CN111965159A - 利用咖啡环效应的高效富集sers基底及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，所述基底上设有一个环形的凹槽，凹槽中填充一层吸水层，SERS活性物质渗透吸附于吸水层，凹槽的中间为基底中心。其中基底采用双重高度差设计，凹槽的外缘的高度h1大于基底中心的高度h2，基底中心的高度h2大于凹槽的底部的高度h3。进一步的，采用双重复合材料优化吸水层，提高凹槽通道内的均匀性以降低检测过程中的信号波动。本发明克服了现有技术中SERS基底均一性差、适用范围窄、可控性差、制样效率低等问题，利用“咖啡环”效应实现高灵敏度并可有效控制待测液滴沉积形态尺寸、提升均一性、拓展检测区域、提高制样效率。

Description

利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体地，涉及一种利用咖啡环效应的高效富集SERS(表面拉曼散射增强)基底及其制备方法，可以应用于液态样品快速检测。

背景技术

增强灵敏度、信号均一性是决定SERS基底性能的最重要的两个指标，关系着SERS检测、后续结果分析的准确性。根据SERS效应的增强机制，一定条件下，单位面积/体积内SERS活性物质密度越大，基底的增强灵敏度越高；这是获得高灵敏度SERS基底最经济的策略之一。为了提高SERS活性物质的密度，有些研究者在SERS检测中采用无机盐诱导、磁场诱导等方式使SERS活性物质集聚。然而，上述的无机盐诱导法存在引入干扰物质的风险；磁场诱导法仅适合于磁性物质，限制了适用范围。

液态的SERS活性物质具有自发形成“咖啡环”的特性。“咖啡环”效应是一个生活中普遍存在的物理现象，即当液滴滴加在固体表面时，悬浮于液滴中的微粒会随着液体的蒸发过程发生运动并集聚在液滴的边缘处，最终形成一个的环状区域。“咖啡环”效应的原理可通过三相接触线(Three-phase contact line,TCL)模型解释：液滴的蒸发过程中，其三相接触线始终保持固定；液滴中心将不断向液滴边缘补偿蒸发损失量，促使液滴中心的颗粒伴随蒸发补偿引起内部流动而向液滴边缘聚集，并最终产生环状的微粒高密度区域。“咖啡环”效应适用范围广，适用于大部分液态SERS活性物质。一些SERS基底利用了“咖啡环”效应的自组装特性实现了SERS基底的灵敏度提升。然而在没有外加控制的情况下，“咖啡环”效应在形成“咖啡环”的过程中容易受到基板界面平整度、液滴滴落过程、蒸发条件等因素的影响，会导致SERS活性物质分布不均匀、“咖啡环”形状不规则等问题。根据研究，自发形成的咖啡环图案的高密度沉积区域宽度仅为30μm，略宽于大型共聚焦拉曼光谱仪激发光斑直径、远小于便携式拉曼光谱直径。SERS基底的有效检测区域面积狭窄会造成SERS光谱采集过程中取点困难、收集信号波动大等问题，加大了拉曼信号采集难度、降低了检测的可靠性。此外，液体蒸发过程缓慢，严重制约了SERS检测样品的制样效率以及现场化快检的能力。

综上所述，无机盐诱导、磁场诱导或利用液体自发的“咖啡环”效应可以实现SERS活性物质的高密度沉积，实现SERS基底的灵敏度提升。然而，前两者或存在引入干扰物质的风险，或适用范围窄，后者难以保证待测液滴沉积形态尺寸、制样效率以及检测区域大小等。此外，这些方法在追求高灵敏度的同时，大大牺牲了基底的均一性，造成了信号增强波动大、检测结果不可靠等。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，实现双重富集、提高沉积均匀性以及提升制样效率。

根据本发明的一个方面，提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3。

本发明上述的基底上的双重高度差一方面限制了待测液滴尺寸，保证了液滴形态、尺寸的一致性；另一方面，通过环形的凹槽提供了一个引流通道，使SERS活性物质与待测物质在凹槽通道中完成第一级富集。凹槽中利用吸水层的高吸附能力，使得基底可以快速吸收SERS活性物质与待测物质，促使吸水层与基底中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。

根据本发明的第二方面，提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底的制备方法，包括：

制备SERS活性物质；

制备具有环形凹槽的基底，将吸水层填充到基底上凹槽中；所述凹槽采用双重高度差设计，所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3；

