CN110346350A - 一种sers基底制备方法、微流体通道内的sers结构、微流体sers检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SERS基底制备方法、微流体通道内的SERS结构、微流体SERS检测方法。本发明提供的制备方法包括：I)在基底上涂布光刻胶；II)对光刻胶进行三维激光打印、显影和超临界干燥，得到多个设置在基底上且彼此分离的聚合物微结构；III)在聚合物微结构的表面设置SERS功能层；IV)在步骤III)得到的材料上滴加可产生毛细力的液体，之后使液体蒸发，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。本发明提供的制备方法既能在平面基底材料，也能在微通道、曲面等非平面基底材料上制备纳米间隙结构；将该制备方法应用到微通道，可在微通道内构建具有纳米间隙的SERS结构，其在微流体SERS检测领域具有良好的应用前景。

Description

一种SERS基底制备方法、微流体通道内的SERS结构、微流体 SERS检测方法

技术领域

本发明属于微纳制造技术领域，尤其涉及一种SERS基底制备方法、微流体通道内的SERS结构、微流体SERS检测方法。

背景技术

1927年，拉曼光谱由印度物理学家Raman首次发现，与红外光谱一样，拉曼光谱也是对物质表面进行研究。由于其具有无损耗检验、所用样品质量少以及不受水和溶液的干扰等优点，被广泛应用在物理、化学、生物医药等领域。但是由于其散射光较弱，因此在效果上不够明显。

20世纪70年代，科学家们发现吸附在粗糙金属表面的探针分子的拉曼散射信号可被显著增强，而这也就是人们所熟悉的表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced RamanSpectray，SERS)。

研究表明，纳米间隙结构能大大增强电磁场，将其构建到基底材料上可得到适用于高灵敏度生化检测的SERS基底。但目前在基底材料上构建纳米间隙结构的方法仅适用于平面基底，在微通道、曲面等非平面基底上还难以实现纳米间隙结构的构建，从而严重制约了纳米间隙结构SERS基底的多样性，进而也制约了该技术在微流体SERS检测中的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种SERS基底制备方法、微流体通道内的SERS结构、微流体SERS检测方法，本发明提供的制备方法既能在平面基底材料，也能在微通道、曲面等非平面基底材料上制备纳米间隙结构；将该制备方法应用到微通道，可在微通道内构建具有纳米间隙的SERS结构，其在微流体SERS检测领域具有良好的应用前景。

本发明提供了一种具有纳米间隙结构的SERS基底制备方法，包括以下步骤：

I)在基底上涂布光刻胶，形成光刻胶层；

II)对所述光刻胶层进行三维激光打印，然后在显影液中显影，之后进行超临界干燥，得到多个设置在基底上且彼此分离的聚合物微结构；

III)在所述聚合物微结构的表面设置SERS功能层；

IV)在步骤III)得到的材料上滴加可产生毛细力的液体，之后使所述液体蒸发，蒸发过程中彼此分离的聚合物微结构在毛细力诱导下组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。

