倍。

这意味着，等离子体纳米结构上NP组装的额外等离子体耦合添加了 更强和更密集的热点，最终实现了拉曼散射的放大。此外，NP在三维结 构上的组装使更多热点与拉曼探针分子接触，从而提升SERS性能。

SERS活性稳定性是SERS传感器的关键特性之一。NP-nanoLCA的 SERS效果在8个月的时间内未出现明显下降。同一NP-nanoLCA衬底上 不同时间进行了R6G拉曼散射测量。一组测量在NP-nanoLCA制作完成一 天后进行，另一组则是在器件制作完成八个月后进行。将100μM R6G 溶液滴在清洁表面上，每次测量之前进行干燥处理。测量采用相同的激光 功率(120pW)，积分时间为1秒；每个光谱代表五个不同点的平均测量值。 八个月后，特征峰强度下降5.25％，变化幅度未超出每组光谱测量的标准 差范围；因此，NP-nanoLCA可以视为稳定的SERS衬底。

采用trans-1,2-bis(4-联吡啶)乙烯(BPE)探针分子表征了nanoLCA和 NP-nanoLCA基底的SERS性能。类似于R6G结果，同干燥状态测量结果 相比，nanoLCA和NP-nanoLCA在水中的SERS效应分别增大了2.24倍和 2.43倍。此外，NP-nanoLCA的拉曼散射强度始终高于nanoLCA；同nanoLCA结果相比，NP-nanoLCA上观察得到的BPE拉曼峰强度平均增大 18.05倍。尽管NP-nanoLCA相对于检测BPE用nanoLCA的EF小于R6G 检测结果，但NP组装在nanoLCA表面确实提高了SERS性能。

在NP-nanoLCA表面预涂半胱胺SAM是BPE增强因子小于R6G检测 的主要原因。BPE固定过程中，半胱胺与BPE在NP-nanoLCA表面平衡交 换。由于常规nanoLCA的表面不含半胱胺SAM，致密的BPE分子吸附在 nanoLCA而非NP-nanoLCA上；因此，NP-nanoLCA上检测到的BPE数量 小于nanoLCA，与R6G定量相比，BPE测量的EF变小；这意味着，对于 检测与纳米表面相同数量的BPE分子，NP-nanoLCA表面的SERS增强幅 度将超过18.05倍。

等离子体条件与拉曼激发匹配的重要性。nanoLCA和NP-nanoLCA在 湿态下(即：使用水传感介质)均表现出增强拉曼光谱的作用，主要是因 为表面等离子体共振波长的红移。共振波长在533nm条件下向较大波长 (即590nm)移动，使其更接近激光激发波长(即632nm)。另一方面，水中测 量时发生移动的共振波长(即592nm)与激发波长并非完全相同(即 632nm)。由于nanoLCA或NP-nanoLCA的共振波长随RI20周围值的增加 呈线性红移，本发明跟踪观察了NP-nanoLCA上不同甘油溶液浓度(0％、 20％、40％、60％和100％)条件下等离子体的响应情况。NP-nanoLCA周围 介质由0％甘油(水)变为100％甘油时，共振波长从592nm变为628nm。 100％甘油时的等离子体共振波长最接近632nm的激光激发波长。

为了解等离子体共振与拉曼激发条件之间匹配度的影响，分别在“周 围介质为空气”、“0％甘油(水)”和100％甘油条件下在NP-nanoLCA上测 量了10μM R6G的拉曼光谱。激光激发波长始终保持在632nm。由于共 振波长非常接近激发波长，当周围介质由空气变为0％甘油和100％甘油时， 特征拉曼峰强度分别增加2.8倍和4.6倍。

这展示了使用比色底层衬底(即nanoLCA)，通过简单替换传感表面的 RI调节SERSEF的优势所在。因此，比色衬底在检测多种不同的靶分子 时能够保持并显示出优异的SERS性能，这些靶分子可能具备不同的最佳 拉曼测量条件。

电场分布的数值时域有限差分计算也验证了等离子体共振与激光激 发波长(632nm)匹配以实现有效SERS性能的重要性。每个纳米杯内具有 不同数量NP(即4-6个NP)的NP-nanoLCA结构进行建模，并计算电场 分布(|E|)。NP-nanoLCA上因周围RI增加(即RI＝1.0、1.3和1.4)致使电 场约束增强情况，通过局部电磁场增强所致激发能增强实现SERS强化。 结果还表明，随着纳米颗粒数的增加，NP与纳米杯表面间隙处产生的热 点密度增大。

