[发明专利]利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法

说明书

本发明提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，所述基底上设有一个环形的凹槽，凹槽中填充一层吸水层，SERS活性物质渗透吸附于吸水层，凹槽的中间为基底中心。其中基底采用双重高度差设计，凹槽的外缘的高度h1大于基底中心的高度h2，基底中心的高度h2大于凹槽的底部的高度h3。进一步的，采用双重复合材料优化吸水层，提高凹槽通道内的均匀性以降低检测过程中的信号波动。本发明克服了现有技术中SERS基底均一性差、适用范围窄、可控性差、制样效率低等问题，利用“咖啡环”效应实现高灵敏度并可有效控制待测液滴沉积形态尺寸、提升均一性、拓展检测区域、提高制样效率。

技术领域

本发明涉及光谱技术领域，具体地，涉及一种利用咖啡环效应的高效富集SERS(表面拉曼散射增强)基底及其制备方法，可以应用于液态样品快速检测。

背景技术

增强灵敏度、信号均一性是决定SERS基底性能的最重要的两个指标，关系着SERS检测、后续结果分析的准确性。根据SERS效应的增强机制，一定条件下，单位面积/体积内SERS活性物质密度越大，基底的增强灵敏度越高；这是获得高灵敏度SERS基底最经济的策略之一。为了提高SERS活性物质的密度，有些研究者在SERS检测中采用无机盐诱导、磁场诱导等方式使SERS活性物质集聚。然而，上述的无机盐诱导法存在引入干扰物质的风险；磁场诱导法仅适合于磁性物质，限制了适用范围。

液态的SERS活性物质具有自发形成“咖啡环”的特性。“咖啡环”效应是一个生活中普遍存在的物理现象，即当液滴滴加在固体表面时，悬浮于液滴中的微粒会随着液体的蒸发过程发生运动并集聚在液滴的边缘处，最终形成一个的环状区域。“咖啡环”效应的原理可通过三相接触线(Three-phase contact line,TCL)模型解释：液滴的蒸发过程中，其三相接触线始终保持固定；液滴中心将不断向液滴边缘补偿蒸发损失量，促使液滴中心的颗粒伴随蒸发补偿引起内部流动而向液滴边缘聚集，并最终产生环状的微粒高密度区域。“咖啡环”效应适用范围广，适用于大部分液态SERS活性物质。一些SERS基底利用了“咖啡环”效应的自组装特性实现了SERS基底的灵敏度提升。然而在没有外加控制的情况下，“咖啡环”效应在形成“咖啡环”的过程中容易受到基板界面平整度、液滴滴落过程、蒸发条件等因素的影响，会导致SERS活性物质分布不均匀、“咖啡环”形状不规则等问题。根据研究，自发形成的咖啡环图案的高密度沉积区域宽度仅为30μm，略宽于大型共聚焦拉曼光谱仪激发光斑直径、远小于便携式拉曼光谱直径。SERS基底的有效检测区域面积狭窄会造成SERS光谱采集过程中取点困难、收集信号波动大等问题，加大了拉曼信号采集难度、降低了检测的可靠性。此外，液体蒸发过程缓慢，严重制约了SERS检测样品的制样效率以及现场化快检的能力。

综上所述，无机盐诱导、磁场诱导或利用液体自发的“咖啡环”效应可以实现SERS活性物质的高密度沉积，实现SERS基底的灵敏度提升。然而，前两者或存在引入干扰物质的风险，或适用范围窄，后者难以保证待测液滴沉积形态尺寸、制样效率以及检测区域大小等。此外，这些方法在追求高灵敏度的同时，大大牺牲了基底的均一性，造成了信号增强波动大、检测结果不可靠等。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，实现双重富集、提高沉积均匀性以及提升制样效率。

根据本发明的一个方面，提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2h3。