CN112441752A - 一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法，首先，在玻璃盖玻片上沉积SU‑8膜，涂布后，采用UV照射30分钟；然后将其浸泡于乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中，并进行温和搅拌；指定时长后，进行洗涤，并浸入3‑氨基丙基三乙氧基硅烷的2‑丙醇溶液中，浸泡一定时间后，进行洗涤，然后浸泡至金纳米颗粒溶液中指定时长后再次进行洗涤。
Description
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，特别涉及一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法。
背景技术
表面增强拉曼散射SERS已广泛应用于检测食品添加剂、药物、农药及一些检测限低至单分子水平的污染物，其具有高灵敏度和出色的分子特异性。使用SERS成功检测的关键是形成小于10nm的高间隙密度，亦可称为热点。当检测物附着于这些热点时，拉曼散射信号将大大增强。
从应用的角度来看，开发有效的SERS基底需要提供具有强大增强因子的高间隙密度，并保持高稳定性和可复制性。目前常用的SERS基底制备方法包括图案化技术以及自组装技术等，其中，图案化技术如电子束光刻、纳米球光刻或纳米压印，可以提高SERS基底的可复制性，但在一定的分子浓度下，很难产生高密度的热点，尤其是低于20nm的间隙大小。而自组装技术虽然可以引入对称性，将间隙尺寸控制在一定范围内，但是准备过程非常复杂且耗时，在大面积上制造是非常困难的。
因此，一种简单快速、可复制的表面增强拉曼散射活性基底的制备方法的研发是十分具有挑战性，也是十分必要的。
发明内容
针对现有技术中的部分或全部问题，本发明一方面提供一种表面增强拉曼散射基底，包括玻璃盖玻片，覆盖于所述玻璃盖玻片上的改性SU-8膜，以及吸附于所述改性SU-8膜上的金纳米颗粒层。
本发明另一方面提供所述表面增强拉曼散射基底的制备方法，包括：
制备SU-8薄膜，在玻璃盖玻片上沉积SU-8膜，涂布后，采用UV照射；
形成改性SU-8膜，包括：
将覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片浸泡于乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中，并以不高于600rpm的速度搅拌指定时长；
取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤后，浸入指定体积比的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中；以及
浸泡指定时长后，取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤，形成改性SU-8膜；
将覆盖有改性SU-8膜的玻璃盖玻片浸泡至金纳米颗粒溶液中指定时长后，使得金纳米颗粒吸附至改性SU-8膜上；以及
对所述玻璃盖玻片进行洗涤。
进一步地，所述SU-8膜的沉积通过喷涂机完成。
进一步地，所述喷涂机以3000rpm的速度将40μm的SU-8膜沉积在直径为22mm的圆形玻璃盖玻片上。
进一步地，所述乙醇胺浓度为0.1Mol/L，所述磷酸钠缓冲液浓度为0.5Mol/L，所述乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液的pH值为7.4。
进一步地，所述覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片在乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中浸泡10小时。
进一步地，采用2-丙醇对从乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
进一步地，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液的体积比为2％。
进一步地，所述玻璃盖片在3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中浸泡90分钟。
进一步地，采用超纯水和无水乙醇对从3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
进一步地，所述玻璃盖片在金纳米颗粒溶液中浸泡2小时。
进一步地，所述金纳米颗粒溶液为金纳米棒或金纳米星溶液。
进一步地，采用超纯水和无水乙醇对从金纳米颗粒溶液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
在本发明中，所述SU-8膜是指一种常用的基于环氧的负性光刻胶，负性是指光致抗蚀剂，能够使暴露于紫外线的部分发生交联，而膜的其余部分保持可溶并且可以在显影过程中洗掉，所述SU-8的分子结构如图6所示。
本发明提供的一种表面增强拉曼散射基底及其制备方法，利用化学方法将金纳米棒和/或金纳米星附着于SU-8薄膜表面，制作成表面增强拉曼散射活性基底，具有优异的可实现重现性和高度增强因子。其中，SU-8是一种常用的基于环氧的负性光刻胶，它的使用大大降低了成本，同时，同时，所述方法采用简单的化学方法，对所述SU-8进行改性，使得金纳米颗粒通过静电吸附作用牢固地吸附于改性后的SU-8膜表面，制作简洁、快速。而金纳米棒和金纳米星的利用，则使基底能够产生大量热点，大大增强了检测物的拉曼散射信号。同时，大量纳米颗粒的使用使得分析物的随机吸附大大避免或减少，并且重现性得到了很大的提高。
