本發(fā)明屬于增強(qiáng)光譜襯底制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及到可實(shí)現(xiàn)維數(shù)可控、多通道光譜采集的分形貴金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底的制備方法。

背景技術(shù)：

具有納米結(jié)構(gòu)的金屬材料體系表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)，在臨床醫(yī)學(xué)，生物檢測(cè)傳感，材料科學(xué)領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用價(jià)值。在外加電磁場(chǎng)激勵(lì)下，金屬納米顆粒內(nèi)部電子的協(xié)同振蕩可在其表面激發(fā)產(chǎn)生表面等離激元共振，從而增強(qiáng)金屬表面的局域電磁場(chǎng)，得到一系列線性和非線性光學(xué)效應(yīng)。因此，基于納米金屬體系對(duì)電磁場(chǎng)的表面增強(qiáng)效應(yīng)發(fā)展起來(lái)的表面增強(qiáng)光譜技術(shù)已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于許多領(lǐng)域的研究。作為一種重要的現(xiàn)代光譜技術(shù)，熒光光譜因其靈敏度高和方法多樣等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的應(yīng)用于各種分析表征過(guò)程。然而，在實(shí)際工程應(yīng)用過(guò)程中，制備合適的增強(qiáng)熒光金屬襯底，是獲取高靈敏度和信噪比的熒光光譜的必要手段之一，這也成為眾多研究工作者關(guān)注的研究領(lǐng)域之一。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于表面增強(qiáng)熒光襯底的制備主要包括有機(jī)械拋光法、磁控濺射法、自組裝沉積方法、光刻方法、離子束刻蝕法等。

機(jī)械拋光法是利用不同目數(shù)的砂紙按照一定的次序打磨金屬襯底表面，獲得具有微納結(jié)構(gòu)的金屬襯底表面。該方法的特點(diǎn)是可以通過(guò)改變拋光時(shí)間和砂紙目數(shù)來(lái)獲得不同粗糙度的襯底表面，具有樣品制備過(guò)程簡(jiǎn)單，但樣品制備的可重復(fù)性差的不足。

磁控濺射法制備增強(qiáng)襯底：在高真空環(huán)境下，利用磁控濺射的方法在襯底表面沉積上一層與靶材屬性一致的金屬膜，根據(jù)沉積時(shí)間，所形成的金屬膜可為連續(xù)狀和非連續(xù)狀。嚴(yán)格控制沉積條件可以得到一致性較強(qiáng)的襯底，但該方法對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求苛刻。

自組裝沉積法所制備襯底周期性分布較好，但對(duì)沉積條件，例如環(huán)境溫度、溶液濃度等要求很高；

光刻與離子束刻蝕法可以制備得到周期分布良好的增強(qiáng)襯底，但需要使用光刻機(jī)或者離子束刻蝕集等高精度實(shí)驗(yàn)設(shè)備，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)條件要求頗高，特別是在制備大尺寸納米結(jié)構(gòu)襯底方面，存在一定的技術(shù)難度。

眾所周知，拉曼信號(hào)和熒光信號(hào)分別從不同角度反映了分子屬性，二者在光譜檢測(cè)中都具有十分重要的意義，而利用上述方法所制備的增強(qiáng)襯底都是針對(duì)增強(qiáng)拉曼光譜或者熒光光譜而言的，在同一個(gè)襯底表面實(shí)現(xiàn)拉曼和熒光信號(hào)的同時(shí)增強(qiáng)，還鮮有報(bào)道。本專利所提供的技術(shù)方案將為制備多通道光譜傳感芯片提供解決途徑；所得結(jié)果將有助于拓展光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，為實(shí)現(xiàn)在線光譜檢測(cè)提供傳感芯片。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問(wèn)題在于克服上述增強(qiáng)襯底只能增強(qiáng)單一光譜的缺點(diǎn)，提供一種能夠同時(shí)增強(qiáng)探針?lè)肿拥睦蜔晒夤庾V信號(hào)，且工藝簡(jiǎn)單、產(chǎn)品成本低，性能穩(wěn)定、易于工程化的具有分形形貌的銀納米結(jié)構(gòu)襯底的制備方法。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種分形銀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底的制備方法，包括如下步驟：

步驟S1:玻璃襯底制備；

步驟S2:銀電極制備；

步驟S3:二維銀分形結(jié)構(gòu)制備；

步驟S4:三維分形貴金屬納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底制備；

步驟S5:分形襯底表面熒光探針?lè)肿拥淖越M裝制備；

在步驟S1中，將載玻片依次放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各3～8分鐘，然后用大量去離子水清洗，再放置在10^－4mol/L的二氯化錫溶液中浸泡5～7個(gè)小時(shí)，取出氮?dú)獯蹈纱茫?/p>

