專利名稱：高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法及應(yīng)用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明為高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法及應(yīng)用方法，該芯片采用納米球光刻(NSL)技術(shù)結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕工藝制作而成，并利用此芯片實(shí)現(xiàn)了低濃度若丹明6G分子的快速檢測(cè)。
背景技術(shù)：
表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光譜具有高特異性和高靈敏度，已廣泛應(yīng)用于基因和蛋白質(zhì)識(shí)別、生物戰(zhàn)劑探測(cè)、葡萄糖的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、單分子探測(cè)、病毒和細(xì)菌的快速鑒定、痕量爆炸物探測(cè)等領(lǐng)域，作為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的主要載體和實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼散射放大效應(yīng)的關(guān)鍵，新型表面增強(qiáng)拉曼散射基底成為近年來該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的電磁增強(qiáng)機(jī)制表明金屬的局域表面等離子體共振(LSPR)在很大程度上決定了金屬納米結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射活性，金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸、形狀、外部介電環(huán)境以及粒子的材料等因素都會(huì)影響納米顆粒的局域表面等離子體共振波長，并影響表面增強(qiáng)拉曼光譜應(yīng)用中與激勵(lì)光源波長的匹配，進(jìn)而影響表面增強(qiáng)拉曼散射的增強(qiáng)因子(EF)及探測(cè)靈敏度。另外，作為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)的主要載體，金屬納米結(jié)構(gòu)直接決定著表面增強(qiáng)拉曼散射基底的增強(qiáng)能力。在已報(bào)道的文獻(xiàn)中，表面增強(qiáng)拉曼光譜已達(dá)到單分子探測(cè)水平，具體方式實(shí)現(xiàn)有兩種，一種是通過混合金屬納米粒子(如金納米粒子和銀納米粒子)聚集產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”(hot spots)的方式實(shí)現(xiàn)，這種方式的表面增強(qiáng)拉曼散射的增強(qiáng)因子可達(dá)IO14-IO15 ;另一種利用金屬納米粒子的二聚物來實(shí)現(xiàn)，這種二聚物粒子間的間隙在幾個(gè)納米的范圍內(nèi)，增強(qiáng)因子可達(dá)IOll-IO12,與這種方式較為相近的就是針尖增強(qiáng)拉曼光譜(TERS)，利用金屬針尖處產(chǎn)生的高的場(chǎng)增強(qiáng)并控制針尖與基底的距離(納米范圍內(nèi))來實(shí)現(xiàn)。上述幾種方式所產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”較為隨機(jī)且相對(duì)于整個(gè)基底來說是非常小的，導(dǎo)致了表面增強(qiáng)拉曼光譜的探測(cè)效率，可重復(fù)性、穩(wěn)定性較差。因此高增強(qiáng)因子(均勻增強(qiáng))、高穩(wěn)定性的表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底是制約著表面增強(qiáng)拉曼光譜實(shí)用化的關(guān)鍵因素。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法及應(yīng)用方法，通過結(jié)合納米球光刻技術(shù)和反應(yīng)離子刻蝕工藝，嚴(yán)格控制刻蝕氣體氣流量、功率及時(shí)間，制備得到結(jié)構(gòu)周期為430nm，粒子直徑為160nm，局域表面等離子體共振波長為780nm的三角形銀納米陣列排布的表面增強(qiáng)拉曼芯片，并利用此芯片實(shí)現(xiàn)了 IOnM濃度若丹明6G分子的快速檢測(cè)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法，該方法的步驟如下步驟(I)在經(jīng)清洗、親水化處理后的IcmX Icm的雙面精拋光石英基底表面均勻的自組裝一層聚苯乙烯納米球；所述聚苯乙烯納米球直徑為430nm。步驟(2)采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對(duì)制作的納米球自組裝層進(jìn)行刻蝕，改變納米球的間隙的尺寸大??；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體流量為20SCCM;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕功率為5 8W ;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕時(shí)間為165s 240s ;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體為氧氣。步驟⑶利用刻蝕后的納米球作為模具，利用真空鍍膜機(jī)在2 3X 10_4Pa的真空度下在其表面沉積一層50nm厚的銀薄膜。步驟(4)通過Lift off工藝去除納米球自組裝層，得到三角形銀納米陣列排布的表面增強(qiáng)拉曼芯片。所述步驟(I)中的自組裝方式為旋涂法或靜電自組裝法或漂移法。所述步驟(3)中的銀納米薄膜的沉積時(shí)間為13s。所述步驟(4)中的三角形銀納米陣列排布的表面增強(qiáng)拉曼芯片的結(jié)構(gòu)周期為430nm,粒子直徑為160nm,局域表面等離子體共振波長為780nm。上述制備方法制得的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的應(yīng)用方法，所述高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片在用于檢測(cè)溶液中的若丹明6G分子時(shí)，最低能夠檢測(cè)出溶液中IOnM濃度的若丹明6G分子。其中，以無水乙醇作為溶劑配置IOnM濃度的若丹明6G溶液，將10微升濃度為IOnM的若丹明6G溶液滴在該高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片上，待無水乙醇試劑揮發(fā)后做拉曼光譜分析。其中，所述同一高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的7處不同位置處10 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，其特征峰值強(qiáng)度的偏差為±3%。本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)(I)由于金屬納米粒子激發(fā)的電磁能量主要集中于粒子的尖角處，尖角越尖其能產(chǎn)生的電磁場(chǎng)增強(qiáng)就越強(qiáng)，采用本發(fā)明方法制作的三角形金屬納米粒子尖角缺損率已降低到8. I %,大大提聞了探測(cè)靈敏度。(2)本發(fā)明制備的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的局域表面等離子體共振波長為780nm，非常接近波長為785nm的激發(fā)光源，與其他共振波長的結(jié)構(gòu)相比可獲得更好的場(chǎng)增強(qiáng)效果。(3)本發(fā)明制備的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片重復(fù)性較高，穩(wěn)定性高，且成本較低，為實(shí)用化奠定了基礎(chǔ)。(4)本發(fā)明制作的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片，可實(shí)現(xiàn)生物、化學(xué)分子的快速特異性檢測(cè)。


