CN111896523A - 表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种表面增强拉曼散射基底，其包括：支撑衬底，呈直立状地生长于所述支撑衬底上的半导体纳米片阵列；以及，沉积于所述半导体纳米片阵列上的贵金属层。本发明还提供了如上所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法及其在检测待测物的拉曼信号的应用。本发明提供的表面增强拉曼散射基底，其中的检测功能层包括由半导体纳米片阵列和贵金属层构成的半导体‑金属的异质结结构，其不仅具有物理增强作用，还具有较强的化学增强作用，从而使该结构具有非常高的表面增强拉曼活性，并且具有很高的稳定性和重复性。

Description

表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法和应用。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)效应是指合适频率的激光照射贵金属纳米颗粒表面时，会激发贵金属纳米颗粒表面的等离子体共振，引起电磁场增强，当待测分子置于此增强的电磁场中时，其拉曼散射信号会增强百万倍甚至更高倍，是一种无损、免标记、高灵敏、近场效应的分析检测手段，被广泛应用于生物、化学、环境等领域。作为一种分子光谱指痕鉴定方法，与其他传统检测方法相比，SERS具有快速、操作简便、不需要样品前处理或样品前处理简单等优点，是一种高灵敏度、高时空分辨率、实时无损的检测技术。

贵金属(金、银、铜等)纳米颗粒被广泛作为拉曼基底进行生物化学检测，金属纳米颗粒制备方法简单，易于大规模的制备。制备具有高表面增强效应、好的重现性和稳定性的增强基底是应用表面增强拉曼散射效应的前提。目前主要采用化学方法，例如化学还原法、金属溶胶法等，制备获得的SERS基底多为无序结构，虽然制备方法简单，可获得较高的增强因子，但稳定性和重复性差。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法，以解决现有的表面增强拉曼散射基底稳定性和重复性差的问题。

为了解决以上所述的问题，本发明采用了如下的技术方案：

本发明的一方面提供了一种表面增强拉曼散射基底，其包括：

支撑衬底，

呈直立状地生长于所述支撑衬底上的半导体纳米片阵列；以及，

沉积于所述半导体纳米片阵列上的贵金属层。

优选的，所述半导体纳米片阵列中的纳米片的厚度为20nm～30nm，高度为80μm～120μm。

优选的，所述半导体纳米片阵列中的纳米片为硒化锡纳米片。

优选的，所述硒化锡纳米片中，Sn与Se的原子比为1：1.6～2.2。

优选的，所述贵金属层的厚度为4nm～28nm。

优选的，所述贵金属层的材料为金或银。

本发明还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其包括：

提供支撑衬底；

在所述支撑衬底上生长形成所述半导体纳米片阵列；

在所述半导体纳米片阵列上沉积形成所述贵金属层。

优选的，应用分子束外延工艺在所述支撑衬底上生长形成所述半导体纳米片阵列，生长时间为1min～30min；应用溅射工艺在所述半导体纳米片阵列上沉积所述贵金属层，沉积时间为1min～7min。

本发明还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底在疟疾临床检测装置中的应用，其中，所述表面增强拉曼散射基底被配置为用于检测待测样品的拉曼散射信号。

本发明还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底在检测待测物的拉曼信号的应用，其中，检测步骤包括：在所述表面增强拉曼散射基底的贵金属层的表面上滴加待测物溶液，干燥后，用拉曼光谱仪检测所述待测物的拉曼散射信号。

本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底，包括由半导体纳米片阵列和贵金属层构成的半导体-金属的异质结结构，其不仅具有物理增强作用，还具有较强的化学增强作用，从而使该结构具有非常高的表面增强拉曼活性。

本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底，半导体纳米片阵列中的二维纳米片是呈直立状地生长于支撑衬底上，金属颗粒沉积附着在纳米片的顶部和侧壁，结构有序可控且探测信号热点密度高且分布均匀，由此使得表面增强拉曼散射基底具有很高的稳定性和重复性，并且其制备方法工艺简单，成本低。

本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底，不仅对以R6G为代表的探测分子具有高的灵敏度(10^-15M)，其应用于疟疾临床检测装置中，对疟疾检测的极限也达到了较高的灵敏度(10^-7M)，满足了疟疾临床检测的需求。

