CN113075189B - 一种基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底及其制备方法 - Google Patents

一种基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学领域，具体提供一种基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底及其制备方法，用以克服现有表面增强拉曼传感基底存在的制备太复杂、成本高等问题。本发明中表面增强拉曼传感基底通过纳米球与金膜间的局域表面等离子体的共振耦合及镜面成像场效应产生不对称曲线特征的Fano共振；使用亲和素和生物素对纳米球和金膜进行化学连接，结合力强，稳定不易脱落；并且，能够通过改变纳米球的球径、纳米球与金膜的间距等参数调控Fano dip的光谱位置和强度。综上，本发明提供的表面增强拉曼传感基底具有制备简单、灵敏度高、均一性好的优点，可制备大尺寸阵列结构。

Description

一种基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底及其制备方法
技术领域
本发明属于光学领域，涉及表面增强拉曼光谱技术，具体提供一种基于法诺(Fano)共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构的表面增强拉曼传感基底及其制备方法。
背景技术
表面增强拉曼光谱是一种被广泛应用于分子分析表征的技术，表面增强拉曼有着非常复杂的体系；表面增强拉曼基底表面物理结构及表面电子结构、激光和粗糙表面以及表面分子的相互作用、分子在表面的取向、成键作用以及分子和表面的周边环境、入射激光的强度、频率、偏振度和偏振方向等因素都会对拉曼光谱产生复杂的影响。一般表面增强拉曼基底是利用贵金属微纳米颗粒，如球形、棒状、圆柱等结构的局域表面等离子共振得到较大的拉曼增强；然而，一般金属纳米颗粒中等离子体共振近似为洛伦兹线型，其等离子体振荡将伴随金属材料的辐射损耗，使得等离子体共振的振幅衰减；而所有的金属在可见光波段都存在不可忽视的辐射损耗，导致其共振峰线宽较宽、等离子体共振寿命较短；由于电磁场强度和积累的光场能量成正比，较短的寿命将导致其能量少、强度低，限制了其在近场区域的增强效应。
由复杂金属等离子体共振相消耦合产生的一种特殊Fano共振，它具有窄的非对称光谱线型；其对结构、材料参数的灵敏性在表面增强拉曼散射中表现出了优异的性能。等离子体系中的Fano共振普遍来自于纳米结构中超辐射模式(宽的连续态)和亚辐射模式(窄的离散态)之间的相消耦合，这两种模式可以来自于结构中的不同部分或者整个结构，依赖于入射光和等离子体模式之间的耦合强度，可以通过改变纳米结构的尺寸、间距以及对称性的破坏来调节Fano共振的光谱位置和共振强度；这种明暗模式的耦合极大地降低甚至完全抑制了系统的辐射损耗，获得了较窄的光谱线宽、从而获得了极大的近场增强。Fano共振也因此在拉曼光谱增强研究和应用中为研究者开创了新的方向。目前，已经设计出了多种纳米结构来实现Fano共振，如非同心环/盘谐振腔、纳米棒-圆环结构、七聚体结构、纳米盘矩阵等；但是均存在制备太复杂、成本高等问题，难以进行应用。
由上述可知，在光学领域可以利用Fano共振的特性，制备一种基于Fano共振且成本低、工艺简单、均一性高、增强效果好的表面增强拉曼传感基底。
发明内容
本发明的目的在于针对现有表面增强拉曼传感基底存在的问题，提出了一种基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构的表面增强拉曼传感基底及其制备方法；以生物素(Avidin)和亲和素(Biotin)作为纳米球与金膜的连接，进而制备得到大面积表面增强拉曼传感基底，且具有均一性好、增强效果明显、以及制备工艺简单的优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于Fano共振的表面增强拉曼传感基底，包括：金膜与纳米球；其特征在于，所述纳米球表面具有Avidin(亲和素)修饰，所述金膜表面具有Biotin(生物素)修饰，所述Avidin(亲和素)与Biotin(生物素)进行化学连接、共同作为金膜与纳米球之间的连接层。
进一步的，所述金膜表面采用Biotin-PEG-SH(巯基-聚乙二醇-生物素)进行化学修饰，巯基(SH)与金膜进行化学连接。
更进一步的，所述Biotin-PEG-SH(巯基-聚乙二醇-生物素)化学修饰物中PEG的分子量为400Da、1000Da、3400Da或10000Da。
进一步的，所述金膜的厚度为290nm～310nm。
