本發(fā)明涉及一種表面增強(qiáng)拉曼散射芯片制備技術(shù)，具體涉及一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片及其制備方法和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

拉曼光譜分析方法是基于印度科學(xué)家C.V.Raman發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光譜進(jìn)行分析以得到分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)指紋圖譜的光譜分析方法。當(dāng)受到入射光激發(fā)產(chǎn)生拉曼散射時(shí)，幾乎所有的有機(jī)分子包括極性分子和具有感應(yīng)極化性(induction polarizability)的非極性分子都顯示出拉曼效應(yīng)(拉曼位移)，因此可以用于識(shí)別和區(qū)分物質(zhì)的種類(lèi)和結(jié)構(gòu)。但是，由于大部分物質(zhì)的散射截面極小，致使拉曼散射信號(hào)非常微弱。此外，因?yàn)槔⑸涔庾V較低的靈敏性，在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)拉曼散射光譜的實(shí)際應(yīng)用受到很大限制。

表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)技術(shù)通過(guò)電磁增強(qiáng)機(jī)制(Electromagnetic Mechanism，EM)與化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制(Chemical Enhancement Mechanism，CM)可以使拉曼散射信號(hào)增強(qiáng)10⁴至10¹⁰倍，顯著的提升了拉曼散射光譜的信號(hào)強(qiáng)度。由于納米科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，金銀等納米材料作為SERS活性基底實(shí)現(xiàn)了單分子檢測(cè)，增強(qiáng)因子(Enhancement Factors,EFs)達(dá)到了10¹⁵，顯示了SERS技術(shù)在分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)和檢測(cè)物質(zhì)含量方面的巨大前景。但是，由于基底材料表面形貌的差異，極高的EFs是通過(guò)在局部構(gòu)造共振納米結(jié)構(gòu)(單納米顆粒體系、雙納米顆粒體系等)來(lái)實(shí)現(xiàn)，缺乏普適性，使得SERS始終未成為一項(xiàng)成熟的分析檢測(cè)技術(shù)。然而，由于EM是SERS效應(yīng)主要原因，表面等離子體共振激發(fā)的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)現(xiàn)象決定了SERS效應(yīng)的強(qiáng)度，其中局域電磁場(chǎng)極強(qiáng)的區(qū)域被稱(chēng)為熱點(diǎn)(hot spots)，在此區(qū)域基底可產(chǎn)生極強(qiáng)的SERS效應(yīng)?？刂苹撞牧霞{米結(jié)構(gòu)的間隙(一般小于5nm)可以改變基底材料的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現(xiàn)EFs高的熱點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)SERS信號(hào)的極大增強(qiáng)。隨著材料科學(xué)與微納加工技術(shù)的發(fā)展，不同規(guī)律性表面形貌和納米尺度的基底材料可以制備。目前，常采用化學(xué)方法合成金屬納米顆粒，但該方法在制備過(guò)程中難以控制金屬納米結(jié)構(gòu)間隙，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際分析檢測(cè)的需求，從而限制了其產(chǎn)業(yè)化及在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，尤其難以實(shí)現(xiàn)微量或痕量物質(zhì)的檢測(cè)。

伴隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量的要求越來(lái)越高，越來(lái)越嚴(yán)重的環(huán)境、食品安全、生物醫(yī)藥、公共安全等問(wèn)題逐漸引起了人們的關(guān)注，尤其是微量或痕量環(huán)境污染物、違禁食品添加劑，因其具有高積累性、毒性、致癌性、致畸性、致突變性等特性，對(duì)人類(lèi)生活健康產(chǎn)生了嚴(yán)重的威脅，因此對(duì)其檢測(cè)分析方法提出了更高的要求。常用的微量或痕量物質(zhì)的檢測(cè)分析技術(shù)，如免疫分析法、質(zhì)譜和色譜分析法等，存在操作復(fù)雜、儀器用備昂貴等缺點(diǎn)。研究可進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)快速靈敏分析的檢測(cè)技術(shù)成為現(xiàn)階段迫切的需求，開(kāi)發(fā)適用于微量或痕量物質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)、快速、靈敏和簡(jiǎn)便的檢測(cè)新技術(shù)是國(guó)際檢測(cè)領(lǐng)域的重要研究方向之一。SERS是一種能夠?qū)崿F(xiàn)單分子、免標(biāo)記的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)SERS技術(shù)檢測(cè)微量或痕物質(zhì)，有助于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物醫(yī)藥、公共安全等檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于：(1)提供一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片；(2)提供一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備方法；(3)提供一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的應(yīng)用。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

