一种在热点区域添加承载平台制备表面增强拉曼散射基底的方法
一种在热点区域添加承载平台制备表面增强拉曼散射基底的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射(SERS)基底的方法。
【背景技术】
[0002]表面增强拉曼散射作为一种常用的检测手段，由于其超高的灵敏度和特异性识另O，越来越广泛地被应用于各种检测。为了追求高的灵敏度、低的检测限，人们做了许多有意义的尝试。在基底制备过程中，拉曼信号的影响因素主要包括1.基底材料的选择:通过对比多种金属拉曼基底，人们普遍认为银作为基底的性能优于金。2.金属结构的调控:利用间距非常小的缝隙(gap)或曲率半径非常小的尖端结构来产生体积极小而强度极高的局域电场，可以使得拉曼信号强度得到大幅度的提升，而这样的位点被称作“热点”，当领结间距的减小至1nm以下时，可以获得几何级数增强的拉曼信号(NanoLett.2012, 12，796)。Hatab，N.A等制备了自支持的纳米银领结结构，获得了很好的拉曼增强效果，对比于(Appl.Phys.Lett.2013，103,041903)的平面纳米领结结构的工作，这种提升主要是由于自支持型的结构可以在热点下部形成小空腔，入射光在其间可形成多次反射，使得该热点区域的电磁场得到极大的增强(Nano Lett.2010，10,4952 - 4955)。3.热点区域的利用率:Ying Fang的研宄表明，在以纳米球阵列为衬底的银表面，即使只占总数0.7863%的检测分子，由于其处于热点区域，却能够贡献69%的拉曼信号(SCIENCE 2008388?391)。这充分说明了增加热点强度的重要性。
[0003]然而，拥有可以让光多次反射的空腔的自支持式的结构存在一个很严重的问题，恰恰由于其是悬空的，检测物很少甚至无法在尖端之间的小缝隙处停留，绝大多数检测物下落到基底的底层，或者是附着在结构的上表面等非热点区域，人们费尽心机通过各种手段制成了热点，却并未充分地利用它们。如何使得检测物更多的停靠在热点区域，这是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法。具体是在硅基底上构筑悬空纳米领结结构阵列，通过溶解银的时间来调控金属纳米领结的间距。而胶体球之间制备的连接桥在除去部分银的过程中得以保留，最终成为承载拉曼探针分子的平台，这有利于更多的拉曼探针分子位于热点区域，实现了对热点区域的充分利用，该结构具有很好的拉曼检测性能。此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
[0005]本发明提出的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，具体步骤如下:
[0006]A、将直径300?800nm的聚苯乙稀胶体球排布在娃片表面形成单层胶体球阵列，加热使胶体球熔接，从而相邻胶体球间的排列更加紧密，获得单层熔接胶体球阵列；
[0007]B、用氧气和氩气的混合气对得单层熔接胶体球阵列进行等离子刻蚀，胶体球体积缩小的同时，在相邻的胶体球之间获得聚苯乙烯连接桥:
[0008]C、以胶体球及其间的聚苯乙烯连接桥为掩模板，在硅片、单层熔接胶体球阵列及连接桥上真空蒸镀50?200nm厚的银膜；
[0009]D、对银膜进行溶解，在胶体球间聚苯乙烯连接桥的上面获得悬空的领结结构的纳米银膜，在溶解银的过程中(硅片上的银膜没有被全部溶解掉，因为有胶体球上的银膜存在时，基底是疏水的，溶液很难浸润到下层，只有胶体球上的银完全溶解后才会开始溶解下层硅片上的银。在本发明最终样品中，由于上层的银并未完全溶解，所以下层硅片上的银基本都存在，但这层银膜的存在并不重要，因为后期浸泡拉曼分子时，拉曼分子的溶液仍然浸润不到基底上)，相邻胶体球之间的聚苯乙烯连接桥得以保留，成为承载拉曼探针分子的平台，从而通过在热点区域添加承载平台获得高灵敏度表面增强拉曼散射基底。
[0010]步骤A中所述获得单层熔接胶体球阵列步骤如下:
[0011](I)胶体球溶液的配制及硅片的处理:在直径300?SOOnm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇和水，配制成质量分数5?10%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声I?3hour ;将娃片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5?lOmin，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸(质量分数98% )和过氧化氢(质量分数30% )的混合溶液中，热台控温100?120°C下浸泡30?60min，取出后用去离子水冲洗并用氮气吹干；
[0012](2)单层胶体球的形成及转移:首先，在洗净的培养皿中加入200mL去离子水，视环境温湿度(一般温度20?25°C、湿度30?40 % )滴入20?50 μ L质量分数2?5 %的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，培养皿底部放置小金属块用以固定硅片；然后，用微量进样器抽取10yL按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面；当聚苯乙烯胶体球单层膜几乎布满水面时，再向培养皿中加入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止2?4hour使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20?50 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂；然后再利用经步骤(I)处理过的另一个硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，最后将提取聚苯乙烯胶体球单层膜的娃片倾斜放置瞭干3?5hour ；
[0013](3)胶体球之间的熔接:将热台升温至105?130°C，将步骤(2)所得提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片置于热台上，并用另一洁净的培养皿盖住，保温2?6min，取出后室温冷却，即在硅片上得到熔接的胶体球，熔接的胶体球排布得更加紧密，之间只剩下小孔；
[0014]步骤B中胶体球之间的聚苯乙烯连接桥的获得方法:应用等离子刻蚀技术，以氧气流量5?15sccm、氩气流量5?15sccm的混合气，在20?40mtorr的腔体压力下，用20?40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为3?lOmin，即在硅片上获得之间有聚苯乙稀连接桥的恪接胶体球阵列，连接桥中间部分宽度为30?40nm，长度为80?lOOnm，胶体球直径缩小至200?700nm ；
