專利名稱：一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種表面增強拉曼光譜和微加工技術(shù)，特別是涉及一種高均一性、高活性表面增強拉曼光譜基底的制備方法。
背景技術(shù)：
表面增強拉曼光譜(SERS)是一種具有高靈敏度并且具有分子識別能力的光譜技術(shù)，其靈敏度比普通拉曼高IO6個數(shù)量級。除了靈敏度較高外，SERS與其他的光譜技術(shù)比起來有以下幾個特點1、必須在粗糙化的金屬表面才能有增強，而且一定是納米級粗糙化才能有較好的增強；2、金屬基底多為金、銀、銅3種金屬，這3種金屬增強效果最好；3、分子必須吸附于基底表面，因為隨著離開表面距離的增大，信號以指數(shù)的趨勢衰減；4.拉曼信號來自于分子本身的震動，不需要借助標記物來得到信號，是一種非標記光譜。由于表面增強拉曼高靈敏、無需標記等優(yōu)點，使得其在生物分子檢測、傳感器以及藥物檢測等的方面有廣泛應(yīng)用，最近比較有代表性的工作如hhee Choi等發(fā)表在《Lab Chip))2011,11,632-638 上的工作，以及 Jianfeng Li, Zhongqun Tian 等在《Nature》上發(fā)表的 Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy,2010,464,392-395。由于SERS檢測需要粗糙的金屬表面，因此為了提供這種表面SERS基底成為了必要的條件。目前該領(lǐng)域的表面增強拉曼基底制備方法有以下幾種1.電化學氧化還原粗糙法該方法通常在某些電解質(zhì)溶液中，如在氯化鉀，硫酸溶液中對預(yù)粗糙的金屬電極施加一定的電位或電流信號，使電極發(fā)生氧化和還原，從而使表面粗糙化。該方法可以使很多電極表面產(chǎn)生強的SERS增強效應(yīng)，如Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、1 、Pd、Pt等，在SERS發(fā)展過程中曾被廣泛應(yīng)用。但該方法有明顯缺點，制備的粗糙電極的表面形貌不均勻，形貌無序、 尺度和形狀不易控制，導致SERS信號在不同位置的均勻性較差。2.合成納米粒子法隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的制備不同形狀和大小的金屬納米粒子的方法應(yīng)運而生。該方法的優(yōu)點之一是納米粒子的尺度和形狀在一定程度上可控，光學性質(zhì)可以方便地通過粒子的尺寸和形狀進行調(diào)控，從而找到不同激發(fā)光下增強效應(yīng)最好的基底；優(yōu)點之二是納米粒子具有很好的增強效應(yīng)，最顯著的粒子是80nm左右的銀溶膠具有高達IOw左右的增強，這種粒子已被應(yīng)用于單分子檢測中。但是合成過程中通常需要加入保護劑以保證納米粒子形成特定的尺寸和形狀，并使其分散均勻，所以納米粒子表面通常會吸附一層保護劑分子，在用做SERS基底時，尤其在檢測吸附能力較弱的分子時，保護劑的吸附將嚴重干擾其它分子的研究，對于吸附能力強的分子，干擾將大大減少甚至可以忽略。這是該方法的缺點之一。為了克服這一缺點，使納米粒子得到更廣泛的應(yīng)用，各種各樣的除雜方法也涌現(xiàn)出來，如碘取代法，即利用碘離子的強吸附能力取代保護劑分子，再利用碘離子易氧化脫去的特點得到干凈表面；多次離心清洗去除多余的保護劑和反應(yīng)物；施加負電位使保護劑分子脫附等。該方法的缺點之二是信號的均勻性不夠好，因為納米粒子的增強效應(yīng)除了與形狀和尺寸相關(guān)外，與粒子間的sra耦合效應(yīng)也密切相關(guān)，所以不同的聚集狀態(tài)會導致不同的增強。為了克服這一缺點，目前發(fā)展的方法包括納米粒子組裝法，即通過偶聯(lián)分子使納米粒子均勻分散在一些固體表面；多層組裝法，即使納米粒子以最大的耦合狀態(tài)多層緊密堆積在一些固體表面。如中國專利200610008767. 4報道的工作。3.有序SERS基底制備方法上面提到的方法在基底均勻性方面都比較差，為了使SERS技術(shù)能發(fā)展成一個普適的方法，基底的有序性、重現(xiàn)性、穩(wěn)定性、光學性質(zhì)易調(diào)性(滿足不同激發(fā)光波長)、增強效應(yīng)強和大規(guī)模制備是必須的，因此有序SERS基底的制備方法受到重視并得到了很大發(fā)展，目前主要有以下幾個方法模板法、納米粒子有序組裝法和平板印刷法。