将SERS活性物质加入基底中心，基于高度差导流到凹槽中，最终由吸水层吸附并均匀地散开。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种有益效果：

本发明上述的SERS基底克服了现有技术中SERS基底均一性差、适用范围窄、可控性差、制样效率低等问题，利用“咖啡环”效应实现高灵敏度并可有效控制待测液滴沉积形态尺寸、提升均一性、拓展检测区域、提高制样效率。

本发明上述的SERS基底灵敏度高、均一性好，克服了现有SERS基底难以兼顾灵敏度及均一性的问题。

本发明上述的SERS基底可控性强，操作简单，改善了咖啡环图案沉积形态、尺寸控制困难的缺陷，拓展了咖啡环图案的有效检测范围：“咖啡环”宽度由十微米量级拓展至毫米量级。

本发明上述的SERS基底有效提高了液体样品的SERS制样效率、无需等待液滴蒸发干燥、无需额外的加热设备，可以胜任SERS现场化检测的需求。

本发明上述的SERS基底的制备方法，可以实现SERS活性物质及待测样本快速制样-SERS检测，提高液态样本制样效率，有利于现场化SERS快检应用的开展。SERS基底加工简单、成本低廉、适用面广。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1a、1b为本发明一实施例中的基底结构示意图；

图2为本发明一实施例中的凹槽通道填充吸水层前后性能对照；

图3为本发明一实施例中的基底均一性测试结果；

图4为本发明一实施例中的基底检测血液样本获得的SERS光谱；

图中：凹槽1，基底中心2，凹槽的外缘3，吸水层4，SERS活性物质5。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

图1a、1b为本发明一实施例中的基底结构示意图。本实施例提供一种利用“咖啡环”效应的具有高效富集、快速制样功能的表面增强拉曼散射(Surface enhanced Ramanscattering,SERS)。

参照图1a所示，SERS基底上设有一个环形的凹槽1，凹槽1中填充一层吸水层4，SERS活性物质5渗透吸附于吸水层4，凹槽1的中间为基底中心2。其中凹槽1是具有双重高度差的凹槽通道。

参照图1a所示，d1为凹槽1外径、d2为凹槽1内径，凹槽1外径、凹槽1内径之间为凹槽通道，在部分实施例中，环形的凹槽1结构的内径d2大小可以为0.5-5mm，凹槽1的外径d1大小可以为2-10mm。凹槽1中的一级高度差(h1-h2)为0.5-10mm；二级高度差(h2-h3)为1-10mm。当然，在其他实施例中也可以根据实际待检测的物质来进行凹槽1尺寸的设计。

参照图1a、1b所示，本实施例中的利用咖啡环效应的SERS基底，其中凹槽1采用双重高度差设计，凹槽1的外缘3的高度h1大于基底中心2的高度h2，即h1>h2；基底中心2的高度h2大于凹槽1的底部的高度h3，即h2>h3。双重高度差设计限制了待测液滴尺寸，保证了液滴形态、尺寸的一致性。凹槽通道的提供了一个引流通道使SERS活性物质5与待测物质在凹槽通道中完成第一级富集。凹槽1中填充一层由吸收材质组成的吸水层4。利用吸水层4的高吸附能力，基底可以快速吸收SERS活性物质5与待测物质，促使吸水层4与结构中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。

在部分优选实施例中，SERS活性物质5为湿化学方法制备的液态金属/非金属纳米结构。具体的，述SERS活性物质5包括但不限于金、银、铂等纳米球、棒、多面体结构，其粒径可以为20-500nm。SERS活性物质5具有强烈的SERS增强效应，可以有效增强待测分子的拉曼散射截面、提高信号灵敏度。

在部分优选实施例中，吸水层4可以是双重修饰的吸水层4，具体的，吸水层4采用两种不同尺寸的双重复合材料，双重复合材料中小尺寸功能材料填充修饰吸水层4的孔隙，在保证吸水效率的同时降低吸水层4的粗糙度获得基底信号均一性。进一步的，小尺寸功能材料包括但不限于石墨烯、纳米结晶纤维素等。通过对吸水层4的双重复合材料优化，可以提高有效检测区域内的均匀性以降低检测信号的波动性。进一步地，双重复合材料中大尺寸材料包括但不限于纸、棉花、吸水树脂、壳聚糖等。为了更好实现上述的作用，吸水层4的厚度h4满足h1-(h3+h4)>h2-(h3+h4)>0的约束条件。比如部分实施例中，吸水层4的厚度h4可以为0.1-2mm。