附图说明

图1是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底的制备工艺流的图示；

图2是本发明实施例中的SnSe₂纳米片阵列的横截面SEM图；

图3是本发明实施例中的SnSe₂纳米片阵列的SEM平面图；

图4a至图4d是本发明实施例中的SnSe₂纳米片阵列上沉积了不同厚度的金属层的的SEM平面图；

图5是本发明实施例中溅射不同时间所对应的金的厚度的统计图；

图6是本发明实施例中具有不同金属层厚度的表面增强拉曼散射基底对罗丹明R6G溶液进行拉曼检测的拉曼光谱图；

图7是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底对不同浓度的罗丹明R6G溶液进行拉曼检测的拉曼光谱图；

图8是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底对罗丹明R6G溶液进行拉曼检测时随机选择15个点的拉曼光谱图；

图9是对应图8的拉曼光谱图中的1361cm^-1特征峰的拉曼信号强度统计图；

图10是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底对疟疾血液样品进行拉曼检测的拉曼光谱图；

图11a至图11c是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底对不同浓度的疟疾血液样品溶液进行拉曼检测的拉曼光谱图；

图12是本发明实施例中的表面增强拉曼散射基底对疟疾血液样品溶液进行拉曼检测时随机选择15个点的拉曼光谱图；

图13是对应图12的拉曼光谱图中的1586cm^-1特征峰的拉曼信号强度统计图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

如前所述，现有的使用贵金属(金、银、铜等)纳米颗粒作为表面增强拉曼散射基底，主要采用化学方法，例如化学还原法、金属溶胶法等，制备获得的SERS基底多为无序结构，虽然制备方法简单，可获得较高的增强因子，但稳定性和重复性差。为了解决这样的问题，本发明实施例提供了一种表面增强拉曼散射基底，其包括支撑衬底、半导体纳米片阵列以及贵金属层。具体地，所述半导体纳米片阵列呈直立状地生长于所述支撑衬底上，所述贵金属层沉积于所述半导体纳米片阵列上。

如上所述的表面增强拉曼散射基底，其中的检测功能层包括由半导体纳米片阵列和贵金属层构成的半导体-金属的异质结结构，其不仅具有物理增强作用，还具有较强的化学增强作用，从而使该结构具有非常高的表面增强拉曼活性。

另一方面，如上所述的表面增强拉曼散射基底，半导体纳米片阵列中的二维纳米片是呈直立状地生长于支撑衬底上，金属颗粒沉积附着在纳米片的顶部和侧壁，结构有序可控且探测信号热点密度高且分布均匀，由此使得表面增强拉曼散射基底具有很高的稳定性和重复性。

在优选的方案中，所述半导体纳米片阵列中的纳米片的厚度为20nm～30nm，高度为80μm～120μm。

在优选的方案中，所述半导体纳米片阵列中的纳米片为硒化锡纳米片。所述硒化锡纳米片中，Sn与Se的原子比优选为1：1.6～2.2，该比例更为优选是1:1.8。

在优选的方案中，所述贵金属层的材料为金或银，所述贵金属层的厚度优选为4nm～28nm，该厚度更为优选是20nm。

其中，所述支撑衬底可以选择为刚性衬底或柔性衬底，所述刚性衬底例如可以是硅片、玻璃、刚玉等，所里柔性衬底例如可以是PI。

本发明实施例还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法，参阅图1，所述制备方法包括步骤：

(一)、提供支撑衬底10。

(二)、在所述支撑衬底10上生长形成所述半导体纳米片阵列20。

(三)、在所述半导体纳米片阵列20上沉积形成所述贵金属层30。

优选的方案中，应用分子束外延工艺在所述支撑衬底上生长形成所述半导体纳米片阵列，生长时间为1min～30min；应用溅射工艺在所述半导体纳米片阵列上沉积所述贵金属层，沉积时间为1min～7min。

具体的，向分子束外延设备(MBE)中分别加入高纯度硒材料源和高纯度锡材料源，优选的硒源和锡源的纯度为99.99％，通过所述分子束外延设备分别加热所述硒材料源和锡材料源，并将所述硒材料源和锡材料源分别以分子束或原子束的形式喷射至基片上，形成SnSe_x(x＝1.6～2.2)纳米片阵列结构；随后在SnSe_x纳米片上进行溅射喷金；将所述基底切成0.5×0.5cm正方形小块。本实施例中控制Sn与Se的原子比为1：2，即制备得到的半导体纳米片阵列是SnSe₂纳米片阵列，通过控制生长时间使得SnSe₂纳米片高度为100μm。