這些方法的發(fā)展也使得理論計算能更準確地模擬實際基底的特征，使理論和實驗更好地關(guān)聯(lián)起來，輔助人們深入理解SERS效應(yīng)。(1)模板法。該方法通過組裝大面積的單層密堆積的聚苯乙烯球作為模板，然后利用電沉積或濺射的方法在模板間隙處沉積金屬，通過控制沉積的電量或濺射金屬的質(zhì)量 (利用石英晶體微天平控制)，得到不同厚度的金屬，去除聚苯乙烯球模板后，就可以得到大面積有序的金屬納米碗或納米島結(jié)構(gòu)，通過改變所用聚苯乙烯球的大小和沉積金屬層的厚度，基底的光學性質(zhì)可方便調(diào)控。目前利用此方法可以制備Au、Ag、Pt、Pd、Co等納米碗結(jié)構(gòu)和銀納米島結(jié)構(gòu)，并在可見至紅外光區(qū)都獲得了較好的增強效應(yīng)。具有代表性的工作如 ChristyL. Haynes 在《J. Phys. Chem.》2001，105,5599-5611 以及 JeremyJ. Baumberg 在 ((NanoLetters.》2005，5，2洸2_2267上發(fā)表的報道；以及中國專利200810049158報道的工作。但是由于此方法得到的基底在單位面積上的SERS活性位有限，造成它的SERS活性總體上不如聚集后的納米粒子。另外，也可以選擇其它模板，如氧化鋁模板等。(2)納米粒子有序組裝法。該方法通過在固體表面如硅、玻璃(導電或不導電)、 Au膜表面修飾上一層具有雙功能團的偶聯(lián)分子，它的一端可以與固體表面結(jié)合形成自組裝膜，另一端可以和納米粒子通過化學鍵或靜電力作用使納米粒子有序組裝到固體表面。偶聯(lián)分子的選擇非常重要，如果固體表面是硅或玻璃，納米粒子是Aujg或Pt時，偶聯(lián)分子是 (RO)3Si (CH2)3X,其中 X = CN, NH2, 2-pyridyl, P(C6H5)2, SH，用以與納米粒子作用；R = CH3, CH2CH3，硅氧烷用于和玻璃或硅作用。如果固體是金膜，偶聯(lián)分子連接金膜一端的官能團需將硅氧烷換成-SH。納米粒子在表面的覆蓋度取決于粒子的大小、表面的電性、溶膠中納米粒子的濃度和使用的偶聯(lián)分子。由于粒子間的斥力，導致粒子間有一定的間隔，使電磁場不能很好的耦合，SERS活性低。為了克服此弱點，可以進一步通過化學或電沉積的方法使粒子長大同時減小粒子間的間距，提高SERS活性。此方法的優(yōu)勢是通過控制粒子間的間距實現(xiàn)光學性質(zhì)的調(diào)控。另外，雖然納米粒子在固體表面的排列是隨機的，粒子間的間距不等， 不如模板法和平板印刷術(shù)法制得的基底，但是在激光光斑的范圍內(nèi)(幾微米內(nèi))，信號的均勻性仍可以達到很好的水平。所以它的另一個優(yōu)勢是大面積的組裝，且信號均勻。(3)納米平版印刷術(shù)。該方法制備有序納米陣列的基本步驟如下在一些固體基底表面，如硅、金膜上涂上一薄層聚合物(如IOOnm厚的聚甲基-異丁烯酸聚合物，PMMA)，然后用光、電子束或離子束刻蝕的方法在聚合物膜上刻蝕出一些圖案，經(jīng)過曝光和顯影后，PMMA膜就可以作為掩模并在其上利用蒸鍍等方法沉積上一些金屬，剝離(lift-off)PMMA膜后，就出現(xiàn)了與PMMA上刻蝕出的圖案相同的金屬結(jié)構(gòu)。納米陣列的尺寸與所用刻蝕方法密切相關(guān)。光刻技術(shù)由于受到衍射極限的限制，即使使用波長很短的紫外光(de印UV or extreme UV)，精度的極限值也只能達到lOOnm。電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕可以應(yīng)用于IOOnm以下的超精細結(jié)構(gòu)， 制備不同大小、間距和深度的有序納米結(jié)構(gòu)陣列。但是這種方法制備出的納米點陣結(jié)構(gòu)通常都是由孤立的粒子構(gòu)成，粒子間因缺乏耦合效應(yīng)造成SERS活性低。目前也發(fā)展了一些方法用以提高納米點陣的SERS活性，如對銀納米點陣進行等離子處理，使銀納米粒子表面產(chǎn)生多個更小的銀納米粒子，以提高SERS活性。4.其它SERS基底的制備方法很多，其它方法包括激光干涉光刻法、化學刻蝕法、化學沉積法、高真空沉積法、機械法等。在實際使用過程中，要根據(jù)體系的需求選擇不同的基底， 考慮的因素包括激光光斑的大小和所需的空間分辨率。