1、一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片，包括芯片基底(1)，所述芯片基底(1)上加工有微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍有一層金屬膜(2)，所述芯片基底(1)材料為壓電/電致伸縮陶瓷。

進(jìn)一步，所述壓電/電致伸縮陶瓷材料為鈦酸鋇、鈦酸鈉鉍或鈮酸鈉鉀中的一種或多種。

進(jìn)一步，所述微結(jié)構(gòu)陣列的微結(jié)構(gòu)呈柱形、錐形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形。

進(jìn)一步，所述微結(jié)構(gòu)陣列的微結(jié)構(gòu)尺寸為0.5～100μm，陣列周期為0.5～100μm。

進(jìn)一步，所述金屬膜材料為Au、Ag、Pt、Cu或Pd中的一種。

進(jìn)一步，所述金屬膜的厚度為5～100nm。

進(jìn)一步，所述金屬膜(2)表面修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)(3)。

進(jìn)一步，所述可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)為經(jīng)過(guò)篩選制備的能夠與目標(biāo)分析物特異性作用結(jié)合的抗體、核酸適配體分子或多肽分子中的一種。

3、制備所述的一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的方法，其特征在于，包括如下步驟：

a、選取壓電/電致伸縮陶瓷作為芯片基底(1)的材料；

b、所選基底材料表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈柱形、錐形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍金屬膜(2)；

d、在步驟c中的金屬膜表面修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)(3)。

3、由所述的一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的方法制備的芯片在環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物醫(yī)藥或公共安全一種或多種檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明提供了一種可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片及其制備方法和應(yīng)用，該芯片以壓電/電致伸縮陶瓷為基底材料，通過(guò)改變壓電/電致伸縮陶瓷兩端的電壓可以使其發(fā)生收縮與膨脹，從而使得修飾在其表面的金屬層納米結(jié)構(gòu)間隙發(fā)生改變，進(jìn)而改變金屬層的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現(xiàn)增強(qiáng)因子高的熱點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)的極大增強(qiáng)。該芯片制備方法簡(jiǎn)單，重復(fù)性高，易于實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，適用于微量或痕量物質(zhì)現(xiàn)場(chǎng)、快速、靈敏和簡(jiǎn)便的檢測(cè)，有助于環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、生物醫(yī)藥、公共安全等檢測(cè)領(lǐng)域的發(fā)展。

附圖說(shuō)明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說(shuō)明：

圖1為本發(fā)明中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖；

圖2為本發(fā)明中可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為實(shí)施例1中制得的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的掃描電子顯微鏡圖；

圖4為實(shí)施例1中制得的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的原子力顯微鏡圖；

圖5為本發(fā)明中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為低濃度目標(biāo)分析物富集原理圖；

圖7為表面增強(qiáng)拉曼芯片熱點(diǎn)調(diào)控原理圖。

其中，圖2中，1為芯片基底，2為金屬膜；圖3中，1為芯片基底，2為金屬膜，3為可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)；圖5中，3為可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)，4為目標(biāo)分析物，5為雜質(zhì)。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

實(shí)施例1

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈦酸鋇作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈦酸鋇基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈金字塔形，微結(jié)構(gòu)尺寸為1.5μm，陣列周期為2.0μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍20nm厚的Ag膜，；

d、在步驟c中的Au膜表面修飾抗體，所述抗體為藻毒素MC-LR抗體分子；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為銅線(xiàn)。

實(shí)施例2

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈦酸鈉作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈦酸鈉基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈倒金字塔形，微結(jié)構(gòu)尺寸為0.5μm，陣列周期為0.5μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍5nm厚的Au膜；

d、在步驟c中的Ag膜表面修飾藻毒素MC-LR核酸適配體AN1；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為鋁線(xiàn)。

實(shí)施例3

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈮酸鈉鉀作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈮酸鈉鉀基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈柱形，微結(jié)構(gòu)尺寸為20μm，陣列周期為20μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍40nm厚的Pt膜；

d、在步驟c中的Pt膜表面修飾雙酚A抗體；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為銀線(xiàn)。

