CN105572100B - 一种表面增强拉曼散射衬底及其制备方法 - Google Patents

一种表面增强拉曼散射衬底及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种表面增强拉曼散射衬底及其制备方法，包括球形空壳和薄膜，薄膜覆盖在球形空壳的上半球面，构成复合微腔结构，所述的球形空壳为ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种空壳，所述的薄膜为Ag薄膜或者Au薄膜。该衬底的制备方法包括自组装阵列模板、调节阵列模板、在阵列模板上沉积ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种、氮气氛围内退火、在退火后的阵列模板上沉积Ag薄膜或者Au薄膜。本发明应用复合微腔结构的多极模式耦合共振机制实现操作简单、检测迅速、高灵敏的优点，在食品安全、***检测等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种表面增强拉曼散射衬底及其制备方法
技术领域
本发明涉及金属表面等离激元共振和介质腔光学共振，以及两种模式的耦合技术，尤其是涉及一种表面增强拉曼散射衬底及其制备方法。
背景技术
β-***具有促进蛋白质合成、加快脂肪代谢、提高胴体的瘦肉率等作用，曾被用作饲料添加剂。人一旦食用该类动物食品会引发中毒现象，长期食用危害更大。因此，准确快速方便的检测β-***的方法对于食品安全意义重大。PATP，即对巯基苯胺，可运用于拉曼免疫检测中。
β-***检测面临两大问题：一是不能准确定性、定量检测，检出限大；二是检测过程成本过高。当前检测β-***的方法主要有气相色谱-质谱法(GC-MS)、高效液相色谱法(HPLC)、酶联免疫吸附法(ELISA)、液相色谱-质谱/质谱法(HPLC-MS/MS)等。酶联免疫吸附法是一种快速且操作简便的筛选药物残留的方法，但存在影响因素多和易出现大量假阳性结果不能满足快速准确的检测要求。色谱法检测准确且灵敏，但过程缓慢且过于繁琐，对设备和操作人员要求较高，满足不了快速检测的要求。
表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering，SERS)是指检测分子吸附在特殊衬底上，产生拉曼信号增强的现象，一般通过对衬底进行表面的粗糙化，来达到增强散射信号的目的。当今，研究热门是制备出特殊金属纳米结构的衬底实现拉曼散射信号增强。SERS信号的增强机理主要有物理增强和化学增强，其中，以表面等离激元共振现象(surface plasmon resonance，SPR)为主的物理增强被认为占主导地位。
金属纳米结构在特定光波长下，表面自由电子随着外界电磁场发生相干共振，称为表面等离激元共振现象(SPR)。会形成一个局域增强的电磁场，用于增强分子的拉曼散射信号，即表面增强拉曼散射(SERS)。
热点(hot spots)是局域表面等离激元共振(local surface resonance，LSPR)效应或相互耦合效应产生的超强的近场增强点，其光场强度可达到103数量级以上，对于高灵敏SERS检测具有重大意义。
Ag是贵金属的一种，具有极高的导电性和导热性，在金属等离激元方面应用广泛。尺寸和光波长相当的电介质球形或球壳层形的微米、纳米颗粒可以作为具有低品质因子(Quality factor)的光学共振腔，这种谐振模式称为“回音壁模式”(Whispering GalleryModes，WGM)。ZnO是一种直接带隙宽禁带半导体材料，带隙约为3.4eV，在可见光区域呈透明，具有良好导电性。
近年来关于应用SERS检测的研究很多。翟福丽等在《应用表面增强拉曼光谱技术快速检测尿样中的β-***》文章中以商业化的金纳米颗粒为衬底，利用SERS技术对克伦特罗、沙丁胺醇和莱克多巴胺3种β-***的标准溶液进行定性与定量检测，结合化学计量法消除干扰，并通过最小二乘法建立模型进行定量分析，检出限最小达到2ug/L。但在高灵敏检测上要求不多，且对于SERS衬底的增强机理方面解释较少。Izquierdo-Lorenzo等在《Adsorption of Beta-Adrenergic Agonists Used in Sport Doping on MetalNanoparticles:A Detection Study Based on Surface-Enhanced Raman Scattering》也通过SERS检测β-***，检测限为10-5M。