在部分优选实施例中，基底采用疏水材料制成，疏水材料可以包括但不限于铝、铜、塑料、高密度泡沫等。

在部分优选实施例中，在基底的最底部设有封水层，用于防止SERS活性物质5或待测液体逸散。封水层可以是单独的一个材料层，也可以与基底为一体化设计。

本发明上述实施例中，通过设置合适的凹槽1的宽度，以及填充吸水层4实现对液体的吸收分散，可以实现检测区域的拓展。

在本发明另一实施例中，还提供上述的利用咖啡环效应的SERS基底的制备方法，包括：制备SERS活性物质5；制备具有环形凹槽1的基底，将吸水层4填充到基底上凹槽1中；凹槽1采用双重高度差设计，凹槽1的外缘3的高度h1大于基底中心2的高度h2，即h1>h2；基底中心2的高度h2大于凹槽1的底部的高度h3，即h2>h3；将SERS活性物质5加入基底中心2，由上述设计的高度差导流到凹槽通道中，最终由吸水层4吸附并均匀地散开。

本实施例上述方法制备的基底可以有效拓展“咖啡环”检测区域尺寸：将圆环宽度由30微米提升至毫米量级。

为了更好说明本发明的实施细节，以下提供一优选的具体应用实例，应当理解的是，以下实例不构成对本发明的限制。

一、SERS活性物质5的制备

以Ag纳米球胶体溶液为例，Ag纳米球的制备方法为：将10.5mg NH₂OH·HCl粉末溶于90mL去离子水中，滴入0.1mL NaOH溶液(1mol/L)调节溶液pH值为10,获得混合溶液1；将10mL AgNO3溶液(0.1mol/L)逐滴滴入混合溶液1中并通过磁力搅拌器强力搅拌30分钟；最终获得黄灰色银胶溶液。将实验制备的Ag纳米球胶体进行3次离心清洗以去除残留反应物。将清洗好的Ag纳米球进行以1000rpm的速度进行离心，移除上清液获取浓缩的Ag纳米球溶液，浓缩前后的体积比为20:1。

二、基底结构的制备

(1)凹槽1直径尺寸设计

基底结构示意图如图1所示。为了克服有效检测区域窄，同时保证SERS活性物质5的密度，优选凹槽1结构外径d1大小为5mm，内径d2大小为3mm，即有效检测圆环区域宽度为1mm，可以匹配拉曼光谱仪激发光光斑大小。

(2)双重高度差设计

如图1a～1b所示，双重高度差包括：凹槽1的外缘3h1与基底中心2h2的高度差、基底中心2与凹槽1的底部h3的高度差，满足h1>h2且h2>h3的约束条件。其中h1>h2高度差可以使基底有效限制SERS活性物质5以及待测样本液滴在基底表面沉积的尺寸，保证制样液滴大小的一致性；h2>h3的高度差可以从结构上引流制样液滴，使更多的SERS活性物质5及待测样本富集到通道内。如图所示，基底可以有效限制液滴尺寸且黄绿色的Ag纳米球有效集聚在环形通道内。

(3)吸水层4填充与R6G溶液检测

为了保证基底的双重高度差，吸水层4的高度首先要满足h1-(h3+h4)>h2-(h3+h4)>0的约束条件。凹槽1中填充的吸水层4可以快速吸收SERS活性物质5与待测物质，使现凹槽1与结构中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。以脱脂棉为例，对比填充吸水层4对基底效果的影响；以R6G溶液检测为例，直观反映富集效果。

R6G溶液的检测方法为：将10μL Ag纳米球胶体与10μL R6G水溶液(浓度：10^-5M)混合，将混合液滴滴加至基底中心2。采用便携式拉曼光谱仪采集基底中心2、基底凹槽通道内的拉曼光谱，其中入射激光波长为785nm、功率为200mw、积分时间为1s。