[0015]步骤C中银膜的制备:应用真空镀膜技术，在3X 10_4?8X 10 _4Pa的真空条件下，调节电流强度在55?65A，在之间有聚苯乙烯连接桥的熔接胶体球阵列上均匀蒸镀一层银膜，银膜厚度为50?200nmo
[0016]步骤D中最终结构的制备:将步骤C中制得的样品浸泡在硝酸、冰醋酸、磷酸、水的混合溶液中(体积比1:5?50:1:1)，浸泡时间为20?150s，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
[0017]本发明基于胶体球刻蚀技术和化学刻蚀的方法构筑了在热点区域带有承载平台的纳米结构阵列，提供了一种制备表面增强拉曼基底的新方法，此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
[0018]作为对比试验，我们制备了没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球直接进行等离子刻蚀(因为没有加热熔接的过程，小球之间并不会出现连接桥)，然后蒸镀与本发明最终样品厚度相同的银膜(50?10nm)(图7 (a))，用相同浓度的4-巯基啦啶进行拉曼光谱检测；
[0019]另外制备了有聚苯乙烯连接桥、但聚苯乙烯连接桥在蒸镀银膜前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开(刻蚀时间加长至8?15min)，之后蒸镀与本发明最终样品相同厚度的银膜(50?10nm)(图7(b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测。
[0020]经对比发现，样品B的拉曼信号优于样品A，因为样品B在蒸镀以前在小球之间有一个尖端存在，蒸镀以后就在这个尖端上形成了银的三角领结结构(因为蒸镀时银有向外扩张的趋势，所以断开的连接桥被银完全覆盖，所蒸镀的银尖端已钝化)，这说明领结结构对放大拉曼信号起到了积极作用。
[0021]经对比发现，本发明制得的样品的拉曼信号优于样品B，因为本发明的样品除了有银三角领结的结构外，在热点区域(领结结构中间的缝隙处)还有一个材料为聚苯乙烯的承载平台，这使得更多的4-巯基吡啶分子能够停留在热点处，进 而放大了拉曼信号。另外，按照本发明的方法，通过蒸镀以后用溶液洗掉部分银的方法，得到了比样品B更小的领结间距，这无疑对拉曼信号的增强起到积极作用。
[0022]最后，我们对比了本发明制得的样品，对于4-巯基吡啶的两种测试模式(滴加和浸泡)。得到了不同的拉曼光谱，如图6(c)所示，Ml是滴加模式，M2是浸泡模式，经对比两条光谱发现，本样品在滴加模式下可以获得更好的拉曼增强效果。这是因为在滴加模式中，溶解4-巯基吡啶的溶剂(水)蒸发以后，所有的溶质都留在了样品表面，在我们的承载平台上留下了更多的4-巯基吡啶分子，所以得到了更高的拉曼增强(强度约为浸泡模式的4倍)。
[0023]本发明制得的样品在上述洗银溶液中经过长时间(5min)的浸泡后，表面的银完全洗掉，这说明本发明的基底可以作为模板(表面的银完全洗掉以后根据需求重新蒸镀其他厚度的银膜)多次使用。
【附图说明】
[0024]图1:图1 (a?d)本发明所述的表面增强拉曼基底的构筑流程示意图；图1 (e)本发明最终形貌示意图；
[0025]图2:图1步骤A中加热后的聚苯乙烯小球的SEM图片；
[0026]图3:图1步骤B中等离子刻蚀不同时间后的聚苯乙烯小球的SEM图片；
[0027]图4:图1步骤C蒸镀银后(图4(a))和图1步骤D中洗掉部分银(图4(b))后的SEM图片，以及最终样品的局部放大图(图4(c))。
[0028]图5:本发明结构的FDTD模拟图；图5 (a)是XY平面的电磁场分布图；图5 (b)是XZ平面的电磁场分布图
[0029]图6:图6 (a)与本发明其相近的基础结构(对比试验)的表面增强拉曼光谱对比图:曲线1:本发明样品，曲线2:样品B，曲线3:样品A，曲线4:娃片；图6 (b)本发明在不同溶解银时间下的样品的拉曼光谱对比；图6(c):本发明样品在不同检测模式(滴加(曲线Ml)和浸泡(曲线M2))下的拉曼光谱对比。
[0030]图7:样品A蒸镀银膜前(图7(a))和蒸镀银膜后(图7(b))的SEM图片，样品B蒸镀银膜前(图7(c))和蒸镀银膜后(图7(d))的SEM图片。
[0031]图1，是带有承载平台的悬空纳米领结结构制备过程示意图，首先我们将直径为538(±5)nm的聚苯乙烯胶体球排布在硅片表面形成单层胶体球阵列，选用该直径纳米球的原因是，尺寸过大的纳米球会造成将来整个基底的热点密度下降。然后我们将该硅片置于热台上加热，温度125°C，时间3min。取下后室温冷却。经过加热后的聚苯乙烯小球的SEM图片如图2(a)所示，可以明显的看出小球之间的缝隙缩小(图2(c)为加热前的小球的SEM图片)，排布得更加紧密，只剩下小孔，而小球的高度也相应的变矮，通过熔融作用在小球之间形成了柱状的连接桥(图2(b))。小球之间的缝隙和高度可以通过加热温度和时间来调节(对应图1(a))。
[0032]然后，我们应用氧气和氩气的混合气对加热后在小球进行等离子刻蚀，选择该混合气的目的是使小球直径缩小的同时，之间的连接桥得以保存。图3(a?d)是经过等离子刻蚀(氩气流量lOsccm，氧气流量lOsccm，腔体压力40mtorr，刻蚀时间分别为5min、5min45sec、6min 30sec、7min 15sec)后的聚苯乙稀小球阵列的SEM图，图3 (e)是刻蚀7min15sec后的放大图，可以看出，小球的直径从原来的538nm缩小到了 400nm，而小球之间熔接的部分比刻蚀前变细变长，呈哑铃型。哑铃中间最窄的部分宽度约为40nm(对应图1 (b))。
[0033]随后，利用真空镀膜技术，在刻蚀过的基底及聚苯乙烯小球上，均匀蒸镀一层银，厚度为180nm，蒸镀后的SEM图如图4(a)所示。银膜较为平滑地附着在了小球表面及硅片上未被小球挡住的部分。小球之间的连接桥上也被覆盖了银，但此时的连接桥比蒸镀前略宽，约为100nm(对应图1(c))。
[0034]最后，将蒸镀好的硅片样品浸入硝酸、磷酸、去离子水、冰醋酸(体积比1:1:1:23)的混合溶液中，以洗掉聚苯乙烯胶体球及连接桥上的部分银膜，图4(b)是在溶液中浸润2min 15sec后的样品的SEM图，随着时间的加长，小球表面附着的银逐渐减少，连接桥上的银也逐渐变窄，直至断开，这样就在连接桥上形成了具有微小缝隙的银纳米领结结构，通过图4(c)可以看出银领结之间的缝隙可以缩小至15nm以下，而材料为聚苯乙烯的小球间的连接桥在洗银的过程中得以保留，将来可以用来作为承载检测物的平台(对应图1(d))。图4(d)是洗银5min后的形貌，银基本完全被洗掉，样品可以恢复到蒸镀银膜前的模样。