优选的，步骤I)中，所述光刻胶包括SZ2080光刻胶、NOA61光刻胶、SU8系列光刻胶或光敏性聚二甲基硅氧烷。

优选的，步骤II)中，所述三维激光打印的方式为飞秒激光双光子三维打印。

优选的，步骤II)中，所述显影液包括正丙醇、乙醇、丙酮和水中的一种或多种。

优选的，步骤II)中，所述聚合物微结构为聚合物微柱；所述聚合物微柱的直径为500nm～1μm，高度为15～20μm。

优选的，步骤III)中，所述SERS功能层的材料包括金、银、铂和石墨烯中的一种或多种。

优选的，步骤III)中，所述SERS功能层的厚度为10～20nm。

优选的，步骤IV)中，所述液体包括水、乙醇、正丙醇和丙酮中的一种或多种。

本发明提供了一种微流体通道内的SERS结构，以微通道作为基底，按照上述技术方案所述的制备方法制成。

本发明提供了一种微流体SERS检测方法，使用微流体通道对待测样品进行检测；

所述微流体通道内具有上述技术方案所述的SERS结构。

与现有技术相比，本发明提供了一种SERS基底制备方法、微流体通道内的SERS结构、微流体SERS检测方法。本发明提供的制备方法包括以下步骤：I)在基底上涂布光刻胶，形成光刻胶层；II)对所述光刻胶层进行三维激光打印，然后在显影液中显影，之后进行超临界干燥，得到多个设置在基底上且彼此分离的聚合物微结构；III)在所述聚合物微结构的表面设置SERS功能层；IV)在步骤III)得到的材料上滴加可产生毛细力的液体，之后使所述液体蒸发，蒸发过程中彼此分离的聚合物微结构在毛细力诱导下组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。本发明提供的制备方法综合运用三维激光打印、超临界干燥、毛细力自组装等微纳加工手段，在基底上制备出了适用于SERS检测的纳米间隙结构。由于三维激光打印技术既能加工平面基底材料，也能加工微通道、曲面等非平面基底材料，因此本发明提供的制备方法适用于加工任何形状的基底材料。同时，由于三维激光打印能在常温常压下对材料一步加工成型，因此本发明提供的制备方法既无需提供聚焦离子束(FIB)或电子束光刻(EBL)所需的真空环境，亦无需光刻及其衍生技术(如，紫外光刻或软光刻)所需的多步工艺，从而能大大降低工艺成本。而且，本发明提供的制备方法可避免使用部分纳米间隙微结构制备方法中所需的有毒物质，环保性和安全性更好。并且，本发明通过利用三维激光打印的灵活性，能将纳米间隙结构集成在微通道中，获得可应用于微流体SERS检测的微流体通道，其在高灵敏度生化样品的即时检测方面具有良好的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的工艺流程框架图；

图2是本发明实施例提供的工艺流程示意图；

图3是本发明实施例1提供的溅射了金层的微柱阵列的SEM图；

图4是本发明实施例1提供的几种典型液体在蒸金表面的固液接触角及毛细力关系图；

图5是本发明实施例1提供的纳米间隙结构的SEM图；

图6是本发明实施例2提供的微柱阵列的SEM图；

图7是本发明实施例3提供的在平面玻片上制备的微墙纳米间隙结构的光学显微镜图；

图8是本发明实施例4提供的微通道内溅射了金层的微柱阵列的SEM图；

图9是本发明实施例5提供的R6G信号图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明提供了一种具有纳米间隙结构的SERS基底制备方法，包括以下步骤：

I)在基底上涂布光刻胶，形成光刻胶层；

II)对所述光刻胶层进行三维激光打印，然后在显影液中显影，之后进行超临界干燥，得到多个设置在基底上且彼此分离的聚合物微结构；

III)在所述聚合物微结构的表面设置SERS功能层；

IV)在步骤III)得到的材料上滴加可产生毛细力的液体，之后使所述液体蒸发，蒸发过程中彼此分离的聚合物微结构在毛细力诱导下组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。

参见图1和图2，图1是本发明实施例提供的工艺流程框架图，图2是本发明实施例提供的工艺流程示意图。图2中，①表示完成三维激光打印后的材料结构，其中a表示激光光束，b表示光刻胶层中能被显影液去除的部分，c表示光刻胶层中不能被显影液去除的部分(即聚合物微结构)，d表示基底；②表示将材料置于显影液中进行显影，其中e表示显影液；③表示完成超临界干燥后的材料结构；④表示设置SERS功能层后的材料结构，其中f表示复合在聚合物微结构表面的SERS功能层；⑤表示滴加可产生毛细力液体后的材料结构，其中g表示可产生毛细力的液体；⑥表示液体蒸发后得到的具有纳米间隙结构的SERS基底。