在步驟S2中，將純度為99.99％的銀箔切割成長(zhǎng)為2cm、寬2cm、厚0.1cm，并利用砂紙將端面拋光處理，除去氧化層，然后將拋光后的銀箔放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各3～8分鐘，然后用大量去離子水清洗，氮?dú)獯蹈纱茫?/p>

在步驟S3中，用步驟S1處理干凈的載玻片夾住步驟S2制備好的兩片銀箔，分別充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，電極中央空白區(qū)域填充去離子水，銀箔連接恒流電源并通電，電流大小控制在100～200UA，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米結(jié)構(gòu)的形貌，通電時(shí)間約為10～30min，此時(shí)，在去離子水填充區(qū)域，形成淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)，然后斷電，放置晾干待用，制備得到二維分形納米結(jié)構(gòu)光譜傳感襯底；

在步驟S4中，使用步驟S3制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于對(duì)巰基苯胺乙醇溶液中，濃度為10^-3mol/L，避光靜置2～4hours；取出依次大量酒精、去離子水沖洗，制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底；將上述制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于貴金屬納米膠體溶液中，避光靜置30～180min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；制備得到?jīng)過(guò)金、銀納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底；

在步驟S5中，將步驟S3、步驟S4制備的金屬分形襯底放置于羅丹明6G探針?lè)肿踊驘晒馓结樂(lè)肿尤芤褐?，靜置15～30min，取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑謩e制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底和經(jīng)過(guò)金、銀納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)光譜傳感襯底。

優(yōu)選的，所述貴金屬納米膠體溶液為金納米顆粒溶液，銀納米顆粒溶液中的一種。

優(yōu)選的，在步驟S3中，所述具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底的制備方法如下：利用恒流電源控制輸出電流強(qiáng)度，電流大小控制在100～200UA，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米結(jié)構(gòu)的形貌，通電時(shí)間約為5～20min，在去離子水填充區(qū)域，形成淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)，即可斷電，放置晾干待用，制備得到二維分形納米結(jié)構(gòu)光譜傳感襯底；使用步驟S3制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于對(duì)巰基苯胺乙醇溶液中，濃度為10^-3mol/L，避光靜置2～4hours；取出依次大量酒精、去離子水沖洗，制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底。

優(yōu)選的，在步驟S3中，所述經(jīng)過(guò)金、銀納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底制備方法如下：利用恒流電源控制輸出電流強(qiáng)度，電流大小控制在100～200UA，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米結(jié)構(gòu)的形貌，通電時(shí)間約為5～20min，在去離子水填充區(qū)域，形成淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)，即可斷電，放置晾干待用，制備得到二維分形納米結(jié)構(gòu)光譜傳感襯底；使用步驟S3制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于金納米顆粒溶液或銀納米顆粒溶液中，避光靜置30～180min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；制備得到?jīng)過(guò)金、銀納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底。

優(yōu)選的，在步驟S3中，利用恒流電源控制輸出電流強(qiáng)度，電流大小控制在100UA，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)納米結(jié)構(gòu)的形貌，通電時(shí)間約為20min，在去離子水填充區(qū)域，形成淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)，即可斷電，放置晾干待用，制備得到分形維數(shù)D＝1.53的二維分形納米結(jié)構(gòu)光譜傳感襯底；使用步驟S3制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于對(duì)巰基苯胺乙醇溶液，濃度為10^-3mol/L，避光靜置3hours；取出依次大量酒精、去離子水沖洗，制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底。

優(yōu)選的，使用步驟4制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于銀納米顆粒溶液中，避光靜置120min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈桑恢苽涞玫姐y納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底，分形維數(shù)D＝2.47；使用步驟4制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于金納米膠體金納米顆粒溶液中，避光靜置150min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；制備得到金納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底，分形維數(shù)D＝2.35。

上述制備方法中所用的化學(xué)原料丙酮(分析純)、酒精(分析純)試劑購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)；對(duì)巰基苯胺(Aminothiophenol:PATP)試劑購(gòu)于Sigma公司；高純銀片(99.99％)，購(gòu)于北京有色金屬研究所；如非特殊說(shuō)明，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所用的均為去離子水(電阻率＞18MΩcm^-1)。