圖I是實(shí)施例I中的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的掃描電鏡圖片，結(jié)構(gòu)周期為430nm,粒子直徑為160nm ；
圖2是實(shí)施例I中制備的結(jié)構(gòu)的對(duì)應(yīng)消光光譜曲線，峰值位置為780nm，黑色虛線為785nm波長激發(fā)光源位置；圖3是以實(shí)施例2中的以高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片為增強(qiáng)基底獲得的不同濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線I為50 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線II為10 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線III為5μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線IV為I μΜ濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線V為IOOnM濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線；圖4是實(shí)施例2中圖3中1509cm—1特征峰值強(qiáng)度隨濃度的變化關(guān)系；圖5是以實(shí)施例2中的以高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片為增強(qiáng)基底獲得的IOnM濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線； 圖6是實(shí)施例2中同一高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的7處不同位置處10 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施方式
詳細(xì)介紹本發(fā)明。但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅限于以下實(shí)例，應(yīng)包含權(quán)利要求書中的全部內(nèi)容。實(shí)施例1，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期為430nm，粒子直徑為160nm的局域表面等離子體共振波長為780nm的表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備及表征。(I)選擇尺寸為IcmX Icm雙面精拋光的石英玻璃作為芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、親水化處理后，取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6微升滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(2)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為8W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為165s ；(3)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在3X 10_4Pa的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為50nm ；(4)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，得到高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示，其粒子的尖角缺損率為8. 1% ;將步驟(4)所制得的芯片置于透射光譜測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試其消光光譜曲線，本例中采用的光源為LS-I鹵鎢燈光源(Ocean Optics，USA)，光譜儀為USB4000 (Ocean Optics,USA)，測(cè)試曲線如圖2所示。圖2為步驟(4)所制得的芯片的消光光譜曲線，峰值在780nm處。實(shí)施例2，利用本發(fā)明實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)周期為430nm，粒子直徑為160nm的局域表面等離子體共振波長為780nm的表面增強(qiáng)拉曼芯片的應(yīng)用。(I)選擇尺寸為IcmX Icm雙面精拋光的石英玻璃作為芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、親水化處理；取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6微升滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(2)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為5W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為240s ；(3)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在2. 8X 10_4Pa的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為50nm ；(4)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，得到高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片。
以無水乙醇作為溶劑配置50 μ M、10 μ Μ、5 μ M、I μ M、IOOnM濃度的若丹明6G溶液，分別取10微升上述濃度的若丹明6G溶液滴在步驟(4)得到的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片上，待無水乙醇試劑揮發(fā)后做拉曼光譜分析，激發(fā)波長為785nm，積分時(shí)間為10s，拉曼光譜曲線如圖3所示，曲線I為50 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線II為10 μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線III為5μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線IV為I μ M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，曲線V為IOOnM濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，圖3中1509cm—1特征峰值強(qiáng)度隨濃度的變化關(guān)系如圖4所示；