进一步的，所述纳米球采用带Avidin(亲和素)修饰的二氧化硅纳米球、且二氧化硅纳米球表面包覆有镀金层。
更进一步的，所述带Avidin(亲和素)修饰的二氧化硅纳米球的球径为160～240nm，镀金层的厚度为15～20nm。
当纳米球采用带Avidin(亲和素)修饰的二氧化硅纳米球时，上述基于Fano共振的表面增强拉曼传感基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用磁控溅射在预清洗硅片上表面沉积得到金膜；
步骤2.将浓度为10～20μM的Biotin-PEG-SH溶液滴涂在金膜上，在20～30℃下孵育20～30分钟，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤3.将带Avidin修饰的二氧化硅纳米球加入到去离子水中，使之充分分散后形成二氧化硅纳米球浓度为5～10mg/mL的悬浊液，将悬浊液滴涂在金膜上，并于匀胶机中，在转速为100～120rpm下孵育10～15分钟，温度为20～30℃，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤4.采用与步骤1相同磁控溅射工艺沉积镀金层。
所述步骤1中，磁控溅射工艺具体如下：
采用金靶材，首先通过分子泵将气压抽到1×10-5Pa以下后通入氩气，在1.5～2Pa气压环境下、设置溅射功率为30W对金靶进行启辉，然后于0.5～0.6Pa气压环境下进行溅射。
进一步的，所述纳米球采用金纳米球。
更进一步的，所述金纳米球的球径为180～220nm。
当纳米球采用金纳米球时，上述基于Fano共振的表面增强拉曼传感基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用磁控溅射在预清洗硅片上表面沉积得到金膜；
步骤2.将球径为180～220nm的金纳米球加入到1～2mM的SH-Avidin溶液中，在20～30℃下孵育100～120分钟，使金纳米球与巯基充分结合，形成带Avidin修饰的金纳米球浓度为5～10mg/mL的悬浊液；
步骤3.将浓度为10～20μM的Biotin-PEG-SH溶液滴涂在金膜上，在20～30℃下孵育20～30分钟，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤4.将带Avidin修饰的金纳米球悬浊液滴涂在金膜上，并于匀胶机中，在转速为100～120rpm下孵育10～15分钟，温度在20～30℃然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构的表面增强拉曼传感基底及其制备方法，具有如下优点：
1.本发明的结构中纳米球与金膜由于其局域表面等离子体间的强共振耦合作用。同时，该结构由于金膜的存在会出现镜面成像场效应，在成像球体上会激发与纳米球具有反相分布的相似电模式，由于在实球和成像球上的反平行分布特性，两个粒子之间可能会形成电流回路，从而产生不对称曲线特征的Fano共振。通过改变纳米球-聚乙二醇-金膜的表面增强拉曼传感基底结构中的纳米球球径、球膜间距、镀金厚度，来调控Fano dip的光谱位置和强度；
2.本发明使用PEG的不同分子量来改变纳米球和金膜之间的间距，调控范围精度可以达到纳米级；
3.本发明使用Avidin和Biotin对纳米球和金膜进行化学连接，结合力强，稳定不易脱落，且基底上的纳米球分布均匀，保存环境要求低；
4.本发明的基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜的表面增强拉曼传感基底，对拉曼信号有明显增强，灵敏度高，制备简单，均一性好，方便制备大尺寸阵列结构，可重复性强，易于应用。
附图说明
图1为本发明的基于Fano共振的表面增强拉曼传感基底的结构示意图。
图2为本发明中纳米球上的Avidin与金膜上的Biotin-PEG-SH结合的原理示意图。
图3为本发明实施例1中表面增强拉曼传感基底的SEM图，其中，PEG分子量为1000Da。
图4为本发明实施例1中表面增强拉曼传感基底的截面SEM图，其中，PEG分子量为1000Da。
图5为本发明实施例1中表面增强拉曼传感基底的散射光谱图。
图6为本发明实施例1中表面增强拉曼传感基底对4-ATP拉曼光谱。
图7为本发明实施例1中在各个镀金层厚度、各个二氧化硅纳米球的球径下表面增强拉曼传感基底的散射光谱图，其中，a为在各个镀金层厚度下表面增强拉曼传感基底的散射光谱图，b为在各个二氧化硅纳米球的球径下表面增强拉曼传感基底的散射光谱图。
具体实施方式