附图说明
为进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。
图1示出本发明一个实施例的一种表面增强拉曼散射基底的制备方法流程示意图；
图2示出SU-8膜改性后金纳米颗粒吸附示意图；
图3示出金纳米星颗粒的吸附情况示意图；
图4a示出采用本发明一个实施例的一种表面增强拉曼散射基底的制备方法得到的金纳米棒基底的SEM图；
图4b示出采用本发明一个实施例的一种表面增强拉曼散射基底的制备方法得到的金纳米星基底的SEM图；
图5示出采用本发明一个实施例的一种表面增强拉曼散射基底的制备方法得到的空白SU-8基底、金纳米棒基底和金纳米星基底上的罗丹明6G的拉曼散射光谱；以及
图6示出SU-8膜的分子结构示意图。
具体实施方式
以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免模糊本发明的发明点。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明并不限于这些特定细节。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按正确比例绘制。
在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。
需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了阐述该具体实施例，而不是限定各步骤的先后顺序。相反，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
本发明提供一种简单快速、可复制的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法。其中，一种表面增强拉曼散射基底包括玻璃盖玻片，覆盖于所述玻璃盖玻片上的改性SU-8膜，以及吸附于所述改性SU-8膜上的金纳米颗粒层。
所述表面增强拉曼散射基底的制备方法的流程如图1所示，包括：
首先，在步骤101，制备SU-8薄膜。若单纯采用玻璃基底，纳米颗粒吸附性不强很不稳定，极易脱落，因此，为了增强纳米颗粒吸附的稳定性，所述表面增强拉曼散射基底基于SU-8薄膜制备，所述SU-8薄膜的制备包括：在玻璃盖玻片上沉积SU-8膜，涂布后，采用UV照射，使其进行交联；在本发明的一个实施例中，采用喷涂机以3000rpm的速度，将40μm的SU-8膜沉积在直径为22mm的圆形玻璃盖玻片上形成SU-8薄膜，在本发明的又一个实施例中，涂布后，进行30分钟的UV照射；
接下来，在步骤102，形成改性SU-8膜。为了使得金纳米颗粒能够通过静电吸附的作用吸附于基底表面，需要对SU-8薄膜进行改性，图2及图3示出了改性后金纳米颗粒的吸附示意图，可以看出，其表面均匀分布有层金纳米星颗粒，所述金纳米星颗粒分布较为均匀，其星形形貌特征清晰可辨，所述改性SU-8膜的形成包括步骤：
首先，将覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片浸泡于乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中，并进行温和搅拌指定时长；在本发明的一个实施例中，所述乙醇胺浓度为0.1Mol/L，所述磷酸钠缓冲液浓度为0.5Mol/L，所述乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液的pH值为7.4；在本发明的又一个实施例中，所述覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片在乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中浸泡10小时；其中，所述温和搅拌是指不高于600rpm的搅拌；
接下来，取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤后，浸入指定体积比的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中；在本发明的一个实施例中，采用2-丙醇对从乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤，在本发明的又一个实施例中，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液的体积比为2％；以及
最后，浸泡指定时长后，取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤，形成改性SU-8膜；所述改性SU-8膜表面带有正电荷，能够吸附金纳米颗粒；在本发明的一个实施例中，所述指定时长为90分钟；在本发明的又一个实施例中，采用超纯水和无水乙醇对从3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤；
接下来，在步骤103，吸附金纳米颗粒。将覆盖有改性SU-8膜的玻璃盖玻片浸泡至金纳米颗粒溶液中指定时长后，使得金纳米颗粒吸附至改性SU-8膜上；在本发明的一个实施例中，所述指定时长为2小时；在本发明的又一个实施例中，所述金纳米颗粒溶液为金纳米棒或金纳米星溶液；以及
最后，在步骤104，洗涤。对所述玻璃盖玻片进行洗涤，洗去悬浮、未完全吸附的金纳米颗粒，得到稳定基底。在本发明的一个实施例中，采用超纯水和无水乙醇对从金纳米颗粒溶液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