在本发明提供的制备方法中，首先在基底上涂布光刻胶。其中，所述基底既可以为平面基底，也可以为微通道、曲面等非平面基底；所述光刻胶包括但不限于SZ2080光刻胶、NOA61光刻胶、SU8系列光刻胶或光敏性聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在本发明中，对具体的涂布方式和涂布条件没有特别限定，本领域技术人员根据实际需求选择合适的涂布方式和涂布条件即可。涂布结束后，在基底上形成光刻胶层。

在本发明提供的制备方法中，形成光刻胶层后，按照预先设计好的形状对所述光刻胶层进行三维激光打印。其中，所述三维激光打印的方式优选为飞秒激光双光子三维打印，本发明对进行所述飞秒激光双光子三维打印的具体参数条件没有特别限定，本领域技术人员根据实际需求选择合适的条件参数即可。完成三维激光打印后，在所述光刻胶层上形成能被显影液去除的部分和不能被显影液去除的部分(即聚合物微结构)，如图2的①所示。

在本发明提供的制备方法中，完成三维激光打印后，将材料置于显影液中进行显影。其中，所述显影液优选包括正丙醇、乙醇、丙酮和水中的一种或多种；所述显影的温度优选为15～35℃，具体可为15℃、20℃、25℃(室温)、30℃或35℃；所述显影的时间优选为0.5～1h，具体可为0.5h、0.6h、0.7h、0.8h、0.9h或1h。显影过程中，显影液逐渐将光刻胶层中能被显影液去除的部分去除，只留下了不能被显影液去除的部分(即聚合物微结构)，从而实现了图案化排布的聚合物微结构，如图2的②所示。

在本发明提供的制备方法中，完成显影后，将材料从显影液中取出，在材料上的显影液蒸发之前将其浸入超临界干燥的工作液体中，进行超临界干燥。其中，所述工作液体优选为乙醇；本发明对进行所述超临界干燥的具体条件参数没有特别限定，本领域技术人员根据实际需求选择合适的条件参数即可。超临界干燥结束后，在基底上形成多个彼此分离的聚合物微结构，如图2的③所示。其中，所述聚合物微结构既可以是聚合物微柱，也可以是聚合物微墙；所述聚合物微柱的横截面(垂直于高度方向的截面)既可以是圆形，也可以是椭圆形、方形或其他形状。在本发明提供的一个实施例中，所述聚合物微柱的直径优选为500nm～1μm，具体可为500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或1μm；所述聚合物微柱的高度优选为15～20μm，具体可为15μm、15.5μm、16μm、16.5μm、17μm、17.5μm、18μm、18.5μm、19μm、19.5μm或20μm。

在本发明提供的制备方法中，完成超临界干燥后，在所述聚合物微结构的表面设置SERS功能层，如图2的④所示。其中，设置所述SERS功能层的方法包括但不限于溅射、蒸镀或化学气相沉积；所述SERS功能层的材料包括但不限于金、银、铂和石墨烯中的一种或多种；所述SERS功能层的厚度优选为10～20nm，具体可为10nm、11nm、12nm、13nm、14nm、15nm、16nm、17nm、18nm、19nm或20nm。

在本发明提供的制备方法中，在聚合物微结构表面设置了SERS功能层后，在其表面滴加可产生毛细力的液体，如图2的⑤所示。其中，所述液体包括但不限于水、乙醇、正丙醇、丙酮和水中的一种或多种。之后，使所述液体蒸发，液体蒸发过程中产生毛细力，基底上彼此分离的聚合物微结构在毛细力诱导下组装成纳米间隙结构，最终得到具有纳米间隙结构的SERS基底，如图2的⑥所示。在本发明中，蒸发的环境既可以为常温常压，也可以通过控制环境温度、压强、湿度等因素调节蒸发速度。需要注意是的，蒸发过程中的毛细力大小以及聚合物微结构的高度、强度等参数共同决定了微结构是否能组装形成纳米间隙结构，其计算可依据毛细力计算公式。