實(shí)施例4

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈦酸鋇和鈮酸鈉鉀的混合物作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈦酸鋇和鈮酸鈉鉀的混合物基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈錐形，微結(jié)構(gòu)尺寸為50μm，陣列周期為50μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍60nm厚的Cu膜；

d、在步驟c中的Cu膜表面修飾多氯聯(lián)苯抗體；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為鋁線(xiàn)。

實(shí)施例5

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈦酸鋇和鈦酸鈉的混合物作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈦酸鋇和鈦酸鈉的混合物基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列呈球形，微結(jié)構(gòu)尺寸為70μm，陣列周期為70μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍80nm厚的Pd膜；

d、在步驟c中的Pd膜表面修飾多環(huán)芳烴抗體；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為銅線(xiàn)。

實(shí)施例6

根據(jù)圖1中修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：

a、選取鈦酸鈉和鈮酸鈉鉀的混合物作為芯片基底的材料；

b、通過(guò)微納加工在鈦酸鈉和鈮酸鈉鉀的混合物基底表面加工微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列三角形，微結(jié)構(gòu)尺寸為100μm，陣列周期為100μm；

c、在步驟b中的微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍100nm厚的Au膜；

d、在步驟c中的Au膜表面修飾多氯聯(lián)苯77核酸適配體；

e、在芯片基底上設(shè)置電極線(xiàn)，所述電極線(xiàn)為銀線(xiàn)。

實(shí)施例1～6中，在微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍金屬膜后形成的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的示意圖如圖2所示，圖2中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍有一層金屬膜2。

圖3為實(shí)施例1中制得的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的掃描電鏡圖，其中A、B、C、D的放大倍數(shù)分別為2000、5000、10000、20000，由圖3可知，芯片表面的呈周期性微結(jié)構(gòu)陣列。

圖4為實(shí)施例1中制得的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片的原子力顯微鏡圖，由圖4可知，芯片表面的周期性微結(jié)構(gòu)陣列的尺寸為1.5um，陣列周期為2um。

實(shí)施例1～6中，在金屬膜表面修飾與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)后形成的芯片的示意圖如圖5所示，圖5中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微結(jié)構(gòu)陣列，所述微結(jié)構(gòu)陣列表面鍍有一層金屬膜2，所述金屬膜2表面修飾有可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)3。

實(shí)施例7

將實(shí)施例1中制備的可調(diào)控?zé)狳c(diǎn)的表面增強(qiáng)拉曼散射芯片用于藻毒素的檢測(cè)

首先分別將10μL不同濃度的藻毒素MC-LR標(biāo)準(zhǔn)品滴加到芯片上，然后在拉曼光譜儀器上進(jìn)行檢測(cè)，得到不同藻毒素MC-LR濃度下的拉曼光譜圖，并根據(jù)信號(hào)分子的特征峰值(1087cm^-1)得到標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)，其中，藻毒素MC-LR標(biāo)準(zhǔn)品的濃度分別為0、0.01μg/L、0.1μg/L、5μg/L、10μg/L、50μg/L、100μg/L。最后，以自來(lái)水和湖水中最為待測(cè)樣品，將其滴加到芯片上，檢測(cè)自來(lái)水和湖水中藻毒素的污染情況，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)進(jìn)行對(duì)比，得到檢測(cè)樣品中藻毒素的濃度。

圖6為低濃度目標(biāo)分析物富集原理圖，由圖6可知，修飾在金屬膜上的可以與目標(biāo)分析物特異性結(jié)合的物質(zhì)3可以與待檢測(cè)樣品種的目標(biāo)分析物4特異性結(jié)合，通過(guò)清洗，去除雜質(zhì)，達(dá)到富集目標(biāo)分析物的目的。

圖7為表面增強(qiáng)拉曼芯片熱點(diǎn)調(diào)控原理圖，由圖7可知，通過(guò)改變電壓，由于壓電/電致伸縮陶瓷產(chǎn)生的收縮與膨脹可以調(diào)整其表面金屬膜中相鄰的貴金屬納米結(jié)構(gòu)之間的間隙，從而改變金屬層納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現(xiàn)EFs高的熱點(diǎn)區(qū)域，實(shí)現(xiàn)SERS信號(hào)的極大增強(qiáng)。

最后說(shuō)明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。