[0035]我们用图4(b)的样品进行了表面增强拉曼散射的光谱测试，具体做法是，将样品浸入浓度为l(T5mol/L的4-巯基吡啶水溶液中，浸泡30min，去离子水冲洗，室温晾干后，用激发波长为532nm，激光强度为7.92mw的激光照射，积分时间为lsec，所得拉曼光谱如图6(a)中曲线I所示。我们制得的拉曼基底对于4-巯基吡啶分子的增强因子为4X107。
[0036]从图6(b)可以看出，浸泡时间从Osec到75sec，拉曼信号强度呈下降趋势，到150sec时，信号突然变强。导致这种变化的原因是:在溶解银初期，随着金属银总量的下降，能够提供局域表面等离子共振的基元减少，局域电场强度下降，从而导致拉曼信号强度下降。而到120sec时，小球之间连接桥上的金属银断裂出现小的缝隙，这些不足20nm的小缝隙使得基底表面的局域电磁场得到几何级数的增强。
[0037]作为对比试验，我们制备了没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球进行等离子刻蚀，然后蒸镀与本发明样品厚度相同的银膜(图7(b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0038]另外制备了有连接桥、但连接桥在蒸镀前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开，之后蒸镀与本发明样品相同厚度的银膜(图7 (d))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测。
[0039]经对比发现(如图6 (a))，样品B (曲线2)的拉曼信号优于A (曲线3)，因为样品B在蒸镀以前在小球之间有一个尖端存在，蒸镀以后就在这个尖端上形成了银的三角领结结构(因为蒸镀时银有向外扩张的趋势，所以断开的连接桥被银完全覆盖，所蒸镀的银尖端已钝化)，这说明领结结构对放大拉曼信号起到了积极作用。
[0040]经对比发现(如图6(a))，本发明制得的样品的拉曼信号(曲线I)优于样品B(曲线2)，因为本发明的样品除了有三角领结的结构外，在热点区域还有一个承载平台(图1(e))，这使得更多的4-巯基吡啶分子能够停留在热点处，进而放大了拉曼信号。另外，按照本发明的方法，通过蒸镀以后用溶液洗掉部分银的方法，得到了比样品B更小的领结间距，这无疑对拉曼信号的增强起到积极作用。
[0041]本发明制得的样品在4-巯基吡啶的两种测试模式(滴加和浸泡)下，可以得到不同的拉曼光谱，如图6(c)所示，Ml是滴加模式，M2是浸泡模式，经对比两条光谱发现，本样品在滴加模式下可以获得更好的拉曼增强效果。这是因为在滴加模式中，溶解4-巯基吡啶的溶剂(水)蒸发以后，所有的溶质都留在了样品表面，在我们的承载平台上留下了更多的4-巯基吡啶分子，所以得到了更高的拉曼增强(强度约为浸泡模式的4倍)。
[0042]在浸泡5min后，样品的形貌又恢复到了蒸镀前的模样(如图4 (d))，这表明该基底具有很好的重复利用性能。
[0043]我们对本发明相应材料和尺寸的纳米结构进行了 FDTD模拟计算，计算结果如图5，图5 (a)是XY平面的电磁场分布图；图5 (b)是XZ平面的电磁场分布图，可见该结构的热点区域大多分布在领结的尖端处，模拟计算出的整体电磁增强因子￠/?)4= 1.3X105，事实上，我们实际测得的拉曼信号与通过FDTD模拟计算得出的拉曼信号有区别，这主要是由以下几个方面造成的:1、实验中所用的原始材料聚苯乙烯小球的直径有5nm左右的误差，故实际制得的样品结构与模拟计算中绘制的并不完全相同。2、实际制得的样品，表面有一定的粗糙度，而FDTD模拟计算中绘制的形貌是完全光滑的，事实上，粗糙的银表面更容易使得拉曼光谱的信号增强。3、实验中洗掉一部分银的过程是一个化学反应，在将样品浸润到混合溶液中的时候，样品上各个位点反应的速率并不完全相同，这是因为最后制得的样品表面略微疏水的缘故。
【具体实施方式】
[0044]下面通过实施例进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施 例来限制本发明。本发明主要是构筑在热点处添加了承载平台的高性能拉曼基底，并提出这一充分利用热点区域的思路。
[0045]实施例1
[0046]获得相互之间熔接的单层胶体球阵列:(I)在直径538(±5)nm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇水溶液，配制成质量分数5%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声2hour。将硅片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5min，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中，热台控温100°C浸泡30min，用去离子水冲洗并用氮气吹干。(2)首先，在洗净的内径15cm的培养皿中加入200mL去离子水，滴入35 μ L (此时室温为24°C、空气湿度为38%)质量分数2%的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，底部放置小金属块以固定；然后，用微量进样器抽取10yL按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面。当单层膜几乎布满水面时，向培养皿中加入40 μ L质量分数2%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止3hour，使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂。利用经步骤(I)处理过的硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，将提球后的硅片倾斜放置晾干4hour。(3)胶体球之间的恪接:将热台升温至125°C，在固定区域倒扣一直径15cm培养皿以保温。将步骤(2)所得提球后硅片置于该固定区域，用培养皿盖住，加热5min，取出后室温冷却。即得熔接的胶体球。小球之间的间隙仅剩下小孔。
[0047]以氧气1sccm流量、氩气1sccm流量的混合气，在40mtorr的腔体压力下，用40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为7min 15seco即获得之间有连接桥的熔接胶体球阵列。小球的直径从原来的538nm缩小到了 400nm，而小球之间熔接的部分比刻蚀前变细变长，呈哑铃型。哑铃中间最窄的部分宽度约为40nm。
[0048]在5X10_4Pa的真空条件下，调节电流强度在60A，均匀蒸镀一层银膜，银膜厚度为 120nmo