图2是本发明实施例制备获得的SnSe₂纳米片阵列的横截面SEM图，图3是本发明实施例制备获得的SnSe₂纳米片阵列的SEM平面图。如图2和图3所示，SnSe₂纳米片呈直立状地生长于支撑衬底上，并且是有序的结构。图4a-4d表示的是沉积了金金属层的纳米片的SEM平面图，相对应的溅射金的时间分别为1min，3min，5min，7min；图5表示的是溅射不同时间所对应的金的厚度。

需要说明的是，本实施例中的贵金属层的材料选择为金，在另外的实施例中，贵金属层的材料选择为银，其制备工艺也是类似的。

本发明实施例还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底在检测待测物的拉曼信号的应用，其中，检测步骤包括：在所述表面增强拉曼散射基底的贵金属层的表面上滴加待测物溶液，干燥后，用拉曼光谱仪检测所述待测物的拉曼散射信号。

本实施例中，将以上实施例制备获得的表面增强拉曼散射基底为检测基底，以罗丹明R6G溶液为待测物溶液，进行了如下测试：

(1)、将罗丹明R6G溶液稀释至浓度为10^-12M作为待测溶液，检测基底分别为以上实施例溅射金的时间为1min、3min、5min和7min所对应的表面增强拉曼散射基底，拉曼信号的检测结果如图6所示。由图6可知，以上实施例制备的溅射不同金层厚度的基底均能够进行拉曼信号检测，其中溅射的金层厚度为20nm(对应溅射时间为5min)的基底具有最为优异的拉曼信号检测结果。

(2)、将罗丹明R6G溶液稀释至浓度分别为10^-13M、10^-14M、10^-15M和10^-16M作为待测溶液，检测基底选择为溅射的金层厚度为20nm的基底，拉曼信号的检测结果如图7所示。由图7可知，待测物溶液的浓度稀释至10^-16M时拉曼信号的检测结果较差，待测物溶液的浓度稀释至10^-15M时已经取得较为优异的拉曼信号检测结果。根据以上的检测结果，本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底对以R6G为代表的探测分子具有高达10^-15M的灵敏度，具有很高的灵敏度。

(3)、将罗丹明R6G溶液稀释至浓度为10^-12M作为待测溶液，检测基底选择为溅射的金层厚度为20nm的基底进行拉曼信号检测。图8表示在检测时，在基底上随机选择15个点的拉曼光谱图；图9表示随机选择的15个点的拉曼光谱图谱中的1361cm^-1特征峰的拉曼信号强度统计图，RSD表示相对标准偏差。由图8和图9的结果可知，在基底上随机选择不同的点位进行测试，检测结果的差异较小，说明了本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底具有良好的稳定性和重复性。

进一步地，经过研究发现，本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底可以很好地应用于疟疾临床检测。

疟疾是全世界最具破坏性的人类健康疾病之一，每年导致数百万人死亡。恶性疟原虫和间日疟原虫是疟疾感染的主要原因。由于疟疾可迅速恶化为致死性疾病，因此对疟疾感染患者进行早期、有效、快速的诊断至关重要。目前诊断疟疾的金标准方法是对血液涂片进行镜检，这是一项极其耗时的工作，同时，操作员的专业知识对于获得可靠的数据也是极为必要的，否则就会导致错误的诊断，特别是对于体内寄生虫数量较低的早期感染患者。

然而，近年来的研究，大多以恶性疟原虫感染或间日疟原虫感染的培养细胞为检测样本，而非真实的临床外周血为检测样本，这些研究的局限性在于，它们的实验结果不能实际应用于疟疾的临床检测。

为此，本发明实施例还提供了一种如上所述的表面增强拉曼散射基底在疟疾临床检测装置中的应用，其中，所述表面增强拉曼散射基底被配置为用于检测待测样品的拉曼散射信号。

具体地，本发明实施例中进行疟疾临床检测的方法如下：

先进行血液样本的采集，分别采集健康人的血液、患有间日疟疾(PV)病人的血液、患有恶性疟疾(PF)病人的血液。

将采集的人体血液裂解和离心获得待测血液样品，然后将待测血液样品稀释为待测物溶液后滴加在滴在0.5×0.5cm尺寸规格的本发明实施例制备获得的表面增强拉曼散射基底，自然风干后，用拉曼光谱仪采集拉曼信号。