本发明提供的制备方法综合运用三维激光打印、超临界干燥、毛细力自组装等微纳加工手段，在基底上制备出了适用于SERS检测的纳米间隙结构。由于三维激光打印技术既能加工平面基底材料，也能加工微通道、曲面等非平面基底材料，因此本发明提供的制备方法适用于加工任何形状的基底材料。同时，由于三维激光打印能在常温常压下对材料一步加工成型，因此本发明提供的制备方法既无需提供聚焦离子束或电子束光刻所需的真空环境，亦无需光刻及其衍生技术(如，紫外光刻或软光刻)所需的多步工艺，从而能大大降低工艺成本。而且，本发明提供的制备方法可避免使用部分纳米间隙微结构制备方法中所需的有毒物质，环保性和安全性更好。

本发明还提供了一种微流体通道内的SERS结构，以微通道作为基底，按照上述技术方案所述的制备方法制成。本发明通过利用激光加工的灵活性，能将纳米间隙结构集成在微通道中，获得可应用于微流体SERS检测的微流体通道。由于纳米间隙结构固定在微道中，因此该微流体通道在进行样品检测时可避免现有微纳粒子增强的微流体SERS技术存在的由于微纳粒子的随机运动，所造成的通道堵塞、信号变化大、待测物污染等问题，在高灵敏度生化样品的即时检测方面具有良好的应用前景。

本发明还提供了一种微流体SERS检测方法，该方法使用具有纳米间隙结构的SERS基底对待测样品进行检测。

在本发明提供的检测方法中，所使用的检测装置可以是商用拉曼光谱仪，也可以是自行搭建的拉曼光谱检测装置；所使用的SERS基底为按照上述技术方案所述的制备方法制成的SERS基底，其基底材料既可以是平面基底材料，也可以是微通道、曲面等非平面基底材料。进行检测时，需将所述SERS基底置于待测物的溶液环境中。

在本发明提供的检测方法中，针对采用平面基底材料制备的SERS基底，其具体检测过程如下：

1)将微量待测溶液(溶液体积nL～mL量级)滴加在SERS基底上；

2)为了排除溶液蒸发对待测物浓度的影响，可以再覆盖一层透明材料(可以是普通盖玻片、石英片或PDMS薄膜)，以减小蒸发影响；

3)将拉曼光谱装置的光斑聚焦在滴加有待测溶液的SERS基底的纳米间隙处，收集拉曼光谱。

在本发明提供的检测方法中，针对采用微通道制备的SERS基底，其具体检测过程如下：

1)将待测溶液通入微通道；

2)将拉曼光谱装置的光斑聚焦在微通道内的纳米间隙处，收集拉曼光谱。

本发明提供的检测方法使用本发明提供的微流体通道对待测样品进行检测，具有可实时测量、可消除热损伤和热误差等优点，同时该方法可避免现有微纳粒子增强的微流体SERS技术存在的由于微纳粒子的随机运动，所造成的通道堵塞、信号变化大、待测物污染等问题，在高灵敏度生化样品的即时检测方面具有良好的应用前景。

为更清楚起见，下面通过以下实施例进行详细说明。

实施例1

在平面玻片上制备纳米间隙结构，具体步骤包括：

i)在平面玻片上涂布SZ2080光刻胶(IESL-FORTH,Greece)，形成光刻胶层。

ii)按照预先设计好的图案对所述光刻胶层进行飞秒激光双光子三维打印，然后将其放入乙醇中充分显影(显影时间约45min)，得到由多个聚合物微柱组成的阵列；之后将得到的聚合物微柱阵列从显影液中取出，在显影液蒸发之前将样品浸入超临界干燥的工作液体中所述工作液体为乙醇。

iii)使用二氧化碳超临界干燥法对经步骤ii)处理的样品进行超临界干燥，超临界干燥结束后，在平面玻片上形成由彼此分开的SZ2080微柱组成的阵列。

iv)采用等离子溅射法在SZ2080微柱上溅射10nm厚的金，对完成溅射的材料进行扫描电镜图观察，结果图3所示，图3是本发明实施例1提供的溅射了金层的微柱阵列的SEM图。

v)在溅射了金层的微柱阵列上滴加可产生毛细力的液体，然后在室温常压环境下使液体逐渐蒸发，蒸发过程中产生的毛细力诱导微柱组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。