为了更清楚的说明本发明中表面增强拉曼传感基底的结构和制备流程，下面结合附图和实施例进行更详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底，其结构如图1所示，所述表面增强拉曼传感基底制备与硅衬底上，具体包括：金膜与纳米球，其中，所述纳米球采用带Avidin(亲和素)修饰的二氧化硅纳米球；所述金膜表面采用Biotin-PEG-SH(巯基-聚乙二醇-生物素)化学试剂进行化学修饰，巯基(SH)与所述金膜发生强力的化学连接，PEG(聚乙二醇)用于通过不同的分子量来控制长度，Biotin(生物素)与Avidin(亲和素)进行强力的化学连接，如图2所示；并且，所述二氧化硅纳米球表面包覆有镀金层。
本实施例中，所述表面增强拉曼传感基底结构中，金膜的厚度为290nm～310nm，二氧化硅纳米球的球径在190nm～210nm，镀金层的厚度为15nm；当Biotin-PEG-SH(巯基-聚乙二醇-生物素)化学试剂中PEG的分子量为1000Da时，纳米球和金膜的间距在1nm左右。
需要说明的是，本实施例中，所述带Avidin(亲和素)修饰的二氧化硅纳米球为现有工业化产品，将其作为表面增强拉曼传感基底中的纳米球，则省去了纳米球的Avidin(亲和素)修饰过程，但需要对二氧化硅纳米球表面设置镀金层。
本实施例还提供了上述基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底的制备方法，材料准备：(1)采用1cm×1cm的硅片作为载体(衬底)；(2)去离子水、丙酮溶液、无水乙醇、ATP探针分子、Avidin修饰过的二氧化硅纳米球、Biotin-PEG-SH粉末；(3)金靶材；
具体步骤如下：
步骤1：清洗硅片；
将硅片依次放入丙酮溶液、无水乙醇、去离子水中超声清洗8分钟，用吹风机将表面的水吹干，然后将硅片放在100℃的热台上烘10分钟，最后让硅片在室温自然冷却；
步骤2：磁控溅射制备金膜；
将步骤1的硅片放进磁控溅射仪中，利用分子泵将气压抽到1×10-5Pa后通入氩气，在气压1.5Pa的环境，功率30W对金靶进行启辉，然后将气压调到0.5Pa，在硅片上溅射500s，最后通入空气取出硅片；
步骤3：对金膜进行Biotin-PEG-SH化学修饰；
采用PEG分子量为10000Da的Biotin-PEG-SH粉末，取10mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的10000Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
采用PEG分子量为3400Da的Biotin-PEG-SH粉末，取3.4mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的3400Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
采用PEG分子量为1000Da的Biotin-PEG-SH粉末，取1mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的1000Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
针对各个PEG分子量的Biotin-PEG-SH溶液：取50μL溶液滴于金膜上、并使其尽可能铺满，在25℃下孵育30分钟，最后将基底于去离子水中涮洗后用吹风机吹干；
步骤4：Biotin(生物素)与Avidin(亲和素)的结合；
取1mL的带Avidin修饰的二氧化硅纳米球溶液到2mL的离心管中，放入离心机中，配平后采用7000rpm的速度离心8分钟；然后将离心后的上清液用移液枪取出，留下离心管中的带Avidin修饰的二氧化硅纳米球，并将其加入500μL的去离子水，振荡使二氧化硅纳米球充分分散在去离子水中形成悬浊液；取出50μL悬浊液滴于经步骤3的基底上，并将基底放入匀胶机中，设置转速为100rpm，孵育10分钟，使Avidin和Biotin充分结合，如图2所示，显示了Avidin与Biotin的化学连接过程；最后将基底于去离子水中涮洗后用吹风机吹干，以去除未连接的Avidin与Biotin；
步骤5：磁控溅射镀金；
将经步骤4的基底放进磁控溅射仪中，采用与步骤2相同溅射工艺，溅射时间为25s，即在经步骤4的基底上表面(包括二氧化硅纳米球)均匀的覆盖一层镀金层，则制备得到表面增强拉曼传感基底。
对上述制备方法制备得到的表面增强拉曼传感基底进行测试，测试结果如下：
如图3所示，显示了基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底的SEM图，从图3可以看出，纳米球在金膜上分布均匀，纳米球的球径存在很小的区别，范围在220nm～240nm。