[0049]将蒸镀后的样品在体积比为1:23:1:1的硝酸、冰醋酸、磷酸、水的混合溶液中浸泡2min 30sec，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
[0050]实施例2
[0051]将样品浸入浓度为10_5mol/L的4_巯基吡啶水溶液中，浸泡半hour，室温晾干后，用激发波长为532nm，激光强度为7.92mw的激光照射，积分时间为1000ms。所制得的拉曼基底对于4-巯基吡啶分子的增强因子为4X 107。
[0052]实施例3
[0053]制备没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球进行等离子刻蚀，然后蒸镀与本发明样品厚度相同的银膜(图7 (b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0054]制备有连接桥、但连接桥在蒸镀前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开，之后蒸镀与本发明样品相同厚度的银膜(图7 (d))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0055]将本发明制得的样品在两种检测模式(滴加和浸泡)下，以相同浓度的4-巯基吡啶分子进行检测。
[0056]本发明制得的样品在上述洗银溶液中经过长时间(5min)的浸泡后，表面的银完全洗掉，这说明本发明的基底可以作为模板多次使用。
【主权项】
1.一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其步骤如下: A、将直径300?800nm的聚苯乙稀胶体球排布在娃片表面形成单层胶体球阵列，加热使胶体球熔接，从而相邻胶体球间的排列更加紧密，获得单层熔接胶体球阵列； B、用氧气和氩气的混合气对得单层熔接胶体球阵列进行等离子刻蚀，胶体球体积缩小的同时，在相邻的胶体球之间获得聚苯乙烯连接桥: C、以胶体球及其间的聚苯乙烯连接桥为掩模板，在硅片、单层熔接胶体球阵列及连接桥上真空蒸镀50?200nm厚的银膜； D、对银膜进行溶解，在胶体球间聚苯乙烯连接桥的上面获得悬空的领结结构的纳米银膜，在溶解银的过程中，相邻胶体球之间的聚苯乙烯连接桥得以保留，成为承载拉曼探针分子的平台，从而通过在热点区域添加承载平台获得高灵敏度表面增强拉曼散射基底。2.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤A单层熔接胶体球阵列的制备步骤如下， (1)胶体球溶液的配制及硅片的处理:在直径300?SOOnm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇和水，配制成质量分数5?10%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声I?3hour ;将娃片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5?lOmin，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中，热台控温100?120°C下浸泡30?60min，取出后用去离子水冲洗并用氮气吹干； (2)单层胶体球的形成及转移:首先，在洗净的培养皿中加入200mL去离子水，滴入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，培养皿底部放置小金属块用以固定硅片；然后，用微量进样器抽取100 μ L按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面；当聚苯乙烯胶体球单层膜几乎布满水面时，再向培养皿中加入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止2?4hour使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20?50 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂；然后再利用经步骤(I)处理过的另一个硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，最后将提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片倾斜放置晾干3?5hour ; (3)胶体球之间的熔接:将热台升温至105?130°C，将步骤(2)所得提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片置于热台上，并用另一洁净的培养皿盖住，保温2?6min，取出后室温冷却，即在硅片上得到熔接的胶体球，熔接的胶体球排布得更加紧密，之间只剩下小孔，即单层熔接胶体球阵列。3.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤B胶体球之间聚苯乙烯连接桥的获得，是应用等离子刻蚀技术，以氧气流量5?15sccm、氩气流量5?15sccm的混合气，在20?40mtorr的腔体压力下，用20?40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为3?lOmin，即在硅片上获得之间有聚苯乙烯连接桥的熔接胶体球阵列；连接桥中间部分宽度为30?40nm，长度为80?lOOnm，胶体球直径缩小至200?700nm。4.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤C中银膜的制备，是应用真空镀膜技术，在3X10—4?8X 1^4Pa的真空条件下，调节电流强度在55?65A，在硅片、胶体球及连接桥均匀蒸镀银膜。5.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤D对银膜进行溶解，是将步骤C中制得的样品浸泡在体积比1:5?50:1:1的硝酸、冰醋酸、磷酸和水的混合溶液中，浸泡时间为20?150s，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
【专利摘要】一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射(SERS)基底的方法，属于分析检测技术领域。具体是在硅基底上构筑悬空纳米领结结构阵列，通过溶解银的时间来调控金属纳米领结的间距。而胶体球之间制备的连接桥在除去部分银的过程中得以保留，最终成为承载拉曼探针分子的平台，这有利于更多的拉曼探针分子位于热点区域，实现了对热点区域的充分利用，该结构具有很好的拉曼检测性能。此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