在本实施例中，分别在溅射了金层的微柱阵列上滴加正丙醇、乙醇、乙醇-水(1:1，v/v)和水，其在微柱阵列上形成的毛细力如图4所示，图4是本发明实施例1提供的几种典型液体在蒸金表面的固液接触角及毛细力关系图。

在本实施例中，激光光源为飞秒激光器，物镜参数：50倍，NA＝0.85；加工能量密度为1～10mJ/μm³。

在本实施例中，通过利用飞秒激光三维加工的灵活性，在加工时按照不同的图案曝光加工就可以灵活获得各种图案结构，例如2微柱结构、6微柱结构，如图5所示。图5是本发明实施例1提供的纳米间隙结构的SEM图，图中，左上为本方法制备的6微柱单元构成的纳米间隙结构阵列，右上为该纳米间隙结构的局部放大图。左下和右下为使用本方法制备的由2微柱单元构成的纳米间隙结构扫描电镜放大图，左下为俯视图，右下为斜视图(扫描电镜45度拍摄)。

实施例2

在平面玻片上制备横截面为椭圆形的微柱阵列，具体步骤包括：

i)在平面玻片上涂布SZ2080光刻胶，形成光刻胶层。

ii)按照预先设计好的图案对所述光刻胶层进行飞秒激光双光子三维打印，然后将其放入乙醇中充分显影(显影时间约45min)，得到由多个聚合物微柱组成的阵列；之后将得到的聚合物微柱阵列从显影液中取出，在显影液蒸发之前将样品浸入超临界干燥的工作液体中所述工作液体为乙醇。

iii)使用二氧化碳超临界干燥法对经步骤ii)处理的样品进行超临界干燥，超临界干燥结束后，在平面玻片上形成由彼此分开的SZ2080微柱组成的阵列。

对完成超临界干燥的材料进行扫面电镜图观察，结果图6所示，图6是本发明实施例2提供的微柱阵列的SEM图。通过图6可以看出，本实施例获得的微柱的横截面为椭圆形。

实施例3

在平面玻片上制备微墙纳米间隙结构，具体步骤包括：

i)在平面玻片上涂布NOA61光刻胶(norland,USA)，形成光刻胶层。

ii)按照预先设计好的图案对所述光刻胶层进行飞秒激光双光子三维打印，然后将其放入乙醇中充分显影(显影时间约45min)，得到由多列聚合物微墙组成的阵列；之后将得到的聚合物微墙阵列从显影液中取出，在显影液蒸发之前将样品浸入超临界干燥的工作液体中所述工作液体为乙醇。

iii)使用二氧化碳超临界干燥法对经步骤ii)处理的样品进行超临界干燥，超临界干燥结束后，在平面玻片上形成由彼此分开的NOA61微墙组成的阵列。

iv)在微墙阵列上滴加水，然后在室温常压环境下使水逐渐蒸发，蒸发过程中产生的毛细力诱导微墙组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。

如图7所示，图7是本发明实施例3提供的在平面玻片上制备的微墙纳米间隙结构的光学显微镜图。图7中的5张图分别为步骤ii)进行飞秒激光打印时在微墙端部留下特定缺口而形成的组装结构(从上到下，结构缺口分别为三角形，菱形，十字形，椭圆形和矩形)。

