[发明专利]一种表面增强拉曼光谱活性基底的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种表面增强拉曼光谱和微加工技术，特别是涉及一种高均一性、高活性表面增强拉曼光谱基底的制备方法。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种具有高灵敏度并且具有分子识别能力的光谱技术，其灵敏度比普通拉曼高10⁶个数量级。除了灵敏度较高外，SERS与其他的光谱技术比起来有以下几个特点：1、必须在粗糙化的金属表面才能有增强，而且一定是纳米级粗糙化才能有较好的增强；2、金属基底多为金、银、铜3种金属，这3种金属增强效果最好；3、分子必须吸附于基底表面，因为随着离开表面距离的增大，信号以指数的趋势衰减；4.拉曼信号来自于分子本身的震动，不需要借助标记物来得到信号，是一种非标记光谱。由于表面增强拉曼高灵敏、无需标记等优点，使得其在生物分子检测、传感器以及药物检测等的方面有广泛应用，最近比较有代表性的工作如Inhee Choi等发表在《Lab Chip》2011，11，632-638上的工作，以及Jianfeng Li，Zhongqun Tian等在《Nature》上发表的Shell-Isolated Nanoparticle-Enhanced Raman Spectroscopy，2010，464，392-395。

由于SERS检测需要粗糙的金属表面，因此为了提供这种表面SERS基底成为了必要的条件。目前该领域的表面增强拉曼基底制备方法有以下几种：

1.电化学氧化还原粗糙法

该方法通常在某些电解质溶液中，如在氯化钾，硫酸溶液中对预粗糙的金属电极施加一定的电位或电流信号，使电极发生氧化和还原，从而使表面粗糙化。该方法可以使很多电极表面产生强的SERS增强效应，如Au、Ag、Cu、Fe、Co、Ni、Rh、Pd、Pt等，在SERS发展过程中曾被广泛应用。但该方法有明显缺点，制备的粗糙电极的表面形貌不均匀，形貌无序、尺度和形状不易控制，导致SERS信号在不同位置的均匀性较差。

2.合成纳米粒子法

随着纳米技术的发展，各种各样的制备不同形状和大小的金属纳米粒子的方法应运而生。该方法的优点之一是纳米粒子的尺度和形状在一定程度上可控，光学性质可以方便地通过粒子的尺寸和形状进行调控，从而找到不同激发光下增强效应最好的基底；优点之二是纳米粒子具有很好的增强效应，最显著的粒子是80nm左右的银溶胶具有高达10¹⁴左右的增强，这种粒子已被应用于单分子检测中。但是合成过程中通常需要加入保护剂以保证纳米粒子形成特定的尺寸和形状，并使其分散均匀，所以纳米粒子表面通常会吸附一层保护剂分子，在用做SERS基底时，尤其在检测吸附能力较弱的分子时，保护剂的吸附将严重干扰其它分子的研究，对于吸附能力强的分子，干扰将大大减少甚至可以忽略。这是该方法的缺点之一。为了克服这一缺点，使纳米粒子得到更广泛的应用，各种各样的除杂方法也涌现出来，如碘取代法，即利用碘离子的强吸附能力取代保护剂分子，再利用碘离子易氧化脱去的特点得到干净表面；多次离心清洗去除多余的保护剂和反应物；施加负电位使保护剂分子脱附等。该方法的缺点之二是信号的均匀性不够好，因为纳米粒子的增强效应除了与形状和尺寸相关外，与粒子间的SPR耦合效应也密切相关，所以不同的聚集状态会导致不同的增强。为了克服这一缺点，目前发展的方法包括：纳米粒子组装法，即通过偶联分子使纳米粒子均匀分散在一些固体表面；多层组装法，即使纳米粒子以最大的耦合状态多层紧密堆积在一些固体表面。如中国专利200610008767.4报道的工作。

3.有序SERS基底制备方法

上面提到的方法在基底均匀性方面都比较差，为了使SERS技术能发展成一个普适的方法，基底的有序性、重现性、稳定性、光学性质易调性(满足不同激发光波长)、增强效应强和大规模制备是必须的，因此有序SERS基底的制备方法受到重视并得到了很大发展，目前主要有以下几个方法：模板法、纳米粒子有序组装法和平板印刷法。这些方法的发展也使得理论计算能更准确地模拟实际基底的特征，使理论和实验更好地关联起来，辅助人们深入理解SERS效应。