具体地，本实施例进行了如下的测试：

(1)、分别以健康人血液、PV血液和PF血液为待测样品，将待测样品分别稀释至浓度为10^-5M形成待测物溶液，检测基底选择为以上实施例中溅射的金层厚度为20nm的基底进行拉曼信号检测，检测的特征物为疟色素，拉曼信号的检测结果如图10所示。由图10可知，其中健康人血液样品表现为Negative阴性结果，PV血液样品和PF血液样品具有明显的拉曼峰，可以通过此现象进行疟疾诊断，由此表明本发明实施例制备获得的表面增强拉曼散射基底可以应用于疟疾的检测。

(2)、将PF血液样品稀释至浓度分别为10^-3M、10^-5M和10^-7M作为待测溶液，检测基底选择为溅射的金层厚度为20nm的基底，拉曼信号的检测结果如图11a-11c所示。如图11a和图11b所示，对于浓度分别为10^-3M和10^-5M的待测溶液，本发明实施例提供的基底具有优异的拉曼信号检测结果；如图11c所示，对于浓度分别为10^-7M的待测溶液，本发明实施例提供的基底也具有较好的拉曼信号检测结果，因此，本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底对患有疟疾的血液样品具有高达10^-7M的灵敏度，具有较高的灵敏度。

以上的PF血液中，经过镜检估计，每毫升血液含有阳性的红细胞计数约为1×10⁹个/mL，稀释至10^-7M后约为100个/mL，而临床诊断要求检测极限约为200个/mL，因此本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底可以满足疟疾临床诊断需求。

(3)、将PF血液样品稀释至浓度为10^-5M作为待测溶液，检测基底选择为溅射的金层厚度为20nm的基底进行拉曼信号检测。图12表示在检测时，在基底上随机选择15个点的拉曼光谱图；图13表示随机选择的15个点的拉曼光谱图谱中的1586cm^-1特征峰的拉曼信号强度，RSD表示相对标准偏差。由图12和图13的结果可知，在基底上随机选择不同的点位进行测试，检测结果的差异较小，说明了本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底，用于疟疾检测也具有良好的稳定性和重复性。

综上所述，本发明实施例提供的表面增强拉曼散射基底，半导体纳米片阵列中的二维纳米片是呈直立状地生长于支撑衬底上，金属颗粒沉积附着在纳米片的顶部和侧壁，结构有序可控且探测信号热点密度高且分布均匀，由此使得表面增强拉曼散射基底具有很高的稳定性和重复性，同时还具有很高的检测灵敏性，并且其制备方法工艺简单，成本低。

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

Claims (10)

1.一种表面增强拉曼散射基底，其特征在于，包括：

支撑衬底，

呈直立状地生长于所述支撑衬底上的半导体纳米片阵列；以及，

沉积于所述半导体纳米片阵列上的贵金属层。

2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述半导体纳米片阵列中的纳米片的厚度为20nm～30nm，高度为80μm～120μm。

3.根据权利要求1或2所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述半导体纳米片阵列中的纳米片为硒化锡纳米片。

4.根据权利要求3所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述硒化锡纳米片中，Sn与Se的原子比为1：1.6～2.2。

5.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述贵金属层的厚度为4nm～28nm。

6.根据权利要求5所述的表面增强拉曼散射基底，其特征在于，所述贵金属层的材料为金或银。

7.一种如权利要求1-6任一所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其特征在于，包括：

提供支撑衬底；

在所述支撑衬底上生长形成所述半导体纳米片阵列；

在所述半导体纳米片阵列上沉积形成所述贵金属层。

8.根据权利要求7所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其特征在于，应用分子束外延工艺在所述支撑衬底上生长形成所述半导体纳米片阵列，生长时间为1min～30min；应用溅射工艺在所述半导体纳米片阵列上沉积所述贵金属层，沉积时间为1min～7min。

9.一种如权利要求1-6任一所述的表面增强拉曼散射基底在疟疾临床检测装置中的应用，其特征在于，所述表面增强拉曼散射基底被配置为用于检测待测样品的拉曼散射信号。

10.一种如权利要求1-6任一所述的表面增强拉曼散射基底在检测待测物的拉曼信号的应用，其特征在于，检测步骤包括：在所述表面增强拉曼散射基底的贵金属层的表面上滴加待测物溶液，干燥后，用拉曼光谱仪检测所述待测物的拉曼散射信号。

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