为了验证本发明实施例中一种表面增强拉曼散射基底的制备方法的效果，对采用所述方法制备得到的金纳米棒基底及金纳米星基底进行检测：
首先，拍摄SEM图像以评估金纳米颗粒在SU-8薄膜上的固定效果，所述金纳米棒基底及金纳米星基底的SEM图如图4a及4b所示。图4a中，金纳米棒分布在变改性SU-8膜表面上，并显示了清晰的形状和尺寸。由于溶剂蒸发效应，形成的纳米颗粒图案之间的间距介于25到500nm之间。图4b中，金纳米星聚集体附着在改性SU-8膜上，未观察到星尖，这是由于在拍摄SEM图像时需要喷涂5nm的铬涂层，所述铬涂层覆盖了星形尖端而形成球形导致的；以及
接下来，分别将制作完成的金纳米棒基底和金纳米星基底在浓度为10-4Mol/L的罗丹明6G(R6G)乙醇溶液中浸泡。10分钟后，将底物用水和乙醇洗涤，并在室温下干燥，然后使用InVia Renishaw Raman光谱仪和633nm HeNe激光在50倍物镜下曝光10s时，记录所有拉曼和SERS光谱。其中，激光功率设定为0.5mW。为进行对照，同时在空白的SU-8基板上以相同的设置进行测量，各基底的拉曼散射光谱如图5所示，没有金纳米颗粒的空白基底上的拉曼散射光谱如图5最底部曲线所示，没有观察到特征性的拉曼峰。图5中间为金纳米棒基底的拉曼散射光谱，以及最顶部为金纳米星基底的拉曼散射光谱，可以看出，其出现了与标准R6G拉曼光谱完全吻合的明显峰，其中，612cm-1处的峰是由于C-C-C变形的面内振动而引起的，而772cm-1处的峰与C-H变形的面外弯曲有关，1184cm-1处的峰则对应于C-C拉伸振动，以及1312cm-1、1362cm-1、1511cm-1、1573cm-1和1650cm-1处的峰是由于芳族C-C拉伸振动。则把1511cm-1处的强度作为标准，使用以下公式计算金纳米颗粒的SERS增强因子(EF)：
其中，ISERS和IRS分别代表金纳米颗粒基底上SERS光谱和空白基底的初始拉曼光谱中同一峰的拉曼信号强度。NSERS和NRS表示在激光光斑区域内附着在基底上的R6G分子的数量。经过计算，金纳米棒基底的SERS增强因子为2.5×104，金纳米星基底的SERS增强因子为4.6×105。由于尖端的热点以及不同粒子之间的粒子间热点，金纳米星的SERS增强因子更高。
尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。
Claims (10)
1.一种表面增强拉曼散射基底，其特征在于，包括玻璃盖玻片，覆盖于所述玻璃盖玻片上的改性SU-8膜，以及吸附于所述改性SU-8膜上的金纳米颗粒层。
2.一种制备如权利要求1所述的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在玻璃盖玻片上沉积SU-8膜，涂布后，采用UV照射30分钟；
将覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片浸泡于乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中，并以不高于600rpm的速度搅拌指定时长；
取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤后，浸入指定体积比的3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中；
浸泡指定时长后，取出所述玻璃盖玻片，并进行洗涤，形成改性SU-8膜；
将覆盖有改性SU-8膜的玻璃盖玻片浸泡至金纳米颗粒溶液中指定时长后，使得金纳米颗粒吸附至改性SU-8膜上；以及
对所述玻璃盖玻片进行洗涤。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用喷涂机以3000rpm的速度将40μm的SU-8膜沉积在直径为22mm的圆形玻璃盖玻片上，形成SU-8薄膜。
4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述乙醇胺浓度为0.1Mol/L，所述磷酸钠缓冲液浓度为0.5Mol/L，所述乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液的pH值为7.4。
5.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述覆盖有SU-8薄膜的玻璃盖玻片在乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中浸泡10小时。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用2-丙醇对从乙醇胺与磷酸钠缓冲液形成的混合液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液的体积比为2％。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述玻璃盖片在3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中浸泡90分钟。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述玻璃盖片在金纳米颗粒溶液中浸泡2小时。
10.如权利要求2所述的方法，其特征在于，采用超纯水和无水乙醇对从3-氨基丙基三乙氧基硅烷的2-丙醇溶液中取出的玻璃盖玻片以及从金纳米颗粒溶液中取出的玻璃盖玻片进行洗涤。
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