采用本發(fā)明制備的分形納米結(jié)構(gòu)襯底經(jīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)吸附于襯底表面的探針?lè)肿泳哂辛己玫脑鰪?qiáng)效果。在遵循相同熒光探針?lè)肿幼越M裝沉積方法，與利用拋光法制備的銀納米襯底(增強(qiáng)因子約為3倍)、自組織方法制備的銀納米結(jié)構(gòu)襯底(約為6倍)對(duì)探針?lè)肿拥脑鰪?qiáng)效應(yīng)相比，本發(fā)明制備的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底的增強(qiáng)因子為8倍左右，銀納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底的光譜增強(qiáng)因子約12倍左右，金納米顆粒修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底的光譜增強(qiáng)因子約10倍左右。且所制備的分形納米結(jié)構(gòu)襯底可同時(shí)實(shí)現(xiàn)熒光及拉曼光譜信號(hào)增強(qiáng)，優(yōu)越性顯著?？捎糜卺t(yī)學(xué)診斷、生物傳感等方面的光譜檢測(cè)芯片。

附圖說(shuō)明

圖1是二維銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底樣品制備的實(shí)驗(yàn)裝置圖，圖中：101、電流源；102、銀電極；103、玻璃襯底；

圖2是三維金、銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底樣品制備的過(guò)程圖；

圖3是探針?lè)肿訛榱_丹明6G分子激光掃描圖；

圖4是所制備襯底的環(huán)境掃描電子顯微鏡表征圖；

圖5是羅丹明6G分子沉積分形襯底表面的光譜發(fā)射圖。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

參照附圖1至5，其中：圖1為二維銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底樣品制備的實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖，其由電流源101、銀電極102以及玻璃襯底103共同構(gòu)成；圖3通電20min，電流大小控制在150UA條件下，所制備襯底的激光掃描共聚焦熒光顯微光學(xué)(a)及熒光成像圖(b)，探針?lè)肿訛榱_丹明6G分子，濃度為5*10^-6mol/L；圖4是通電15min，電流大小控制在150UA條件下，所制備襯底的SEM表征圖；圖5是羅丹明6G分子沉積分形襯底表面的光譜發(fā)射圖，激發(fā)光波長(zhǎng)為532nm。

實(shí)施例1

以制備分形維數(shù)D＝1.53的銀分形納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底為例，其制備方法如下：

1、玻璃襯底制備

將載玻片依次放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，再放置在10^-4mol/L的二氯化錫溶液中浸泡6個(gè)小時(shí)，取出氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

2、銀電極制備

將純度為99.99％的銀箔，切割成長(zhǎng)為2cm、寬2cm、厚0.1cm尺寸大小，并利用砂紙將端面拋光處理，除去氧化層。然后將拋光后的銀箔放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

3、銀分形結(jié)構(gòu)通過(guò)電化學(xué)方法制備

用過(guò)程(1)處理干凈的載玻片夾住過(guò)程(2)制備好的兩片銀箔，分別充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，電極中央空白區(qū)域填充去離子水，銀箔連接恒流電源并通電，電流大小控制在100－200UA之間，通電時(shí)間約為20min,通電電流大小及時(shí)間如表1所示。當(dāng)去離子水填充區(qū)域，顯微鏡條件下觀測(cè)到淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，即刻斷電，放置晾干，實(shí)驗(yàn)裝置如附圖1所示。表1為通電20min，電流大小控制在100-200UA條件下，電解電流大小及通電時(shí)間關(guān)系。

實(shí)施例2

以制備分形維數(shù)D＝2.47的銀/銀復(fù)合分形納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底為例，其制備方法如下：

1、玻璃襯底制備

將載玻片依次放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，再放置在10^-4mol/L的二氯化錫溶液中浸泡6個(gè)小時(shí)，取出氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

2、銀電極制備

將純度為99.99％的銀箔，切割成長(zhǎng)為2cm、寬2cm、厚0.1cm尺寸大小，并利用砂紙將端面拋光處理，除去氧化層。然后將拋光后的銀箔放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

3、銀分形結(jié)構(gòu)通過(guò)電化學(xué)方法制備

用過(guò)程(1)處理干凈的載玻片夾住過(guò)程(2)制備好的兩片銀箔，分別充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，電極中央空白區(qū)域填充去離子水，銀箔連接恒流電源并通電，電流大小控制在100－200UA之間，通電時(shí)間約為20min,通電電流大小及時(shí)間如表1所示。當(dāng)去離子水填充區(qū)域，顯微鏡條件下觀測(cè)到淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，即刻斷電，放置晾干，制備得到分形維數(shù)D＝1.53的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底。

