[发明专利]基于碳纳米管阵列和金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射活性基底

说明书

技术领域

本发明属于纳米光子学领域，具体涉及表面增强拉曼散射光谱技术。

背景技术

拉曼散射是光子发生的一种非弹性散射现象。一束光照射在物质上，光子会被构成该物质的原子或分子散射，其中绝大部分的散射光子会以原有的频率能量散射出去，这部分散射属于弹性散射，即散射光是与激发光波长相同的成分，称为瑞利散射。但是会有小部分散射光子的能量或变大或变小，即散射光有比激发光波长长的和短的成分（大约有占总散射光的10^-10-10^-6的散射），这种散射属于非弹性散射，称为拉曼散射。拉曼散射反映的是分子的振动、转动或电子态能量的变化。因此，根据光子频率变化就可以判断出分子中所含有的化学键或基团，从而鉴别物质，分析物质的性质。

但是，拉曼散射的散射面积小，信号微弱，难用于单分子检测。

表面增强拉曼散射光谱（SERS）是指粗糙的贵金属表面在外界电磁场激发下会放大增强吸附在其表面的分子拉曼散射光谱信号的一种现象。与普通拉曼散射信号相比，表面增强拉曼散射信号的强度最高可以到放大10¹⁴-10¹⁵，灵敏度高，足以满足单分子拉曼散射信号的探测。

为了获得对单分子拉曼散射信号的高灵敏度探测，表面增强拉曼散射活性基底应具备：（1）足够大的表面积，以吸收更多的分子，增强拉曼信号；（2）足够多的金属纳米结构，以增强局部电场，从而增强拉曼散射信号。传统的SERS基底是利用纯金属纳米结构，特别是Ag，Au的各种形貌如纳米颗粒，纳米管线，纳米棒，纳米薄膜，纳米管，纳米球等。最近，纳米材料的混合结构——绝缘材料为核，金属纳米颗粒为壳的结构，引起越来越多的关注。例如：利用ZnO的纳米阵列和纳米棒，SiO2纳米光纤和纳米棒，Si纳米线，Ga2O3纳米线，TiO2纳米阵列以及聚合体等作为模板来制作混合纳米结构。传统上通常采用电化学粗糙金属薄膜，沉积粗糙金属薄膜在冷/热基底上，喷金属胶体在基底上，平版印刷技术制备纳米结构，多孔阳极氧化铝（AAO）模板法。但是，制备的活性基底差不多是平面的，表面积有限。

为了吸附更多的物质分子，碳纳米管被提出来。碳纳米管具有表面积大，更稳定，易于大面积合成，且制备成本低廉的优点。2010年，清华大学姜开利教授研究组报道了利用排列规则的碳纳米管薄膜一维纳米结构作为SERS基底。

发明内容

本发明的目的正是为了解决表面增强拉曼散射活性基底表面积小的问题，提出的一种基于碳纳米管阵列和金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射活性基底的新方法，由于碳纳米管阵列垂直生长，可吸附更多的纳米颗粒，表面积更大。

本发明采用以下技术方案来实现：

本发明提出的基于碳纳米管阵列和金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射活性基底，其包括硅基底、催化层、碳纳米管阵列和金属纳米颗粒，所述催化层通过溅射沉积在硅基底上，所述碳纳米管阵列沉积在催化层上，所述金属纳米颗粒沉积在碳纳米管阵列上。金属一般是金银铜等贵金属。

制备以上基底的方法是首先在硅片上沉积一层金属作为催化剂；采用化学气相沉积方法，通入碳源气反应，长出碳纳米管阵列。然后通过电镀/化学沉积等方法将金属纳米颗粒沉积在碳纳米管阵列表面，从而实现表面增强拉曼散射活性基底制作。

待测分子吸附在所述活性基底上，在激励光源的照射下，在所述活性基底表面产生的局域电磁场将被增强，由于拉曼散射强度与分子所处光电场强度的平方成正比，因此极大地增加了吸附在表面的分子产生拉曼散射的几率，使表面吸附分子的拉曼散射信号显著增强。

本发明得到的表面增强拉曼散射活性基底具有吸附物质分子表面积大，制作简单，成本低，无污染等优点。首先，碳纳米管阵列作为金属纳米颗粒附着的媒质，具有新颖性，表面积大；再者，碳纳米管阵列直径、长度利用现有的方法可控；第三，碳纳米管阵列制备成本低廉，无污染。这样本发明从理论上、实现可行性上都将对表面拉曼散射光谱的应用提供一种新的活性基底方法。

附图说明

图1是基于碳纳米管阵列和金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射活性基底；

图2是本发明的活性基底中碳纳米管阵列和金属纳米颗粒平面位置示意图；

图3是本发明在表面增强拉曼散射光谱应用中的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步阐述：