实用新型专利CN 202710478 U公开了一种表面增强拉曼散射基底，其基底包括大小为100nm的Ag颗粒，厚度约为50nm的Ag膜、PMMA间隔层和玻璃衬底，且其只公开了罗丹明R6G的检测内容。
发明内容
本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，公开了一种基于多极模式耦合共振机制的高灵敏SERS(表面增强拉曼散射)衬底及其制备方法。该方法以复合微腔结构作为SERS基底。将检测溶液滴在SERS基底上，通过复合微腔结构的表面等离激元微腔耦合增强局域场，进而增强拉曼散射，通过拉曼光谱仪进行信号采集，并对数据进行处理，实现定性、定量检测。可实现PATP的检测限约0.01ng/ml(ppb)、β-***的检出限降低至1ng/L。
具体方案如下：
一种表面增强拉曼散射衬底，包括球形空壳和薄膜，薄膜覆盖在球形空壳的上半球面，构成复合微腔结构，所述的球形空壳为ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种空壳，所述的薄膜为Ag薄膜或者Au薄膜。
进一步的，所述的复合微腔结构附着在衬底上；任选的，述的衬底可为硅片、石英片、蓝宝石片或玻璃中的任何一种。
一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
1)自组装聚苯乙烯纳米球阵列模板；2)利用反应离子刻蚀***调节阵列模板；3)在阵列模板上沉积ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种；4)在氮气氛围内退火；4)在退火后的阵列模板上沉积Ag薄膜或者Au薄膜。
进一步的，所述的自组装聚苯乙烯纳米球阵列模板，其纳米球直径为200nm-2000nm，自组装方法可为旋涂、滴涂或提拉的任意一种。
进一步的，所述的反应离子刻蚀***的射频功率为60-80W，O2流量为1-2.5L/min，刻蚀时间为1-120s；任选的，所述反应离子刻蚀***调节阵列模板，调整后阵列间隙尺寸为10nm-200nm。
进一步的，步骤3)和4)所述的在阵列模板上沉积的方法为磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积中任意一种。
进一步的，所述的磁控溅射技术沉积ZnO、TiO2、Al2O3中任意一种的条件为：功率80W，通入氩气与氧气比例体积为1:1，衬底旋转不加热，压强1Pa；任选的，所述的磁控溅射技术沉积GaN或AlN的条件为：功率80W，通入氩气与氮气比例体积为1:1，衬底旋转不加热，压强1Pa。
进一步的，所述的磁控溅射技术沉积Ag薄膜或者Au薄膜的条件为：功率80W，衬底旋转不加热，氩气氛围，压强1Pa。
进一步的，所述的氮气氛围内退火的温度为300-800℃。
本发明还提供所述的衬底用于检测β-***和对巯基苯胺的用途。
本发明所提供的技术方案首先进行高灵敏SERS衬底的制备，接着用不同浓度的标准探针分子PATP进行拉曼检测，得到关于PATP的检测限和增强因子。之后利用所制备的高灵敏SERS衬底进行***的检测，得到拉曼信号强度与浓度之间的函数关系。
SERS衬底增强机理为金属/介质复合微腔结构通过表面等离激元共振和介质腔光学共振的耦合，实现拉曼信号增强。
表面等离激元共振为多模式、耦合的局域表面等离激元共振，由金属纳米结构产生。介质腔光学共振为介质微腔，会在光照下产生低Q值的回音壁模式(WhisperingGallery Modes，WGM)共振。当金属纳米结构的表面等离激元共振与介质腔共振发生耦合时，使得复合腔***有很强的局域场增强，进而增强拉曼信号。
金属/介质复合微腔结构由Ag/ZnO复合微腔结构实现，但介质薄膜不限于ZnO，其他如TiO2、Al2O3、GaN或AlN都可以实现本发明所述的效果；同样的，Ag薄膜也可以为Au薄膜。这种金属/介质复合微腔阵列结构，通过多极模式表面等离激元共振耦合介质腔光学共振，增强局域场，进而提高拉曼信号，实现高灵敏检测。
本发明所述的复合微腔结构支持多模式的表面等离激元共振，即通过金属表面等离激元与介质腔共振之间的耦合实现的多级局域表面等离激元共振。
本发明所述的表面等离激元共振在微腔阵列间可实现有效的相互共振耦合，实现显著的局域场增强，特别是在微腔阵列的间隙区域。
本发明所述的多模式耦合增强的局域场用于增强探针分子的拉曼散射，即表面增强拉曼散射效应。
本发明以改良的纳米球刻蚀技术为基础，据所需沉积的厚度调整沉积时间，发展了基于模板法制备大面积、可控的金属/半导体复合纳米结构阵列的制备方法，借助金属表面等离激元共振和介质微腔光学共振耦合，实现局域场显著增强，在高灵敏SERS探测应用上取得良好效果，如：PATP的检测限约0.01ng/ml(ppb)、β-***的检出限降低至1ng/L等，其大面积、可批量的衬底制备方法以及快速、简单的检测方式，对实际应用意义重大。