图2中(a)、(b)分别为未填充和填充脱脂棉基底检测基底中心2、凹槽1处获得的R6G拉曼光谱。得益于上述制备的高增强性能的Ag纳米球溶胶，两个基底都可以有效增强R6G分子拉曼信号。其中，凹槽通道内获得的R6G分子拉曼信号远高于中心处，即证明通过h1>h2的高低差设计有效引流SERS活性物质5及待测物液滴，实现第一级富集。同时，填充吸水层4的基底在凹槽通道内获得的SERS信号高于未填充吸水层4的基底，在中心处获得的SERS信号低于未填充吸水层4的基底；因此，由脱脂棉等高吸水材料组成的吸水层4可以有效引导SERS活性物质5以及待测分子进行二次富集。

(4)吸水层4均一性优化

上述脱脂棉构成的吸水层4可以有效引导SERS活性物质5以及待测分子进行二次富集，提高制样效率。为了进一步优化吸水层4设计，采用小尺寸结构物质填充吸水层4孔隙以提高基底的均一性。以纳米纤维素微晶为例，脱脂棉的纤维直径一般为微米到十微米量级，而纳米纤维素微晶的直径仅为几纳米到上百纳米，可以有效填充于脱脂棉孔隙。为了反映基底的均一性，在环形检测区域内(凹槽1内)随机10个位置进行采样检测，计算R6G拉曼峰峰值的相对(Relative standard deviation,RSD)表征基底均一性。相对标准差RSD的定义为：

其中，

上述公式中，各参数含义为：x为单次采集的拉曼光谱对应的拉曼特征峰峰值，

为对应特征峰峰值的平均值，n为光谱数量。

如图3中(a)、(b)、(c)所示，R6G分子在611,1513cm^-1处的RSD值仅为12.1％，12.8％。因此，基底具有良好的信号均一性。复合优化的吸水层4可以有效保证SERS基底的均一性，有利于提高SERS检测准确性。

(5)血浆样本的实际检测

将上述基底进行血浆样本检测，方法为：将10μL Ag纳米球胶体与10μL血浆混合，将混合溶液滴加至基底中心2。混合液滴被快速吸收至复合吸水层4修饰的凹槽通道中，30s后液滴被吸水层4完全吸收。采用便携式拉曼光谱仪采集基底中心2、凹槽通道内的拉曼光谱，其中入射激光波长为785nm、功率为200mw、积分时间为10s。

图4为SERS基底检测血浆样本获得的SERS光谱图，主要的拉曼特征峰分布于414,494,534,589,638,725,813,886,1004,1074,1134,1207,1331,1400,1580,1654cm^-1。如图所示，血浆SERS光谱信噪比高、拉曼特征峰窄而锐利。同时，血浆SERS制样过程高效、无需加热设备促进样品、可以直接进行SERS光谱采集，有利于现场化快速检测应用的开展。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下，可以任意组合使用。

Claims (10)

1.一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于所述吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：

所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；

所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3。

2.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，通过环形的所述凹槽提供一个引流通道，使SERS活性物质与待测物质在凹槽通道中完成第一级富集；所述凹槽中利用吸水层，使得所述基底快速吸附SERS活性物质与待测物质，促使吸水层与所述基底中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。

3.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述SERS活性物质为湿化学方法制备的液态金属或非金属纳米结构。

4.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述吸水层采用两种不同尺寸的双重复合材料，所述双重复合材料中小尺寸功能材料填充吸水层的孔隙，在保证吸水效率的同时降低吸水层的粗糙度获得基底信号均一性。

5.根据权利要求4所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述小尺寸功能材料为石墨烯、纳米结晶纤维素中一种或多种。

6.根据权利要求4所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述双重复合材料中大尺寸材料为纸、棉花、吸水树脂、壳聚糖中一种或多种。

7.根据权利要求4所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述吸水层的厚度h4满足h1-(h3+h4)>h2-(h3+h4)>0的约束条件。

8.根据权利要求4所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述基底采用疏水材料制成。

9.根据权利要求1-8任一项所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，在所述基底的最底部设有封水层，用于防止SERS活性物质或待测液体逸散。

10.一种权利要求1-9任一项所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底的制备方法，其特征在于，包括：

制备SERS活性物质；

制备具有环形凹槽的基底，将吸水层填充到基底上凹槽中；所述凹槽采用双重高度差设计，所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3；

将SERS活性物质加入基底中心，基于高度差导流到凹槽中，最终由吸水层吸附并均匀地散开。

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