[发明专利]基于介电高弹聚合物的表面增强拉曼散射活性薄膜及方法

说明书

本发明公开了一种基于介电高弹聚合物的表面增强拉曼散射活性薄膜及方法。在拉伸后的介电高弹聚合物膜上制备由单个贵金属纳米颗粒紧密排列的形成的SERS活性层，再在薄膜下制备由碳硅脂或导电水凝胶形成的柔性工作电极。在介电高弹聚合物膜上面两面施加电压，可驱动薄膜产生的形变，调控负载在其上的贵金属纳米颗粒的间隙，实现复杂液体样品中的有机小分子化合物选择性的吸附和封闭在上述间隙中。本发明结合在可见/近红外光激发下颗粒间隙形成局域电磁场热点，使得封闭在颗粒间的待测物分子的拉曼信号将被放大，利用拉曼光谱仪实现对上述分子的快速高效检测。

技术领域

本发明涉及了一种基于介电高弹聚合物的表面增强拉曼散射(SERS)活性薄膜及其制备方法，具体涉及利用外加电压驱动介电高弹聚合物产生的形变，调控负载在其上的贵金属纳米结构中的局域电磁场“热点”区域的开合状态，实现小分子化合物选择性检测的应用。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)光谱具有极高的检测灵敏度，可实现单分子检测，并且具有很高的选择性，因每个分子都有唯一对应的光拉曼光谱指纹，由此可见其广阔的应用前景。SERS效应主要来源于具有表面等离激元特性的金属纳米结构尖端和间隙处产生很强的局域电磁场(SERS“热点”)。处在SERS热点之中的分子，其拉曼信号强度近似提高到电场强度增益的四次方倍(I∝|E|⁴/|E₀|⁴)。通俗的讲,这些金属纳米结构，也称SERS基底，起到了将入射光“聚焦”的作用，是应用SERS技术的必不可少的条件。常用SERS的基底分为三类：第一，溶胶型SERS基底指金属纳米颗粒溶胶；第二，刚性SERS基底指由刚性材料(玻璃、硅片)支撑的金属纳米结构；第三，制备在较低弹性模量的柔性材料上的柔性SERS基底。这些SERS基底为SERS技术的应用奠定很好基础。

一个经常被忽略的问题是：SERS增强作用只在SERS“热点”附近处较为显著，而SERS“热点”是一个非常狭小(纳米/亚纳米尺度)、近乎封闭的三维空间。因此，如何克服其巨大的空间位阻效用，使待测物分子进入这个区域，是获得高质量SERS信号的关键。为了解决上述的难题，目前己有一些相关的尝试，如:在SERS基底表面进行化学修饰，通过改变其表面电荷、亲/疏水性等，增加SERS“热点”其对待测物分子的吸能力。

介电高弹聚合物(DE)作为一种电场型电活性聚合物，在外加电压的剌激下可产生很大的形变(最大可达380％)。而当外加电压撤销后，又能迅速恢复到原始状态，具有机电转换效率高、弹性能密度大、响应速度快、质量轻、价格低等优点，广泛应用于各种驱动器和能量收集装置。此外，由于介电高弹聚合物环境适应性强、易于成形和不易疲劳损坏，是一种可用于传感器设计的理想材料。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于介电高弹聚合物的表面增强拉曼散射(SERS)活性薄膜及其制备方法，利用气/液界面自组装技术在介电高弹聚合物膜上制备具有SERS活性的金属纳米结构，以及利用介电高弹聚合物所具有的电致形变的特性，控制金属纳米结构中SERS“热点”的开合状态，使待测分子能更顺畅的进入SERS“热点”，实现小分子化合的选择性富集与检测。

本发明的技术方案如下：

一、一种基于介电高弹聚合物的表面增强拉曼散射活性薄膜：

包括介电高弹聚合物膜，拉伸后固定于支架上；

包括表面增强拉曼散射活性金属层，形成于介电高弹聚合物膜上表面，是由单个金属纳米颗粒为基本结构单元紧密排列/有序阵列构成的金属纳米颗粒阵列，颗粒间形成SERS热点；

包含柔性电极，由碳脂或导电水凝胶涂覆于介电高弹聚合物膜下表面形成，采用石墨或导电水凝胶等材料构成。

本发明是在介电高弹聚合物膜上置有由单层纳米颗粒阵列构成的SERS活性层，再其置有柔性导电电极以及相应导电，用于外加电压驱动其发生形变。