藉由nanoLCA和NP-nanoLCA衬底界面介电控制展示了利用比色等 离子体衬底的可调谐SERS EF。通过以下方式改善EF：(1)通过沿nanoLCA 三维表面进行的NP低成本自组装实现等离子体激元之间的较小间隙；(2) 调节表面等离子体共振条件，在激光激发波长附近提供更高的分子激发 能。这两种方式可在稳定的Au等离子体SERS衬底上实现均匀的高强度 SERS性能。

沿nanoLCA结构三维表面进行NP自组装是在比色等离子体衬底上实 现均匀高强度SERS的一种简便的低成本方法。NP和nanoLCA衬底之间 连接分子不到1nm的间隔距离产生强电磁场；因此，更多光子参与分子激 励，拉曼散射亦是如此。三维NP阵列对拉曼信号的放大幅度高于薄膜上 的二维NP阵列。三维nanoLCA衬底上进行的NP组装利用等离子体激元耦合实现更高的热点密度，从而改善SERS性能。同原先的nanoLCA衬底 相比，NP-nanoLCA上R6G检测时拉曼强度的平均增加幅度为60.94倍。 调节等离子体共振波长使其更接近激光激发波长，可进一步改善SERS的 R6G和BPE检测性能。

(NP-)nanoLCA衬底的比色特性通过对周围介质RI的控制促进了等离 子体共振的调谐。当等离子体共振波长接近拉曼激发波长时得到最大 SERS EF。对于NP-nanoLCA，等离子体共振波长接近632nm拉曼激发波 长的湿态测量中得到较大的SERS EF。

湿态测量过程中通过NP-nanoLCA比色特性实现的较大SERS EF对生 物医学应用具有巨大意义，因为其可更灵敏地检测细胞培养基或溶液等复 合液体介质中的目标分子，不需要干燥溶剂。鉴于等离子体共振波长可在 不改变其结构的情况下进行调谐，无论每种化学物质可能需要哪种拉曼激 发条件，NP-nanoLCA衬底都可以始终为各种化学检测提供良好的SERS 性能。

NanoLCA和NP-nanoLCA的制作

制备nanoLCA和the NP-nanoLCA对SERS性能进行评价。采用复制 成形制备nanoLCA衬底，模具由纳米柱阵列组成。利用激光干涉光刻技术 对光刻胶块阵列进行图案制作。随后的蚀刻过程解析石英模具上的纳米柱 阵列。将模具上的光聚合物(即NOA61)用紫外线照射1分钟进行固化，形 成具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底。聚合衬底上沉积90nm的Au薄层， 然后再沉积一层9n Ti粘附层，实现等离子体对该纳米杯阵列结构的影响。

通过两端均含有氨基和硫醇官能团的连接分子自组装制备 NP-nanoLCA。半胱胺通过硫醇-Au键合自组装在Au nanoLCA表面。乙醇 中半胱胺的浓度为10mM。冲洗未结合的半胱胺分子后，Au nanoLCA上 形成半胱胺SAM。50nm Au NP溶液(2.0x 1011粒/mL，购自TedPella)在 半胱胺-Au nanoLCA衬底上孵育24小时，衬底上便会产生Au NP的SAM。 用水冲洗衬底，氮气吹扫残余液体，完成NP-nanoLCA的制备。

拉曼测量

实验过程中所用探针分子为R6G和BPE。所有化学品均购自 Sigma-Aldrich公司。2pL的10nM、100nM、1μM、10μM和100μM R6G 滴到等离子体衬底上。拉曼测量进行之前溶剂蒸发。为避免产生任何咖啡 环效应，器件置于75℃热板上，直至溶剂完全蒸发。5mm BPE溶液(乙 醇)孵育24小时，在单独的衬底上组装成单层BPE。Au nanoLCA或Au NP-nanoLCA上的BPE SAM通过Au表面与BPE分子之间的Au-吡啶氮键 合形成。

这些探针分子的拉曼信号由采用632nm激光源的Horiba共焦拉曼仪 检测；激光功率为120pW，使用20倍物镜(数值孔径＝0.4)。为测试周围 RI对SERS衬底的影响，分别在空气和水中对nanoLCA进行了拉曼光谱 测定，并使用相同的测量条件对NP-nanoLCA上的相同靶分子进行拉曼光 谱采集。