下面以兩個極端的情況為例，如果利用SERS研究細胞內(nèi)部pH值的三維分布圖，最好使用尺寸小而SERS增強效應(yīng)大的基底，具有強大增強效應(yīng)的納米粒子或其聚集態(tài)將是很好的選擇；如果SERS實驗使用的是直徑為200 μ m的光斑，那么只要基底的形貌在微米級范圍內(nèi)比較規(guī)整，就可以滿足信號均勻的要求，而沒有必要利用電子束刻蝕等精度非常高的方法來制備基底。如中國專利 200810056003, 200710042776. X，以及 CN200410010288. 7 等報道的工作。綜上所述，以上方法制備得到的SERS基底無法兼顧均一性和高增強信號。模板法制備的SERS基底重現(xiàn)性很好，但是強度不如納米粒子的SERS基底；而其他方法固然可以得到很強SERS信號，但是重現(xiàn)性卻很差，對SERS基底的商業(yè)化阻礙很大。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的表面增強拉曼基底無法兼顧信號強度和均一性等問題，提供一種既有很高均一性，又有較好增強的表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法。本發(fā)明包括以下步驟1)在水面上鋪展單層聚苯乙烯納米微珠陣列；2)利用反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)制備有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列；3)制備表面增強拉曼光譜活性基底。在步驟1)中，所述在水面上鋪展單層聚苯乙烯納米微珠陣列的具體方法可采用 在容器內(nèi)裝入超純水，然后加入質(zhì)量分數(shù)為2%的十二烷基硫酸鈉(SDQ溶液，得稀釋后的溶液A ；將聚苯乙烯微珠溶液用乙醇稀釋，稀釋的體積比可為1 1，加入稀釋后的溶液 A加于基片上，再將此基片以水平的角度沒入容器的水中，微珠溶液在表面張力作用下鋪展在水面形成陣列，靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液以增加單層膜的強度，最后將聚苯乙烯納米微珠陣列撈起，除去殘余的水，即得到基片上的聚苯乙烯納米微珠陣列；所述超純水、十二烷基硫酸鈉溶液、稀釋后的溶液A的體積比可為(40 50) 0. 006 (0.005 0. 02 ，所述十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)最好為2% ；所述基片可采用硅片或玻璃片等；所述靜置的時間可為ι 池；所述靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液的量與超純水的質(zhì)量比可為(40 50) (0.1 0. ，所述靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)可為
2 % ο在步驟2)中，所述利用反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)制備有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列的具體方法可采用將步驟1)得到的基片上的聚苯乙烯納米微珠陣列進行反應(yīng)等離子體刻蝕，反應(yīng)等離子體刻蝕的條件可為真空度為10_3Pa以下，氧氣流量為20 40標準 ml/min(sccm)，功率為130 180W，刻蝕時間為10 60s，刻蝕過程中氧氣與聚苯乙烯納米微珠表面的聚苯乙烯反應(yīng)，減小了聚苯乙烯納米微珠的粒徑，為了維持陣列穩(wěn)定性，聚苯乙烯納米微珠的粒徑最多刻蝕到原來的50%，聚苯乙烯納米微珠粒徑的減小速度為50 lOOnm/min，刻蝕完畢后得到有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列。在步驟幻中，所述制備表面增強拉曼活性基底的具體方法可采用將步驟2)得到的有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列傾斜放置于電子束蒸鍍儀的樣品臺上，利用電子束蒸鍍儀對有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列上蒸鍍金屬膜，所述蒸鍍的條件可為傾斜角度為 20° 80°，真空度為3 X 10_6托(Torr)以下，蒸鍍金屬膜的速率為0. 05 0. 