4、經(jīng)對(duì)巰基苯胺分子自組裝后的銀分形結(jié)構(gòu)制備

使用過(guò)程(3)制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于對(duì)巰基苯胺乙醇溶液(濃度為10^-3mol/L)中，避光靜置3hours(關(guān)鍵步驟)；取出依次大量酒精、去離子水沖洗，制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底。

5、三維分形銀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底制備

此處以分形維數(shù)D＝2.47樣品制備為例，但不限于此。

使用過(guò)程(4)制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于銀膠溶液中，避光靜置120min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；制備得到?jīng)過(guò)銀納米顆粒(銀納米顆粒)修飾后的三維分形納米結(jié)構(gòu)襯底，分形維數(shù)D＝2.47，樣品制備過(guò)程如附圖2所示。

實(shí)施例3

以制備分形維數(shù)D＝2.35的金/銀復(fù)合分形納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底為例，其制備方法如下：

1、玻璃襯底制備

將載玻片依次放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，再放置在10^-4mol/L的二氯化錫溶液中浸泡6個(gè)小時(shí)，取出氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

2、銀電極制備

將純度為99.99％的銀箔，切割成長(zhǎng)為2cm、寬2cm、厚0.1cm尺寸大小，并利用砂紙將端面拋光處理，除去氧化層。然后將拋光后的銀箔放置在丙酮、酒精溶液中超聲清洗各5分鐘，然后用大量去離子水清洗，氮?dú)獯蹈纱谩?/p>

3、銀分形結(jié)構(gòu)通過(guò)電化學(xué)方法制備

用過(guò)程(1)處理干凈的載玻片夾住過(guò)程(2)制備好的兩片銀箔，分別充當(dāng)陰極和陽(yáng)極，電極中央空白區(qū)域填充去離子水，銀箔連接恒流電源并通電，電流大小控制在100－200UA之間，通電時(shí)間約為20min,通電電流大小及時(shí)間如表1所示。當(dāng)去離子水填充區(qū)域，顯微鏡條件下觀測(cè)到淡灰色枝狀結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，即刻斷電，放置晾干，制備得到分形維數(shù)D＝1.53的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底。

4、經(jīng)對(duì)巰基苯胺分子自組裝后的銀分形結(jié)構(gòu)制備

使用過(guò)程(3)制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于對(duì)巰基苯胺乙醇溶液(濃度為10^-3mol/L)中，避光靜置3hours(關(guān)鍵步驟)；取出依次大量酒精、去離子水沖洗，制備得到具有對(duì)巰基苯胺單分子層組裝的二維分形銀納米結(jié)構(gòu)襯底。

5、三維分形金/銀納米結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光譜襯底制備

此處以分形維數(shù)D＝2.35樣品制備為例，但不限于此。

使用過(guò)程(4)制備得到的銀分形納米結(jié)構(gòu)襯底放置于金納米顆粒溶液中，避光靜置150min；取出后用大量去離子水沖洗，氮?dú)獯蹈?；制備得到?jīng)過(guò)金納米顆粒修飾后的分形納米結(jié)構(gòu)襯底，分形維數(shù)D＝2.35，樣品制備過(guò)程如附圖2所示。

為了確定本發(fā)明的最佳配比和最佳工藝步驟，發(fā)明人進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室研究試驗(yàn)，各種試驗(yàn)情況如下：

主要實(shí)驗(yàn)儀器：高精度電子天平，型號(hào)為Precisa XT，由瑞士生產(chǎn)；85-1型磁力攪拌器，由上海浦東物理光學(xué)儀器廠生產(chǎn)；101－1ASB型電熱鼓風(fēng)干燥箱，由北京科偉永興儀器有限公司生產(chǎn)；長(zhǎng)沙市英泰儀器有限公司型號(hào)為TG-16C高/低速離心機(jī)；美國(guó)FEI公司生產(chǎn)的Nova NanoSEM 450場(chǎng)致發(fā)射掃描電子顯微鏡；德國(guó)Bruker公司生產(chǎn)的型號(hào)為Quantax200XFLash660能譜儀；日本日立公司生產(chǎn)的H-600型透射電子顯微鏡；LAB 170型Nd:YAG脈沖激光器，由美國(guó)Spectra-Physics公司生產(chǎn)；美國(guó)ACTON RESEARCH CORPORATION生產(chǎn)的配有CCD(7515-0002型)和PMT(PD471型)的三光柵單色儀(SP2750i型)；法國(guó)HORIBA公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)abRam confocal microprobe Raman system拉曼光譜儀完成拉曼光譜采集。激光掃描共聚焦熒光顯微鏡型號(hào)為FV1200。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對(duì)本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。