[发明专利]高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法

说明书

技术领域

本发明为高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法，该芯片采用纳米球光刻(NSL)技术结合反应离子刻蚀工艺制作而成，并利用此芯片实现了低浓度若丹明6G分子的快速检测。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)光谱具有高特异性和高灵敏度，已广泛应用于基因和蛋白质识别、生物战剂探测、葡萄糖的实时监测、单分子探测、病毒和细菌的快速鉴定、痕量爆炸物探测等领域，作为表面增强拉曼散射效应的主要载体和实现表面增强拉曼散射放大效应的关键，新型表面增强拉曼散射基底成为近年来该领域的研究热点。表面增强拉曼散射效应的电磁增强机制表明金属的局域表面等离子体共振(LSPR)在很大程度上决定了金属纳米结构的表面增强拉曼散射活性，金属纳米结构的尺寸、形状、外部介电环境以及粒子的材料等因素都会影响纳米颗粒的局域表面等离子体共振波长，并影响表面增强拉曼光谱应用中与激励光源波长的匹配，进而影响表面增强拉曼散射的增强因子(EF)及探测灵敏度。

另外，作为表面增强拉曼散射效应的主要载体，金属纳米结构直接决定着表面增强拉曼散射基底的增强能力。在已报道的文献中，表面增强拉曼光谱已达到单分子探测水平，具体方式实现有两种，一种是通过混合金属纳米粒子(如：金纳米粒子和银纳米粒子)聚集产生的“热点”(hot spots)的方式实现，这种方式的表面增强拉曼散射的增强因子可达10¹⁴-10¹⁵；另一种利用金属纳米粒子的二聚物来实现，这种二聚物粒子间的间隙在几个纳米的范围内，增强因子可达10¹¹-10¹²，与这种方式较为相近的就是针尖增强拉曼光谱(TERS)，利用金属针尖处产生的高的场增强并控制针尖与基底的距离(纳米范围内)来实现。上述几种方式所产生的“热点”较为随机且相对于整个基底来说是非常小的，导致了表面增强拉曼光谱的探测效率，可重复性、稳定性较差。因此高增强因子(均匀增强)、高稳定性的表面增强拉曼散射活性基底是制约着表面增强拉曼光谱实用化的关键因素。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法及应用方法，通过结合纳米球光刻技术和反应离子刻蚀工艺，严格控制刻蚀气体气流量、功率及时间，制备得到结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm的三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片，并利用此芯片实现了10nM浓度若丹明6G分子的快速检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的制备方法，该方法的步骤如下：

步骤(1)在经清洗、亲水化处理后的1cm×1cm的双面精抛光石英基底表面均匀的自组装一层聚苯乙烯纳米球；所述聚苯乙烯纳米球直径为430nm。

步骤(2)采用反应离子刻蚀工艺对制作的纳米球自组装层进行刻蚀，改变纳米球的间隙的尺寸大小；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体流量为20SCCM；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀功率为5～8W；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀时间为165s～240s；所述反应离子刻蚀工艺中采用的刻蚀气体为氧气。

步骤(3)利用刻蚀后的纳米球作为模具，利用真空镀膜机在2～3×10^-4Pa的真空度下在其表面沉积一层50nm厚的银薄膜。

步骤(4)通过Lift off工艺去除纳米球自组装层，得到三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片。

所述步骤(1)中的自组装方式为旋涂法或静电自组装法或漂移法。

所述步骤(3)中的银纳米薄膜的沉积时间为13s。

所述步骤(4)中的三角形银纳米阵列排布的表面增强拉曼芯片的结构周期为430nm，粒子直径为160nm，局域表面等离子体共振波长为780nm。

上述制备方法制得的高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的应用方法，所述高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片在用于检测溶液中的若丹明6G分子时，最低能够检测出溶液中10nM浓度的若丹明6G分子。

其中，以无水乙醇作为溶剂配置10nM浓度的若丹明6G溶液，将10微升浓度为10nM的若丹明6G溶液滴在该高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片上，待无水乙醇试剂挥发后做拉曼光谱分析。

其中，所述同一高灵敏度、高稳定性表面增强拉曼芯片的7处不同位置处10μM浓度的若丹明6G分子的拉曼光谱曲线，其特征峰值强度的偏差为±3％。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：