【IPC分类】G01N21/65
【公开号】CN104897640
【申请号】CN201510239438
【发明人】吕男, 徐大任, 滕飞, 刘凌霄, 吴菲菲
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
【技术领域】
[0001]本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射(SERS)基底的方法。
【背景技术】
[0002]表面增强拉曼散射作为一种常用的检测手段，由于其超高的灵敏度和特异性识另O，越来越广泛地被应用于各种检测。为了追求高的灵敏度、低的检测限，人们做了许多有意义的尝试。在基底制备过程中，拉曼信号的影响因素主要包括1.基底材料的选择:通过对比多种金属拉曼基底，人们普遍认为银作为基底的性能优于金。2.金属结构的调控:利用间距非常小的缝隙(gap)或曲率半径非常小的尖端结构来产生体积极小而强度极高的局域电场，可以使得拉曼信号强度得到大幅度的提升，而这样的位点被称作“热点”，当领结间距的减小至1nm以下时，可以获得几何级数增强的拉曼信号(NanoLett.2012, 12，796)。Hatab，N.A等制备了自支持的纳米银领结结构，获得了很好的拉曼增强效果，对比于(Appl.Phys.Lett.2013，103,041903)的平面纳米领结结构的工作，这种提升主要是由于自支持型的结构可以在热点下部形成小空腔，入射光在其间可形成多次反射，使得该热点区域的电磁场得到极大的增强(Nano Lett.2010，10,4952 - 4955)。3.热点区域的利用率:Ying Fang的研宄表明，在以纳米球阵列为衬底的银表面，即使只占总数0.7863%的检测分子，由于其处于热点区域，却能够贡献69%的拉曼信号(SCIENCE 2008388?391)。这充分说明了增加热点强度的重要性。
[0003]然而，拥有可以让光多次反射的空腔的自支持式的结构存在一个很严重的问题，恰恰由于其是悬空的，检测物很少甚至无法在尖端之间的小缝隙处停留，绝大多数检测物下落到基底的底层，或者是附着在结构的上表面等非热点区域，人们费尽心机通过各种手段制成了热点，却并未充分地利用它们。如何使得检测物更多的停靠在热点区域，这是一个亟待解决的问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法。具体是在硅基底上构筑悬空纳米领结结构阵列，通过溶解银的时间来调控金属纳米领结的间距。而胶体球之间制备的连接桥在除去部分银的过程中得以保留，最终成为承载拉曼探针分子的平台，这有利于更多的拉曼探针分子位于热点区域，实现了对热点区域的充分利用，该结构具有很好的拉曼检测性能。此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
[0005]本发明提出的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，具体步骤如下:
[0006]A、将直径300?800nm的聚苯乙稀胶体球排布在娃片表面形成单层胶体球阵列，加热使胶体球熔接，从而相邻胶体球间的排列更加紧密，获得单层熔接胶体球阵列；
[0007]B、用氧气和氩气的混合气对得单层熔接胶体球阵列进行等离子刻蚀，胶体球体积缩小的同时，在相邻的胶体球之间获得聚苯乙烯连接桥:
[0008]C、以胶体球及其间的聚苯乙烯连接桥为掩模板，在硅片、单层熔接胶体球阵列及连接桥上真空蒸镀50?200nm厚的银膜；
[0009]D、对银膜进行溶解，在胶体球间聚苯乙烯连接桥的上面获得悬空的领结结构的纳米银膜，在溶解银的过程中(硅片上的银膜没有被全部溶解掉，因为有胶体球上的银膜存在时，基底是疏水的，溶液很难浸润到下层，只有胶体球上的银完全溶解后才会开始溶解下层硅片上的银。在本发明最终样品中，由于上层的银并未完全溶解，所以下层硅片上的银基本都存在，但这层银膜的存在并不重要，因为后期浸泡拉曼分子时，拉曼分子的溶液仍然浸润不到基底上)，相邻胶体球之间的聚苯乙烯连接桥得以保留，成为承载拉曼探针分子的平台，从而通过在热点区域添加承载平台获得高灵敏度表面增强拉曼散射基底。
[0010]步骤A中所述获得单层熔接胶体球阵列步骤如下:
[0011](I)胶体球溶液的配制及硅片的处理:在直径300?SOOnm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇和水，配制成质量分数5?10%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声I?3hour ;将娃片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5?lOmin，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸(质量分数98% )和过氧化氢(质量分数30% )的混合溶液中，热台控温100?120°C下浸泡30?60min，取出后用去离子水冲洗并用氮气吹干；
[0012](2)单层胶体球的形成及转移:首先，在洗净的培养皿中加入200mL去离子水，视环境温湿度(一般温度20?25°C、湿度30?40 % )滴入20?50 μ L质量分数2?5 %的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，培养皿底部放置小金属块用以固定硅片；然后，用微量进样器抽取10yL按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面；当聚苯乙烯胶体球单层膜几乎布满水面时，再向培养皿中加入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止2?4hour使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20?50 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂；然后再利用经步骤(I)处理过的另一个硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，最后将提取聚苯乙烯胶体球单层膜的娃片倾斜放置瞭干3?5hour ；
[0013](3)胶体球之间的熔接:将热台升温至105?130°C，将步骤(2)所得提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片置于热台上，并用另一洁净的培养皿盖住，保温2?6min，取出后室温冷却，即在硅片上得到熔接的胶体球，熔接的胶体球排布得更加紧密，之间只剩下小孔；