透射测量。用BioTek Synergy HTX酶标仪读取透射光谱。将光谱归一 化为空白孔(空孔)强度；因此，光谱透射率单位为％。本发明发现，该酶 标仪所得透射光谱和峰位与Cary 5G光谱仪所得光谱无异24。液体界面透 射测量中，每种溶液200pL滴在酶标仪底部连接的(NP-)nanoLCA衬底上。

时域有限差分模拟利用时域有限差分模拟软件(Lumerical Solutions, Inc.，加拿大温哥华)构建并模拟三维nanoLCA和NP-nanoLCA模型。 nanoLCA模型与nanoLCA衬底实物具有相同几何形状：表面纳米级直径 为200nm，纳米杯侧壁角为85度，杯体深500nm，杯体周期320nm。 NP-nanoLCA模型具有相同的nanoLCA结构，但在每个纳米杯内增加了四、 五、六、七和八个50nm直径的NP。计算各共振波长条件下RI＝1.0、1.3 和1.4处的电场分布。

总而言之，本发明在此通过诱导传感表面的三维热点设计了一种用于 表面增强拉曼散射(SERS)等离子体衬底。等离子体纳米颗粒(NP)在三维等 离子体纳米杯阵列结构上自组装形成三维热点。此种周期性纳米杯阵列上 的三维热点形成比二维纳米颗粒阵列具有更高的SERS增强因子因子，后 者是传统上所追求的SERS衬底。本发明还利用纳米杯阵列的比色特性增 强SERS。通过控制纳米杯阵列表面的介电特性并利用可调谐等离子体共振波长实现的比色分析，在不改变纳米结构设计的情况下简化了等离子体 共振条件的调制。本发明通过连续监测等离子体共振条件的变化及其对附 近分子光吸收和发射的影响，证明等离子体共振波长与拉曼激发波长匹配 时，SERS增强效果更佳。此种纳米杯阵列-纳米颗粒混合结构的等离子体 共振调谐相当简单，使得SERS强化适用于多种不同的拉曼测量条件。

此外，需要说明的是，除非特别指出，否则说明书中的术语“第一”、“第 二”、“第三”等描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而 不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施 例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离 本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术 方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此， 凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例 所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的 范围内。

Claims (10)

1.一种纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于包括柱体结构，其中柱体结构包括布置在具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底上的纳米柱、形成在纳米柱表面的Au层、形成在Au层表面的Ti粘附层以及在Ti粘附层表面的等离子体Au球形纳米颗粒。

2.根据权利要求1所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，Au球形纳米颗粒是自组装等离子体纳米颗粒。

3.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，Au球形纳米颗粒与底层等离子体纳米结构之间具有强约束电场的宏观均匀等离子体耦合。

4.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，纳米颗粒莱可格斯杯器件包括：多个柱体结构。

5.根据权利要求4所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，多个柱体结构以矩阵形式形成在基底上。

6.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，Au层103的厚度为90nm。

7.根据权利要求1或2所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件，其特征在于，Ti粘附层104的厚度为90nm。

8.一种根据权利要求1至7之一所述的纳米颗粒莱可格斯杯器件的制备方法，其特征在于包括：

第一步骤：制备nanoLCA；

第二步骤：针对nanoLCA，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的连接分子执行自组装制备处理。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，制备nanoLCA包括：利用由纳米柱阵列组成的石英模具采用复制成形制备nanoLCA衬底，利用激光干涉光刻技术对光刻胶块阵列进行图案制作，随后利用蚀刻解析石英模具上的纳米柱阵列，将石英模具上的光聚合物用紫外线照射进行固化以形成具有纳米孔道阵列结构的聚合衬底，在聚合衬底上沉积Au层，然后再沉积一层Ti粘附层。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，利用两端均含有氨基和硫醇官能团的连接分子执行自组装制备处理包括：半胱胺通过硫醇-Au键合自组装在Au nanoLCA表面，并且在冲洗未结合的半胱胺分子后，在Au nanoLCA上形成半胱胺自组装单分子层，利用AuNP溶液在半胱胺-Au nanoLCA衬底上孵育，使得衬底上产生Au NP的自组装单分子层，随后用水冲洗衬底，氮气吹扫残余液体，完成NP-nanoLCA的制备。