有益效果：本发明所述的方法应用复合微腔结构的多极模式耦合共振机制实现操作简单、检测迅速、高灵敏的优点，在食品安全、***检测等领域具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的一种表面增强拉曼散射衬底的制备流程图；
图2是本发明实施例2提供的一种表面增强拉曼散射衬底以PATP为探测分子的拉曼谱图；
图3是本发明实施例2提供的一种表面增强拉曼散射衬底以PATP为探测分子浓度为10-10M的拉曼谱图；
图4是不同浓度的克伦特罗甲醇溶液的拉曼谱图；
图5是不同浓度的克伦特罗甲醇溶液拉曼强度与浓度的关系图；
图6是不同浓度的沙丁胺醇甲醇溶液的拉曼谱图；
图7是不同浓度的沙丁胺醇甲醇溶液拉曼强度与浓度的关系图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
实施例1：制备表面增强拉曼散射衬底
(1)首先将超声清洗好的硅片在功率为80W的反应离子刻蚀***下活化6min，然后进行自组装单层PS球(聚苯乙烯，直径500nm)，旋转速度低速控制在500rpm，旋涂时间10s，高速2500rpm，旋涂时间40s，随后将上述带有PS球模板的硅片放入功率为80W的反应离子刻蚀***进行刻蚀60s，O2流量为2.0L/min。将上述样品放入磁控溅射设备中溅射ZnO薄膜，功率为80W，通入氩气氧气比例为1:1，衬底旋转不加热，压强1Pa，时间24min，使得厚度为50nm。在500℃氮气氛围退火30min，得到ZnO球形空壳结构纳米颗粒阵列。下一步继续放入磁控溅射设备中溅射Ag薄膜，功率为80W，衬底旋转不加热，氩气氛围，压强1Pa，时间3min，使得厚度为20nm，得到所述的高灵敏SERS衬底，具体流程如附图1所示，图中1为硅片，2和3分别为刻蚀前和刻蚀后的单层PS球模板，4为溅射上ZnO后的单层PS模板，5为4退火后得到的ZnO空壳结构，6为在ZnO空壳结构上溅射Ag后得到的Ag/ZnO复合结构的高灵敏SERS衬底。
图1显示了制备SERS衬底的主要步骤，包括1)制备阵列模板；2)利用磁控溅射技术在阵列模板上沉积ZnO薄膜；3)在氮气氛围内退火，形成ZnO空壳结构；4)利用磁控溅射技术沉积一定厚度的Ag。
本实施例中金属/介质复合微腔结构由Ag/ZnO复合微腔结构实现，但介质薄膜不限于ZnO，其他如TiO2、Al2O3、GaN或AlN都可以实现本发明所述的效果；同样的，Ag薄膜也可以为Au薄膜。
实施例2：
PATP(对巯基苯胺)的高灵敏SERS检测
以PATP分子为标定试剂，拉曼增强因子为109，以PATP为例检测限约0.01ng/ml(ppb)
(1)首先根据实例1的具体制备流程制备出表面增强拉曼散射衬底。
(2)接着配置不同浓度的PATP溶液，浓度为10-4，10-5，10-6，10-7，10-8，10-9，10-10M，M即mol/L的缩写。
(3)用Renishaw Invia拉曼光谱仪对滴有检测溶液的SERS衬底进行信号采集，在激光波长为532nm，激光功率为0.25mW，信号收集时间为1～10s的条件下采集探针分子的7种浓度10-4，10-5，10-6，10-7，10-8，10-9，10-10M的拉曼谱图。
(4)然后用Origin软件处理数据，得出相应检出限和拉曼增强因子，如附图2和3所示。
由图2和3可以看出，检出限和拉曼增强因子为10-10M和109。
实施例3：β-***的高灵敏SERS检测
β-***的高灵敏SERS检测，具体实施步骤如下：
(1)如实例1所述制备出本发明基于多极模式耦合共振机制的高灵敏SERS衬底。
(2)配制检测溶液：将克伦特罗和沙丁胺醇2种β-***的标准粉末样分别与99.99％的甲醇溶液进行配制，得到1ng/L、10ng/L、100ng/L、1ug/L、10ug/L、100ug/L、1mg/L和10mg/L的检测溶液；
(3)用Renishaw Invia拉曼光谱仪对滴有检测溶液的SERS衬底进行信号采集，在激光波长为532nm，激光功率为0.25mW，信号收集时间为1～10s的条件下采集2种β-***的8种浓度1ng/L、10ng/L、100ng/L、1ug/L、10ug/L、100ug/L、1mg/L和10mg/L的拉曼谱图，分别如附图4和6所示。
其中图4是克伦特罗对应的拉曼谱图，图6是沙丁胺醇对应的拉曼谱图，从两图可以看出，这2种β-***的可检测出浓度低至1ng/L的样品。