如图4所示，显示了基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底的截面SEM图，从图4可以看出，纳米球与金膜之间的间距很小，所以纳米球和金膜之间的局域表面等离子体有强共振耦合作用，可以产生Fano共振。
如图5所示，测试了本实施例中表面增强拉曼传感基底的散射光谱，其Fano共振出现在770nm～800nm，包含了与测试拉曼所用的激光波长785nm，由此可见，本实施例的拉曼增强效果很好。
如图6所示，测试了在PEG分子量分别为10000Da、3400Da、1000Da时，本实施例中表面增强拉曼传感基底对4-ATP(5μL、1mM)的拉曼增强对比，可以发现纯金的基底增强最弱，随着PEG分子量从10000Da到3400Da到1000Da，拉曼增强越来越明显，与PEG分子量分子量越小、纳米球和金膜的间距越小、拉曼增强越明显的理论分析相符合；本实施例中，当PEG的分子量为1000Da时，纳米球和金膜的间距在1nm左右。
如图7所示，可以通过改变纳米球球径、PEG的分子量和镀金厚度来改变Fano dip，因此申请人通过仿真软件计算了不同球径、间距、镀金厚度的散射光谱，其中，图a显示了镀金厚度分别为5nm、10nm、15nm、20nm时表面增强拉曼传感基底的散射光谱(PEG的分子量为1000、球径为200nm)，随着镀金厚度从5nm到15nm，Fano共振的强度越来越强，从15nm到20nm，Fano共振的强度几乎没有变化，故本发明中，镀金层厚度设定为15nm～20nm；图b显示了二氧化硅纳米球球径分别为160nm、180nm、200nm、220nm、240nm时表面增强拉曼传感基底的散射光谱(PEG的分子量为1000、镀金层厚度为15nm)，Fano共振的强度几乎没有变化，只是出现了平移，故本发明中，二氧化硅纳米球球径设定为160nm～240nm。
实施例2
本实施例提供一种基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底，其结构如图1所示，所述表面增强拉曼传感基底制备与硅衬底上，具体包括：金膜与纳米球，其中，所述纳米球采用金纳米球，采用SH-Avidin(巯基-亲和素)进行化学修饰，使之表面具有Avidin(亲和素)修饰；所述金膜表面采用Biotin-PEG-SH(巯基-聚乙二醇-生物素)化学试剂进行化学修饰，巯基(SH)与所述金膜发生强力的化学连接，PEG(聚乙二醇)用于通过不同的分子量来控制长度，Biotin(生物素)与Avidin(亲和素)进行强力的化学连接，如图2所示。
本实施例与实施例1相比，区别在于：当金纳米球作为纳米球时，则需要单独对其进行Avidin(亲和素)修饰，但不需要设置镀金层；基于此，本实施例中，基于Fano共振的纳米球-聚乙二醇-金膜结构表面增强拉曼传感基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：清洗硅片；
将硅片依次放入丙酮溶液、无水乙醇、去离子水中超声清洗8分钟，用吹风机将表面的水吹干，然后将硅片放在100℃的热台上烘10分钟，最后让硅片在室温自然冷却；
步骤2：磁控溅射制备金膜；
将步骤1的硅片放进磁控溅射仪中，利用分子泵将气压抽到1×10-5Pa后通入氩气，在气压1.5Pa的环境，功率30W对金靶进行启辉，然后将气压调到0.5Pa，在硅片上溅射500s，最后通入空气取出硅片；
步骤3：对金纳米球进行SH-Avidin化学修饰；
取1mL球径为200nm的金纳米球溶液到2mL的离心管中，放入离心机中，配平后采用6000rpm的速度离心6分钟；然后将离心后的上清液用移液枪取出，留下离心管中的金纳米球，并将其加入500μL、1mM浓度的SH-Avidin溶液，振荡使金纳米球充分分散在SH-Avidin溶液中形成悬浊液，孵育100～120分钟，最后形成带Avidin修饰的金纳米球悬浊液；
步骤4：对金膜进行Biotin-PEG-SH化学修饰；
采用PEG分子量为10000Da的Biotin-PEG-SH粉末，取10mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的10000Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
采用PEG分子量为3400Da的Biotin-PEG-SH粉末，取3.4mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的3400Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