[0014]步骤B中胶体球之间的聚苯乙烯连接桥的获得方法:应用等离子刻蚀技术，以氧气流量5?15sccm、氩气流量5?15sccm的混合气，在20?40mtorr的腔体压力下，用20?40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为3?lOmin，即在硅片上获得之间有聚苯乙稀连接桥的恪接胶体球阵列，连接桥中间部分宽度为30?40nm，长度为80?lOOnm，胶体球直径缩小至200?700nm ；
[0015]步骤C中银膜的制备:应用真空镀膜技术，在3X 10_4?8X 10 _4Pa的真空条件下，调节电流强度在55?65A，在之间有聚苯乙烯连接桥的熔接胶体球阵列上均匀蒸镀一层银膜，银膜厚度为50?200nmo
[0016]步骤D中最终结构的制备:将步骤C中制得的样品浸泡在硝酸、冰醋酸、磷酸、水的混合溶液中(体积比1:5?50:1:1)，浸泡时间为20?150s，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
[0017]本发明基于胶体球刻蚀技术和化学刻蚀的方法构筑了在热点区域带有承载平台的纳米结构阵列，提供了一种制备表面增强拉曼基底的新方法，此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
[0018]作为对比试验，我们制备了没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球直接进行等离子刻蚀(因为没有加热熔接的过程，小球之间并不会出现连接桥)，然后蒸镀与本发明最终样品厚度相同的银膜(50?10nm)(图7 (a))，用相同浓度的4-巯基啦啶进行拉曼光谱检测；
[0019]另外制备了有聚苯乙烯连接桥、但聚苯乙烯连接桥在蒸镀银膜前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开(刻蚀时间加长至8?15min)，之后蒸镀与本发明最终样品相同厚度的银膜(50?10nm)(图7(b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测。
[0020]经对比发现，样品B的拉曼信号优于样品A，因为样品B在蒸镀以前在小球之间有一个尖端存在，蒸镀以后就在这个尖端上形成了银的三角领结结构(因为蒸镀时银有向外扩张的趋势，所以断开的连接桥被银完全覆盖，所蒸镀的银尖端已钝化)，这说明领结结构对放大拉曼信号起到了积极作用。
[0021]经对比发现，本发明制得的样品的拉曼信号优于样品B，因为本发明的样品除了有银三角领结的结构外，在热点区域(领结结构中间的缝隙处)还有一个材料为聚苯乙烯的承载平台，这使得更多的4-巯基吡啶分子能够停留在热点处，进 而放大了拉曼信号。另外，按照本发明的方法，通过蒸镀以后用溶液洗掉部分银的方法，得到了比样品B更小的领结间距，这无疑对拉曼信号的增强起到积极作用。
[0022]最后，我们对比了本发明制得的样品，对于4-巯基吡啶的两种测试模式(滴加和浸泡)。得到了不同的拉曼光谱，如图6(c)所示，Ml是滴加模式，M2是浸泡模式，经对比两条光谱发现，本样品在滴加模式下可以获得更好的拉曼增强效果。这是因为在滴加模式中，溶解4-巯基吡啶的溶剂(水)蒸发以后，所有的溶质都留在了样品表面，在我们的承载平台上留下了更多的4-巯基吡啶分子，所以得到了更高的拉曼增强(强度约为浸泡模式的4倍)。
[0023]本发明制得的样品在上述洗银溶液中经过长时间(5min)的浸泡后，表面的银完全洗掉，这说明本发明的基底可以作为模板(表面的银完全洗掉以后根据需求重新蒸镀其他厚度的银膜)多次使用。
【附图说明】
[0024]图1:图1 (a?d)本发明所述的表面增强拉曼基底的构筑流程示意图；图1 (e)本发明最终形貌示意图；
[0025]图2:图1步骤A中加热后的聚苯乙烯小球的SEM图片；
[0026]图3:图1步骤B中等离子刻蚀不同时间后的聚苯乙烯小球的SEM图片；
[0027]图4:图1步骤C蒸镀银后(图4(a))和图1步骤D中洗掉部分银(图4(b))后的SEM图片，以及最终样品的局部放大图(图4(c))。
[0028]图5:本发明结构的FDTD模拟图；图5 (a)是XY平面的电磁场分布图；图5 (b)是XZ平面的电磁场分布图
[0029]图6:图6 (a)与本发明其相近的基础结构(对比试验)的表面增强拉曼光谱对比图:曲线1:本发明样品，曲线2:样品B，曲线3:样品A，曲线4:娃片；图6 (b)本发明在不同溶解银时间下的样品的拉曼光谱对比；图6(c):本发明样品在不同检测模式(滴加(曲线Ml)和浸泡(曲线M2))下的拉曼光谱对比。
[0030]图7:样品A蒸镀银膜前(图7(a))和蒸镀银膜后(图7(b))的SEM图片，样品B蒸镀银膜前(图7(c))和蒸镀银膜后(图7(d))的SEM图片。
[0031]图1，是带有承载平台的悬空纳米领结结构制备过程示意图，首先我们将直径为538(±5)nm的聚苯乙烯胶体球排布在硅片表面形成单层胶体球阵列，选用该直径纳米球的原因是，尺寸过大的纳米球会造成将来整个基底的热点密度下降。然后我们将该硅片置于热台上加热，温度125°C，时间3min。取下后室温冷却。经过加热后的聚苯乙烯小球的SEM图片如图2(a)所示，可以明显的看出小球之间的缝隙缩小(图2(c)为加热前的小球的SEM图片)，排布得更加紧密，只剩下小孔，而小球的高度也相应的变矮，通过熔融作用在小球之间形成了柱状的连接桥(图2(b))。小球之间的缝隙和高度可以通过加热温度和时间来调节(对应图1(a))。
[0032]然后，我们应用氧气和氩气的混合气对加热后在小球进行等离子刻蚀，选择该混合气的目的是使小球直径缩小的同时，之间的连接桥得以保存。图3(a?d)是经过等离子刻蚀(氩气流量lOsccm，氧气流量lOsccm，腔体压力40mtorr，刻蚀时间分别为5min、5min45sec、6min 30sec、7min 15sec)后的聚苯乙稀小球阵列的SEM图，图3 (e)是刻蚀7min15sec后的放大图，可以看出，小球的直径从原来的538nm缩小到了 400nm，而小球之间熔接的部分比刻蚀前变细变长，呈哑铃型。哑铃中间最窄的部分宽度约为40nm(对应图1 (b))。
[0033]随后，利用真空镀膜技术，在刻蚀过的基底及聚苯乙烯小球上，均匀蒸镀一层银，厚度为180nm，蒸镀后的SEM图如图4(a)所示。银膜较为平滑地附着在了小球表面及硅片上未被小球挡住的部分。小球之间的连接桥上也被覆盖了银，但此时的连接桥比蒸镀前略宽，约为100nm(对应图1(c))。
[0034]最后，将蒸镀好的硅片样品浸入硝酸、磷酸、去离子水、冰醋酸(体积比1:1:1:23)的混合溶液中，以洗掉聚苯乙烯胶体球及连接桥上的部分银膜，图4(b)是在溶液中浸润2min 15sec后的样品的SEM图，随着时间的加长，小球表面附着的银逐渐减少，连接桥上的银也逐渐变窄，直至断开，这样就在连接桥上形成了具有微小缝隙的银纳米领结结构，通过图4(c)可以看出银领结之间的缝隙可以缩小至15nm以下，而材料为聚苯乙烯的小球间的连接桥在洗银的过程中得以保留，将来可以用来作为承载检测物的平台(对应图1(d))。图4(d)是洗银5min后的形貌，银基本完全被洗掉，样品可以恢复到蒸镀银膜前的模样。