(4)用拉曼软件处理数据，与标准粉末样谱图进行比较，找出特征峰，然后用Origin软件拟合拉曼强度与检测浓度的关系，实现定量分析，如附图5和7所示，从两图可以看到，所测得的数据具有很好的线性关系。
(5)通过拟合，可以得到，克伦特罗拉曼强度与浓度之间的关系符合：log(y)＝3.40063+0.13178*log(x)。通过拟合，沙丁胺醇拉曼强度与浓度之间的关系符合：y＝738.5+678.28571*log(x)。
关系式中x为检测样品的浓度，y为拉曼检测强度；在未知样品检测时，可先检测这2种β-***的拉曼强度，进而可根据对应的拟合方程式推算浓度，从而达到检测效果。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (13)

1.一种表面增强拉曼散射衬底，其特征在于：包括球形空壳和薄膜，薄膜覆盖在球形空壳的上半球面，构成复合微腔结构，所述的球形空壳为ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种空壳，所述的薄膜为Ag薄膜或者Au薄膜；所述的表面增强拉曼散射衬底的制备方法包括以下步骤：1)自组装聚苯乙烯纳米球阵列模板；2)利用反应离子刻蚀***调节阵列模板；3)在阵列模板上沉积ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种；4)在氮气氛围内退火；5)在退火后的阵列模板上沉积Ag薄膜或者Au薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底，其特征在于：所述的复合微腔结构附着在衬底上。
3.根据权利要求2所述的一种表面增强拉曼散射衬底，其特征在于：所述的衬底为硅片、石英片、蓝宝石片或玻璃中的任何一种。
4.一种权利要求1或2所述的表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)自组装聚苯乙烯纳米球阵列模板；2)利用反应离子刻蚀***调节阵列模板；3)在阵列模板上沉积ZnO、TiO2、Al2O3、GaN、AlN中任意一种；4)在氮气氛围内退火；5)在退火后的阵列模板上沉积Ag薄膜或者Au薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的自组装聚苯乙烯纳米球阵列模板，其纳米球直径为200nm-2000nm，自组装方法为旋涂、滴涂或提拉的任何一种。
6.根据权利要求4所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的反应离子刻蚀***的射频功率为60-80W，O2流量为1-2.5L/min，刻蚀时间为1-120s。
7.根据权利要求4所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述反应离子刻蚀***调节阵列模板，调整后阵列间隙尺寸为10nm-200nm。
8.根据权利要求4所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：步骤3)和4)所述的在阵列模板上沉积的方法为磁控溅射、电子束蒸发、热蒸发或原子层沉积(ALD)中任何一种。
9.根据权利要求8所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的磁控溅射技术沉积ZnO、TiO2、Al2O3中任意一种的条件为：功率80W，通入氩气与氧气比例体积为1:1，衬底旋转不加热，压强1Pa。
10.根据权利要求8所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的磁控溅射技术沉积GaN或AlN的条件为：功率80W，通入氩气与氮气比例体积为1:1，衬底旋转不加热，压强1Pa。
11.根据权利要求8所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的磁控溅射技术沉积Ag薄膜或者Au薄膜的条件为：功率80W，衬底旋转不加热，氩气氛围，压强1Pa。
12.根据权利要求4所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于：所述的氮气氛围内退火的温度为300-800℃。
13.根据权利要求1或2所述的一种表面增强拉曼散射衬底，其特征在于：所述的衬底用于检测β-***和对巯基苯胺。
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