采用PEG分子量为1000Da的Biotin-PEG-SH粉末，取1mg加入1mL的去离子水，得到1mM浓度的1000Da Biotin-PEG-SH溶液，再向下将浓度稀释到10μM；
针对各个PEG分子量的Biotin-PEG-SH溶液：取50μL溶液滴于金膜上、并使其尽可能铺满，在25℃下孵育30分钟，最后将基底于去离子水中涮洗后用吹风机吹干；
步骤5：Biotin(生物素)与Avidin(亲和素)的结合；
将步骤3中带Avidin修饰的金纳米球悬浊液，取出50μL滴于经步骤4的基底上，并将基底放入匀胶机中，设置转速为100rpm，孵育10分钟，使Avidin和Biotin充分结合；最后将基底于去离子水中涮洗后用吹风机吹干，以去除未连接的Avidin与Biotin。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。

Claims (9)

1.一种基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，包括：金膜与纳米球；其特征在于，所述纳米球表面具有Avidin修饰，所述金膜表面具有Biotin修饰，所述Avidin与Biotin进行化学连接、共同作为金膜与纳米球之间的连接层；所述金膜表面采用Biotin-PEG-SH进行化学修饰，SH与金膜进行化学连接，通过调节PEG的分子量控制纳米球与金膜的间距。
2.按权利要求1所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述金膜的厚度为290nm～310nm。
3.按权利要求1所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述Biotin-PEG-SH中PEG的分子量为400Da、1000Da、3400Da或10000Da。
4.按权利要求1所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述纳米球采用带Avidin修饰的二氧化硅纳米球、且二氧化硅纳米球表面包覆有镀金层。
5.按权利要求4所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述带Avidin修饰的二氧化硅纳米球的球径为160～240nm，镀金层的厚度为15～20nm。
6.按权利要求1所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述纳米球采用金纳米球。
7.按权利要求6所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底，其特征在于，所述金纳米球的球径为180～220nm。
8.按权利要求4所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用磁控溅射在预清洗硅片上表面沉积得到金膜；
步骤2.将浓度为10～20μM的Biotin-PEG-SH溶液滴涂在金膜上，在20～30℃下孵育20～30分钟，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤3.将带Avidin修饰的二氧化硅纳米球加入到去离子水中，使之充分分散后形成二氧化硅纳米球浓度为5～10mg/mL的悬浊液，将悬浊液滴涂在金膜上，并于匀胶机中，在转速为100～120rpm下孵育10～15分钟，温度为20～30℃，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤4.采用与步骤1相同磁控溅射工艺沉积镀金层。
9.按权利要求6所述基于法诺共振的表面增强拉曼传感基底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1.采用磁控溅射在预清洗硅片上表面沉积得到金膜；
步骤2.将球径为180～220nm的金纳米球加入到1～2mM的SH-Avidin溶液中，在20～30℃下孵育100～120分钟，形成带Avidin修饰的金纳米球浓度为5～10mg/mL的悬浊液；
步骤3.将浓度为10～20μM的Biotin-PEG-SH溶液滴涂在金膜上，在20～30℃下孵育20～30分钟，然后采用去离子水进行冲洗，并吹干；
步骤4.将带Avidin修饰的金纳米球悬浊液滴涂在金膜上，并于匀胶机中，在转速为100～120rpm下孵育10～15分钟，温度在20～30℃然后采用去离子水进行冲洗，并吹干。
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