实施例4

在微通道中制备纳米间隙结构，具体步骤包括：

i)在微通道上涂布SZ2080光刻胶，形成光刻胶层。

ii)按照预先设计好的图案对所述光刻胶层进行飞秒激光双光子三维打印，然后将其放入乙醇中充分显影(显影时间约45min)，得到由多个聚合物微柱组成的阵列，微柱的直径约500nm、高度约15nm；之后将得到的聚合物微柱阵列从显影液中取出，在显影液蒸发之前将样品浸入超临界干燥的工作液体中所述工作液体为乙醇。

iii)使用二氧化碳超临界干燥法对经步骤ii)处理的样品进行超临界干燥，超临界干燥结束后，在微通道中形成由彼此分开的SZ2080微柱组成的阵列。

iv)采用等离子溅射法在SZ2080微柱上溅射10nm厚的金，对完成溅射的材料进行扫面电镜图观察，结果图8所示，图8是本发明实施例4提供的微通道内溅射了金层的微柱阵列的SEM图。

v)在溅射了金层的微柱阵列上滴加水，然后在室温常压环境下使液体逐渐蒸发，蒸发过程中产生的毛细力诱导微柱组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的微流体通道。

实施例5

使用实施例4制备的微流体通道进行微流体SERS检测，具体步骤包括：1)将待测溶液通入微通道；2)将拉曼光谱装置的光斑聚焦在微通道内的纳米间隙处，收集拉曼光谱。

本本实施例中，使用自行搭建的拉曼光谱检测装置进行光谱的激发和采集。光源激光器为Sacher Pilot PC 4000，中心波长为785nm，最高功率约2W。光路经过准直后通过40倍物镜(NA＝0.95，W plan-Apochromat,Nikon,Japan)聚焦到样品结构处，聚焦光斑直径约为1微米。样品处在三个步进电机(Z812B)驱动的三维运动样品台上，运动台在XYZ三个方向上的运动精度均为30nm。拉曼光谱使用光栅(Shamrock,Andor,UK)分离后采用CCD(iDusDU401-DD,Andor,Belfast,UK)采集。检测时采用的光强为2～3mW。

结果如图9所示，图9是本发明实施例5提供的R6G信号图，通过图9可以看出，使用本发明结构能有效获得微流体环境下的R6G信号，说明本发明方法制备的纳米间隙结构能有效应用在微通道SERS检测中。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有纳米间隙结构的SERS基底制备方法，包括以下步骤：

I)在基底上涂布光刻胶，形成光刻胶层；

II)对所述光刻胶层进行三维激光打印，然后在显影液中显影，之后进行超临界干燥，得到多个设置在基底上且彼此分离的聚合物微结构；

III)在所述聚合物微结构的表面设置SERS功能层；

IV)在步骤III)得到的材料上滴加可产生毛细力的液体，之后使所述液体蒸发，蒸发过程中彼此分离的聚合物微结构在毛细力诱导下组装成纳米间隙结构，得到具有纳米间隙结构的SERS基底。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤I)中，所述光刻胶包括SZ2080光刻胶、NOA61光刻胶、SU8系列光刻胶或光敏性聚二甲基硅氧烷。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤II)中，所述三维激光打印的方式为飞秒激光双光子三维打印。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤II)中，所述显影液包括正丙醇、乙醇、丙酮和水中的一种或多种。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤II)中，所述聚合物微结构为聚合物微柱；所述聚合物微柱的直径为500nm～1μm，高度为15～20μm。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤III)中，所述SERS功能层的材料包括金、银、铂和石墨烯中的一种或多种。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤III)中，所述SERS功能层的厚度为10～20nm。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤IV)中，所述液体包括水、乙醇、正丙醇和丙酮中的一种或多种。

9.一种微流体通道内的SERS结构，其特征在于，以微通道作为基底，按照权利要求1～8任一项所述的制备方法制成。

10.一种微流体SERS检测方法，其特征在于，使用微流体通道对待测样品进行检测；

所述微流体通道内具有如权利要求9所述的SERS结构。