5nm/s，蒸鍍得到的金屬膜的厚度為60 200nm，第一次蒸鍍完畢后，將樣品在支架上旋轉(zhuǎn)180°，進行第二次蒸鍍，蒸鍍條件與第一次蒸鍍條件相同，經(jīng)過兩次蒸鍍金屬膜以后得到表面增強拉曼光譜活性基底；所述金屬膜可為金膜或銀膜等。本發(fā)明采用聚苯乙烯納米微珠陣列作為模板，用反應(yīng)離子刻蝕調(diào)節(jié)聚苯乙烯納米微珠的粒徑，然后利用傾斜蒸鍍調(diào)節(jié)金屬結(jié)構(gòu)之間的間隙，從而得到的表面增強拉曼基底可以兼顧高均一性和高強度。本發(fā)明在光滑的硅或玻璃表面有周期性的金屬納米結(jié)構(gòu)，其制備方法的主要特點在于金屬納米間隔可以調(diào)控，可獲得高活性和高均勻性的基底。這種方法彌補了常規(guī)模板法制備表面增強拉曼基底的不足，同時也能夠從現(xiàn)有的商品材料獲得高質(zhì)量的表面增強拉曼基底。


圖1為表面增強拉曼活性(SERS)基底結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為硅基底上的聚苯乙烯納米微珠陣列電鏡圖。圖3為刻蝕過后的有間隔聚苯乙烯納米微珠陣列電鏡圖。圖4為SERS基底電鏡圖。在圖4中，標尺為2 μ m。圖5為SERS基底高倍電鏡圖。在圖5中，標尺為500nm。圖6為在SERS基底上采集到的巰基吡啶拉曼信號。在圖6中，橫坐標為拉曼位移 (波數(shù)/厘米)，縱坐標為強度(光子個數(shù)/秒)。圖7為SERS基底的Mapping圖譜。在圖7中，橫坐標為尺寸(X IO2 μ m)，縱坐標為尺寸(XlO2Um)；信號強度為a、4000，b、5988，c、7975，d、9963，e、11950，f,13940, g、 15930，h、17910，i、19900，j、21350 ；從 Mapping 圖譜得到基底的均一性為 33%。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進一步的說明。1)按照丙酮、乙醇、三次水的步驟超聲清洗IcmX Icm硅片，每種溶液清洗15min， 然后用氨水雙氧水三次水比例為1 1 6的混合溶液70°C加熱浸泡洗凈的硅片 30min。取出硅片再次用三次水超聲15min后用氮氣吹干，臭氧等離子體處理IOmin備用。2)在50mL燒杯中幾乎加滿水，然后滴加6 μ 12%的十二烷基硫酸鈉溶液，靜置。3)將購于sigma的0.46 μ m聚苯乙烯微珠用乙醇以1 1稀釋，然后滴加5μ1稀釋液至步驟1)中的硅片上，將該硅片緩慢浸沒入步驟幻準備的燒杯中，浸沒過程中稀釋的聚苯乙烯納米微珠溶液鋪展成膜，用另一塊潔凈硅片撈起膜，以15°傾斜角緩慢揮發(fā)至無水狀態(tài)得到聚苯乙烯納米微珠陣列。4)把得到的硅片上納米微珠陣列進行氧氣反應(yīng)離子刻蝕得到較小的半徑微珠的陣列，具體刻蝕條件為壓力10_4帕，氧氣流量20ml/min，射頻功率180W，刻蝕時間50s。5)將此刻蝕過的樣品以20°傾斜角進行電子束蒸鍍一層金膜或銀膜，第一次蒸鍍完畢后旋轉(zhuǎn)樣品180°后，仍以20°傾斜角進行第二次蒸鍍，得到表面增強拉曼光譜活性基底。所得到的表面增強拉曼光譜活性基底參見圖1，在圖1中，各標記為1硅基底，2 金膜，3聚苯乙烯納米微珠。硅基底上的聚苯乙烯納米微珠陣列電鏡圖參見圖2，刻蝕過后的有間隔聚苯乙烯納米微珠陣列電鏡圖參見圖3，SERS基底電鏡圖參見圖4，SERS基底高倍電鏡圖參見圖5， 在SERS基底上采集到的巰基吡啶拉曼信號參見圖6，SERS基底的Mapping圖譜參見圖7。
權(quán)利要求
1.一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)在水面上鋪展單層聚苯乙烯納米微珠陣列；2)利用反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)制備有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列；3)制備表面增強拉曼光譜活性基底。
2.如權(quán)利要求1所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于在步驟1)中，所述在水面上鋪展單層聚苯乙烯納米微珠陣列的具體方法為在容器內(nèi)裝入超純水，然后加入質(zhì)量分數(shù)為2%的十二烷基硫酸鈉溶液，得稀釋后的溶液A ；將聚苯乙烯微珠溶液用乙醇稀釋，稀釋的體積比為1 1，加入稀釋后的溶液A加于基片上，再將此基片以水平的角度沒入容器的水中，微珠溶液在表面張力作用下鋪展在水面形成陣列，靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液以增加單層膜的強度，最后將聚苯乙烯納米微珠陣列撈起，除去殘余的水，即得到基片上的聚苯乙烯納米微珠陣列。