[0035]我们用图4(b)的样品进行了表面增强拉曼散射的光谱测试，具体做法是，将样品浸入浓度为l(T5mol/L的4-巯基吡啶水溶液中，浸泡30min，去离子水冲洗，室温晾干后，用激发波长为532nm，激光强度为7.92mw的激光照射，积分时间为lsec，所得拉曼光谱如图6(a)中曲线I所示。我们制得的拉曼基底对于4-巯基吡啶分子的增强因子为4X107。
[0036]从图6(b)可以看出，浸泡时间从Osec到75sec，拉曼信号强度呈下降趋势，到150sec时，信号突然变强。导致这种变化的原因是:在溶解银初期，随着金属银总量的下降，能够提供局域表面等离子共振的基元减少，局域电场强度下降，从而导致拉曼信号强度下降。而到120sec时，小球之间连接桥上的金属银断裂出现小的缝隙，这些不足20nm的小缝隙使得基底表面的局域电磁场得到几何级数的增强。
[0037]作为对比试验，我们制备了没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球进行等离子刻蚀，然后蒸镀与本发明样品厚度相同的银膜(图7(b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0038]另外制备了有连接桥、但连接桥在蒸镀前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开，之后蒸镀与本发明样品相同厚度的银膜(图7 (d))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测。
[0039]经对比发现(如图6 (a))，样品B (曲线2)的拉曼信号优于A (曲线3)，因为样品B在蒸镀以前在小球之间有一个尖端存在，蒸镀以后就在这个尖端上形成了银的三角领结结构(因为蒸镀时银有向外扩张的趋势，所以断开的连接桥被银完全覆盖，所蒸镀的银尖端已钝化)，这说明领结结构对放大拉曼信号起到了积极作用。
[0040]经对比发现(如图6(a))，本发明制得的样品的拉曼信号(曲线I)优于样品B(曲线2)，因为本发明的样品除了有三角领结的结构外，在热点区域还有一个承载平台(图1(e))，这使得更多的4-巯基吡啶分子能够停留在热点处，进而放大了拉曼信号。另外，按照本发明的方法，通过蒸镀以后用溶液洗掉部分银的方法，得到了比样品B更小的领结间距，这无疑对拉曼信号的增强起到积极作用。
[0041]本发明制得的样品在4-巯基吡啶的两种测试模式(滴加和浸泡)下，可以得到不同的拉曼光谱，如图6(c)所示，Ml是滴加模式，M2是浸泡模式，经对比两条光谱发现，本样品在滴加模式下可以获得更好的拉曼增强效果。这是因为在滴加模式中，溶解4-巯基吡啶的溶剂(水)蒸发以后，所有的溶质都留在了样品表面，在我们的承载平台上留下了更多的4-巯基吡啶分子，所以得到了更高的拉曼增强(强度约为浸泡模式的4倍)。
[0042]在浸泡5min后，样品的形貌又恢复到了蒸镀前的模样(如图4 (d))，这表明该基底具有很好的重复利用性能。
[0043]我们对本发明相应材料和尺寸的纳米结构进行了 FDTD模拟计算，计算结果如图5，图5 (a)是XY平面的电磁场分布图；图5 (b)是XZ平面的电磁场分布图，可见该结构的热点区域大多分布在领结的尖端处，模拟计算出的整体电磁增强因子￠/?)4= 1.3X105，事实上，我们实际测得的拉曼信号与通过FDTD模拟计算得出的拉曼信号有区别，这主要是由以下几个方面造成的:1、实验中所用的原始材料聚苯乙烯小球的直径有5nm左右的误差，故实际制得的样品结构与模拟计算中绘制的并不完全相同。2、实际制得的样品，表面有一定的粗糙度，而FDTD模拟计算中绘制的形貌是完全光滑的，事实上，粗糙的银表面更容易使得拉曼光谱的信号增强。3、实验中洗掉一部分银的过程是一个化学反应，在将样品浸润到混合溶液中的时候，样品上各个位点反应的速率并不完全相同，这是因为最后制得的样品表面略微疏水的缘故。
【具体实施方式】
[0044]下面通过实施例进一步阐明本发明方法及应用，而不是要用这些实施 例来限制本发明。本发明主要是构筑在热点处添加了承载平台的高性能拉曼基底，并提出这一充分利用热点区域的思路。
[0045]实施例1
[0046]获得相互之间熔接的单层胶体球阵列:(I)在直径538(±5)nm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇水溶液，配制成质量分数5%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声2hour。将硅片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5min，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中，热台控温100°C浸泡30min，用去离子水冲洗并用氮气吹干。(2)首先，在洗净的内径15cm的培养皿中加入200mL去离子水，滴入35 μ L (此时室温为24°C、空气湿度为38%)质量分数2%的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，底部放置小金属块以固定；然后，用微量进样器抽取10yL按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面。当单层膜几乎布满水面时，向培养皿中加入40 μ L质量分数2%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止3hour，使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂。利用经步骤(I)处理过的硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，将提球后的硅片倾斜放置晾干4hour。(3)胶体球之间的恪接:将热台升温至125°C，在固定区域倒扣一直径15cm培养皿以保温。将步骤(2)所得提球后硅片置于该固定区域，用培养皿盖住，加热5min，取出后室温冷却。即得熔接的胶体球。小球之间的间隙仅剩下小孔。
[0047]以氧气1sccm流量、氩气1sccm流量的混合气，在40mtorr的腔体压力下，用40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为7min 15seco即获得之间有连接桥的熔接胶体球阵列。小球的直径从原来的538nm缩小到了 400nm，而小球之间熔接的部分比刻蚀前变细变长，呈哑铃型。哑铃中间最窄的部分宽度约为40nm。
[0048]在5X10_4Pa的真空条件下，调节电流强度在60A，均匀蒸镀一层银膜，银膜厚度为 120nmo