以無水乙醇作為溶劑配置IOnM濃度的若丹明6G溶液，分別取10微升上述濃度的若丹明6G溶液滴在步驟(4)得到的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片上，待無水乙醇試劑揮發(fā)后做拉曼光譜分析，激發(fā)波長為785nm，積分時(shí)間為20s，拉曼光譜曲線如圖5所
/Jn ο實(shí)施例3,利用本發(fā)明對(duì)實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)周期為430nm,粒子直徑為160nm的局域表面等離子體共振波長為780nm的表面增強(qiáng)拉曼芯片的穩(wěn)定性測(cè)試。(I)選擇尺寸為IcmX Icm雙面精拋光的石英玻璃作為芯片基底，對(duì)基底進(jìn)行清洗、親水化處理；取直徑為430nm、濃度為10%的單分散聚苯乙烯納米球水溶液6微升滴到玻璃基底進(jìn)行自組裝，室溫干燥后得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；(2)將已自組裝好的聚苯乙烯納米球用反應(yīng)離子刻蝕機(jī)利用氧氣進(jìn)行刻蝕，功率為6W，氧氣流量20SCCM，刻蝕時(shí)間分別為190s ；(3)將經(jīng)過刻蝕處理后的聚苯乙烯納米球放入真空鍍膜系統(tǒng)的工作腔室，在
2.6X 10_4Pa的真空度下在其表面沉積一層銀膜，銀的純度為99. 99%，膜層厚度為50nm ；(4)通過Lift off工藝去除聚苯乙烯納米球及其表層金屬，得到高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片。取10微升實(shí)例2配置的10 μ M濃度的若丹明6G溶液滴在步驟⑷得到的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片上，待無水乙醇試劑揮發(fā)后對(duì)其芯片7個(gè)不同位置處做拉曼光譜分析，激發(fā)波長為785nm，積分時(shí)間為10s，拉曼光譜曲線如圖6所示，其特征峰值強(qiáng)度的偏差為±3% ;本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域公知技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法，其特征在于該方法的步驟如下 步驟(I)在經(jīng)清洗、親水化處理后的IcmX Icm的雙面精拋光石英基底表面均勻的自組裝一層聚苯乙烯納米球；所述聚苯乙烯納米球直徑為430nm ； 步驟(2)采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對(duì)制作的納米球自組裝層進(jìn)行刻蝕，改變納米球的間隙的尺寸大小；所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體流量為20SCCM ;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕功率為5 8W ;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕時(shí)間為I 65s 240s ;所述反應(yīng)離子刻蝕工藝中采用的刻蝕氣體為氧氣； 步驟(3)利用刻蝕后的納米球作為模具，利用真空鍍膜機(jī)在2 3X10_4Pa的真空度下在其表面沉積一層50nm厚的銀薄膜； 步驟(4)通過Lift off工藝去除納米球自組裝層，得到三角形銀納米陣列排布的表面增強(qiáng)拉曼芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法，其特征在于所述步驟(I)中的自組裝方式為旋涂法或靜電自組裝法或漂移法。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法，其特征在于所述步驟(3)中銀薄膜的沉積時(shí)間為13s。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法，其特征在于所述步驟(4)中的三角形銀納米陣列排布的表面增強(qiáng)拉曼芯片的結(jié)構(gòu)周期為430nm，粒子直徑為160nm，局域表面等離子體共振波長為780nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任意一項(xiàng)所述的制備方法制備的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的應(yīng)用方法，其特征在于所述高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片在用于檢測(cè)溶液中的若丹明6G分子時(shí)，最低能夠檢測(cè)出溶液中IOnM濃度的若丹明6G分子。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的應(yīng)用方法，其特征在于以無水乙醇作為溶劑配置IOnM濃度的若丹明6G溶液，將10微升濃度為IOnM的若丹明6G溶液滴在該高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片上，待無水乙醇試劑揮發(fā)后做拉曼光譜分析。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 4任意一項(xiàng)所述的制備方法制備的高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的應(yīng)用方法，其特征在于所述同一高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的7處不同位置處10 y M濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線，其特征峰值強(qiáng)度的偏差為±3%。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的制備方法及應(yīng)用方法，該方法首先是在1cm×1cm的雙面精拋光石英基底上通過自組裝的方法得到單層排布的聚苯乙烯納米球陣列；再采用反應(yīng)離子刻蝕工藝對(duì)制作的單層納米球陣列進(jìn)行刻蝕，改變納米球之間間隙的尺寸大??；最后通過銀納米薄膜沉積和Lift off工藝得到結(jié)構(gòu)周期為430nm，粒子直徑為160nm，局域表面等離子體共振波長為780nm的表面增強(qiáng)拉曼芯片。本發(fā)明的表面增強(qiáng)拉曼芯片可檢測(cè)出10nM濃度的若丹明6G分子；且同一高靈敏度、高穩(wěn)定性表面增強(qiáng)拉曼芯片的7處不同位置處10μM濃度的若丹明6G分子的拉曼光譜曲線的特征峰值強(qiáng)度偏差為±3％，可滿足生物、化學(xué)物質(zhì)的快速特異性檢測(cè)需求。
文檔編號(hào)G01N21/65GK102628808SQ201210107599
公開日2012年8月8日 申請(qǐng)日期2012年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月13日
發(fā)明者馮沁, 劉凱鵬, 劉玲, 楊歡, 楊磊磊, 羅先剛, 趙澤宇, 陶興, 高平 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所