3.如權(quán)利要求2所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述超純水、十二烷基硫酸鈉溶液、稀釋后的溶液A的體積比為(40 50) 0.006 (0.005 0. 025)。
4.如權(quán)利要求2所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)為2%。
5.如權(quán)利要求2所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述基片為硅片或玻璃片。
6.如權(quán)利要求2所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述靜置的時間為1 池。
7.如權(quán)利要求2或6所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液的量與超純水的質(zhì)量比為(40 50) (0. 1 0. 5)， 所述靜置后添加十二烷基硫酸鈉溶液的質(zhì)量分數(shù)為2%。
8.如權(quán)利要求1所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于在步驟2)中，所述利用反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)制備有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列的具體方法為將步驟1)得到的基片上的聚苯乙烯納米微珠陣列進行反應(yīng)等離子體刻蝕，反應(yīng)等離子體刻蝕的條件為真空度為10-3 以下，氧氣流量為20 40標準ml/min，功率為130 180W，刻蝕時間為10 60s。
9.如權(quán)利要求1所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于在步驟3)中，所述制備表面增強拉曼活性基底的具體方法為將步驟幻得到的有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列傾斜放置于電子束蒸鍍儀的樣品臺上，利用電子束蒸鍍儀對有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列上蒸鍍金屬膜，所述蒸鍍的條件為傾斜角度為20° 80°，真空度為 3 X IO-6Torr以下，蒸鍍金屬膜的速率為0. 05 0. 5nm/s，蒸鍍得到的金屬膜的厚度為60 200nm，第一次蒸鍍完畢后，將樣品在支架上旋轉(zhuǎn)180°，進行第二次蒸鍍，蒸鍍條件與第一次蒸鍍條件相同，經(jīng)過兩次蒸鍍金屬膜以后得到表面增強拉曼光譜活性基底。
10.如權(quán)利要求9所述的一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，其特征在于所述金屬膜為金膜或銀膜。
全文摘要
一種表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法，涉及一種表面增強拉曼光譜和微加工技術(shù)。提供一種既有很高均一性，又有較好增強的表面增強拉曼光譜活性基底的制備方法。在水面上鋪展單層聚苯乙烯納米微珠陣列；利用反應(yīng)等離子體刻蝕技術(shù)制備有間隔的聚苯乙烯納米微珠陣列；制備表面增強拉曼光譜活性基底。得到的表面增強拉曼基底可以兼顧高均一性和高強度。在光滑的硅或玻璃表面有周期性的金屬納米結(jié)構(gòu)，其制備方法的主要特點在于金屬納米間隔可以調(diào)控，可獲得高活性和高均勻性的基底。這種方法彌補了常規(guī)模板法制備表面增強拉曼基底的不足，同時也能夠從現(xiàn)有的商品材料獲得高質(zhì)量的表面增強拉曼基底。
文檔編號B81C1/00GK102285629SQ201110115269
公開日2011年12月21日 申請日期2011年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月5日
發(fā)明者周勇亮, 張大霄, 張維, 房晶炎, 胡冬潔 申請人:廈門大學