[0049]将蒸镀后的样品在体积比为1:23:1:1的硝酸、冰醋酸、磷酸、水的混合溶液中浸泡2min 30sec，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
[0050]实施例2
[0051]将样品浸入浓度为10_5mol/L的4_巯基吡啶水溶液中，浸泡半hour，室温晾干后，用激发波长为532nm，激光强度为7.92mw的激光照射，积分时间为1000ms。所制得的拉曼基底对于4-巯基吡啶分子的增强因子为4X 107。
[0052]实施例3
[0053]制备没有连接桥的样品(以下简称样品A):将排好的单层聚苯乙烯小球进行等离子刻蚀，然后蒸镀与本发明样品厚度相同的银膜(图7 (b))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0054]制备有连接桥、但连接桥在蒸镀前已断开的样品(以下简称样品B):将排好的单层聚苯乙烯小球用与本发明相同的条件加热，而后用等离子刻蚀使小球之间的连接桥断开，之后蒸镀与本发明样品相同厚度的银膜(图7 (d))，用相同浓度的4-巯基吡啶进行拉曼光谱检测；
[0055]将本发明制得的样品在两种检测模式(滴加和浸泡)下，以相同浓度的4-巯基吡啶分子进行检测。
[0056]本发明制得的样品在上述洗银溶液中经过长时间(5min)的浸泡后，表面的银完全洗掉，这说明本发明的基底可以作为模板多次使用。
【主权项】
1.一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其步骤如下: A、将直径300?800nm的聚苯乙稀胶体球排布在娃片表面形成单层胶体球阵列，加热使胶体球熔接，从而相邻胶体球间的排列更加紧密，获得单层熔接胶体球阵列； B、用氧气和氩气的混合气对得单层熔接胶体球阵列进行等离子刻蚀，胶体球体积缩小的同时，在相邻的胶体球之间获得聚苯乙烯连接桥: C、以胶体球及其间的聚苯乙烯连接桥为掩模板，在硅片、单层熔接胶体球阵列及连接桥上真空蒸镀50?200nm厚的银膜； D、对银膜进行溶解，在胶体球间聚苯乙烯连接桥的上面获得悬空的领结结构的纳米银膜，在溶解银的过程中，相邻胶体球之间的聚苯乙烯连接桥得以保留，成为承载拉曼探针分子的平台，从而通过在热点区域添加承载平台获得高灵敏度表面增强拉曼散射基底。2.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤A单层熔接胶体球阵列的制备步骤如下， (1)胶体球溶液的配制及硅片的处理:在直径300?SOOnm的聚苯乙烯胶体球粉末中加入体积比为1:1的乙醇和水，配制成质量分数5?10%的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，超声I?3hour ;将娃片在丙酮、氯仿、乙醇和水中依次超声清洗5?lOmin，氮气吹干后放入体积比为7:3的浓硫酸和过氧化氢的混合溶液中，热台控温100?120°C下浸泡30?60min，取出后用去离子水冲洗并用氮气吹干； (2)单层胶体球的形成及转移:首先，在洗净的培养皿中加入200mL去离子水，滴入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液；其次，将一片经步骤(I)处理过的硅片斜搭在培养皿的边缘处，使其部分浸入水中，部分露于空气中，培养皿底部放置小金属块用以固定硅片；然后，用微量进样器抽取100 μ L按步骤(I)制备的聚苯乙烯胶体球的乙醇水溶液，沿着硅片缓慢滴加，使其匀速、连续地滑入水面；当聚苯乙烯胶体球单层膜几乎布满水面时，再向培养皿中加入20?50 μ L质量分数2?5%的十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜散开，静止2?4hour使滑入水面下的胶体球充分沉降；沉降后，再加入20?50 μ L十二烷基磺酸钠水溶液以防止单层膜开裂；然后再利用经步骤(I)处理过的另一个硅片提取聚苯乙烯胶体球单层膜，用滤纸沿硅片边缘吸去多余水分以防止晾干后单层膜出现褶皱，最后将提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片倾斜放置晾干3?5hour ; (3)胶体球之间的熔接:将热台升温至105?130°C，将步骤(2)所得提取聚苯乙烯胶体球单层膜的硅片置于热台上，并用另一洁净的培养皿盖住，保温2?6min，取出后室温冷却，即在硅片上得到熔接的胶体球，熔接的胶体球排布得更加紧密，之间只剩下小孔，即单层熔接胶体球阵列。3.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤B胶体球之间聚苯乙烯连接桥的获得，是应用等离子刻蚀技术，以氧气流量5?15sccm、氩气流量5?15sccm的混合气，在20?40mtorr的腔体压力下，用20?40W的射频功率进行等离子刻蚀，刻蚀时间为3?lOmin，即在硅片上获得之间有聚苯乙烯连接桥的熔接胶体球阵列；连接桥中间部分宽度为30?40nm，长度为80?lOOnm，胶体球直径缩小至200?700nm。4.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤C中银膜的制备，是应用真空镀膜技术，在3X10—4?8X 1^4Pa的真空条件下，调节电流强度在55?65A，在硅片、胶体球及连接桥均匀蒸镀银膜。5.如权利要求1所述的一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射基底的方法，其特征在于:步骤D对银膜进行溶解，是将步骤C中制得的样品浸泡在体积比1:5?50:1:1的硝酸、冰醋酸、磷酸和水的混合溶液中，浸泡时间为20?150s，取出后用去离子水冲洗，氮气吹干。
【专利摘要】一种通过在热点区域添加承载平台制备高灵敏度表面增强拉曼散射(SERS)基底的方法，属于分析检测技术领域。具体是在硅基底上构筑悬空纳米领结结构阵列，通过溶解银的时间来调控金属纳米领结的间距。而胶体球之间制备的连接桥在除去部分银的过程中得以保留，最终成为承载拉曼探针分子的平台，这有利于更多的拉曼探针分子位于热点区域，实现了对热点区域的充分利用，该结构具有很好的拉曼检测性能。此种定位检测物于热点区域的理念也可以用于制备其他结构，这为检测基底(不只是拉曼基底)的制备开辟了一条新的蹊径。
【IPC分类】G01N21/65
【公开号】CN104897640
【申请号】CN201510239438
【发明人】吕男, 徐大任, 滕飞, 刘凌霄, 吴菲菲
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月12日
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