[发明专利]银纳米花在纤维上的一步溶液相组装方法

说明书

本发明涉及一种高效纤维状SERS基底的实现方法，具体涉及一种富含纳米缝隙的银纳米花在石墨烯等纤维上的自组装方法。方法以烧杯为反应器皿，加入去离子水，将纤维悬吊至恰好能完全浸没到反应液中；在冰水浴和磁搅拌的条件下，利用硝酸银、PVP、柠檬酸和抗坏血酸四种药品在5min内合成银纳米花与纤维的组装结构。该复合纤维具有灵活轻便和机械稳定性好的特点，是一种高效柔性SERS基底，对罗丹名6G的探测极限可达10^‑12M。本发明涉及的冰水浴和磁搅拌条件可以用常温和手动搅拌代替，而且在采用自然纤维的情况下，SERS基底的成本降为5分/个。该方法具有简单快速、低成本且可批量生产的优点，在资源受限的区域存在极大的应用优势。

技术领域

本发明涉及一种银纳米花在纤维上的直接组装方法，一种富含纳米缝隙的高效纤维状表面增强拉曼散射(SERS)基底的实现方法，一种简单快速、低成本且可批量生产的纤维SERS基底加工方法。具体涉及一种富含纳米缝隙的银纳米花在石墨烯等纤维上的“一步溶液相”自组装方法。本发明将应用于拉曼探测中，采用合成的富含纳米缝隙的纤维实现快速超灵敏的SERS探测。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS)，因其可以快速超灵敏地提供分子的内在结构信息，作为一种强有力的分析工具被广泛应用于传感、环境检测、生物医学、食品安全、痕量分析乃至单分子检测等领域。通常，探针分子的拉曼信号可以通过与基底化学成键和/或电磁相互作用两种机制实现信号的大幅度增强。其中，电磁增强机制是利用金属纳米颗粒的表面等离子体振荡来增强拉曼信号的，在SERS探测领域存在广泛的应用。金属在入射光的作用下可以产生表面等离激元-自由电子的集体振荡。当金属纳米结构中富含纳米尺度的缝隙时，会在纳米缝隙处产生极大的局域电磁场增强，形成“热点”效应，有利于实现表面增强拉曼信号的增强，所以金属纳米结构的“热点”效应被广泛地用来提升局域SERS探测灵敏度。通过在微纳光学结构中引入热点效应，SERS的探测灵敏度可以接近单分子探测水平。然而，SERS基底的制备依然存在工艺复杂、对设备要求较高、难以批量生产的局限，限制了进一步实际应用。

SERS基底的性能极大地影响和决定了拉曼信号的探测性能。为了实现高灵敏的SERS探测，各种各样富含纳米缝隙的SERS基底被设计和实现。根据载体的形貌，将其大致分为两类：二维平面载体微纳结构和一维纤维载体微纳结构。针对二维平面载体，研究者开发了纳米刻蚀、自组装和模板技术等加工手段，这些手段各有优缺点。纳米刻蚀方法可实现精细调控及有序的金属阵列结构，但不利于大量生产；自组装方法具有低成本、操作简单的优点，但调控方面稍显不足；模板技术技术具有可大量生产和精细调控优点，但后期处理麻烦，工艺流程复杂，容易破坏模板内的纳米结构。

由于纤维具有柔性好、灵活轻便、低成本、表面利用率高的优点，基于纤维实现的微纳结构也受到SERS研究者们的青睐。通过利用光纤的导光特点，研究者们将不同端面的光纤与金属纳米颗粒结合，制备成灵活小巧的SERS探头或小型的拉曼光谱仪(参考非专利文献1-4)。此外，低廉的化学纤维与金属纳米颗粒结合制备纤维状SERS基底的方法也备受关注。Jonathan Mbah利用恒温振荡培养方法在碳纤维表面吸附0价银粒子做成SERS基底，存在银颗粒浓度偏小、热点浓度较低的问题(参考非专利文献5)；Sudip Malik组利用浸没方法在聚苯胺纤维表面吸附了一些已经合成好的银纳米颗粒实现SERS基底，该方法需要两步完成而且银纳米颗粒的组装效率较低(参考非专利文献6)；Wang等人将溅射有银纳米颗粒的多孔氧化锌纳米片嫁接到灵活的碳纤维布上，制成高效SERS基底(参考非专利文献7)，该方法工艺复杂，且需要使用原子层沉积(ALD)等大型设备；Pan等人在PmPD和PAN纳米纤维上实现银纳米片组装结构的SERS基底(参考非专利文献8)。总的来说，纤维状SERS基底“热点”数量和均匀度都有待提高，并且现存的制备方法大都是复杂的多步合成法，在批量生产方面也有待优化，限制了其实际应用。