一种表面增强拉曼基底及其制备方法与应用

摘要

本发明公开了一种表面增强拉曼基底及其制备方法与应用，表面增强拉曼基底，包括：金属基体，金属基体表面均布有若干凹型限位结构，每个凹型限位结构内填充有若干个金属纳米颗粒，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的直径比为1.01‑1.5:1；所述凹型限位结构的侧面与底部垂直。该拉曼基底可以实现表面增强拉曼信号的高精度、高灵敏度、可重复性测试。

权利要求

1.一种表面增强拉曼基底，其特征在于：包括：金属基体，金属基体表面均布有若干凹型限位结构，每个凹型限位结构内填充有多个金属纳米颗粒，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的直径比为1.01-1.5:1；凹型限位结构的深度与金属纳米颗粒的粒径比例为2-10；

所述凹型限位结构的侧面与底部垂直；

所述金属基体和金属纳米颗粒的材质为金、银、铜或铂。

2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于：所述凹型限位结构在金属基体表面呈阵列式分布。

3.根据权利要求2所述的表面增强拉曼基底，其特征在于：所述阵列式分布为矩形阵列式、三角形阵列或圆形阵列。

4.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于：所述金属纳米颗粒的粒径为

1nm-100nm。

5.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于：所述金属纳米颗粒的粒径为

5-30nm，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的粒径比为1.05-1.3:1。

6.根据权利要求1所述的表面增强拉曼基底，其特征在于：相邻凹型限位结构之间的间距为5nm-1000nm。

7.权利要求1-6任一所述表面增强拉曼基底的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：采用飞秒激光在金属基体表面加工凹型限位结构阵列；

将金属纳米颗粒溶液滴加在加工有凹型限位结构阵列的金属基体表面；

采用刮板将金属纳米颗粒溶液在金属基体表面刮涂均匀，金属纳米颗粒在虹吸作用下进入凹型限位结构内部；

清除金属基体表面的多余的金属纳米颗粒溶液，即得。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述飞秒激光的功率为10-100mW，扫描速度为0.1-50mm/s，刮涂速度为0.1-100mm/s。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：金属纳米颗粒溶液的浓度为5%-35%。

10.权利要求1-6任一所述的表面增强拉曼基底在制备癌症初期诊断探针中的应用。

说明书

一种表面增强拉曼基底及其制备方法与应用

技术领域

[0001] 本发明属于生物检测技术领域，尤其是涉及一种表面增强拉曼基底及其制备方法与应用。

背景技术

[0002] 公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

[0003] 表面增强拉曼散射(SERS)是指在特殊制备的一些金属良导体表面或溶胶中，在激发区域内，由于样品表面或近表面的电磁场的增强导致吸附分子的拉曼散射信号比普通拉曼散射信号大大增强的现象，广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取向及构型、构象研究、结构分析等，可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸附态的变化、界面信息等。

[0004] 目前常用的拉曼活性基底，如，电化学粗糙化的贵金属活性电极基底、贵金属溶胶活性基底、真空蒸镀贵金属岛膜活性基底以及化学刻蚀和化学沉积贵金属的活性基底，这些自组装活性基底提供的表面粗糙度难以控制，影响了吸附分子光谱的稳定性、均一性和重复性。发展而来的有序表面纳米结构的方法，虽然可以在一定程度上提高纳米结构的有序性，但是表面增强拉曼信号的精度和灵敏度相对较差，在检测某些浓度较低的物质。

发明内容

[0005] 针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种表面增强拉曼基底及其制备方法与应用，该拉曼基底可以实现表面增强拉曼信号的高精度、高灵敏度、可重复性测试。

[0006] 为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

[0007] 一种表面增强拉曼基底，包括：

[0008] 金属基体，金属基体表面均布有若干凹型限位结构，每个凹型限位结构内填充有若干个金属纳米颗粒，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的直径比为1.01-1.5:1；

[0009] 所述凹型限位结构的侧面与底部垂直。

[0010] 通过凹型限位结构和纳米颗粒的协同作用，实现1+1>2的功能，具体机理如下所示：凹型限位结构之间可以产生“热点”，激发等离子体共振，实现增强拉曼信号强度的功能；此外，金属纳米颗粒之间可以产生“热点”，凹型限位结构又可以对金属纳米颗粒起到限位作用，使金属纳米颗粒在大面积上保持有序性和一致性，实现拉曼信号的稳定性和可重现性测试；再者，凹型限位结构和金属纳米颗粒之间也可以产生非常多的“热点”，进一步提高拉曼信号检测的精度和灵敏度。

[0011] 凹型限位结构的侧面与底部垂直，可以保证纵向方向尺寸一致，每层只能容纳一个金属纳米颗粒，且可以最大限度限制金属纳米颗粒的位置，最大可能保证纵向方向上金属纳米颗粒的有序性。

[0012] 在一些实施例中，所述金属基体和金属纳米颗粒的材质为金、银、铜或铂等。

[0013] 在一些实施例中，所述凹型限位结构在金属基体表面呈阵列式分布。

[0014] 进一步的，所述阵列式分布为矩形阵列式、方形阵列、菱形阵列、三角形阵列、六边形阵列或圆形阵列。

[0015] 在一些实施例中，所述金属纳米颗粒的粒径为1nm-100nm，凹型限位结构的深度为0.5nm-1000nm，凹型限位结构的深度与金属纳米颗粒的粒径比例为0.5-10。

[0016] 若比例小于0.5，金属纳米颗粒的大部分无法落入凹型限位结构，不能产生很好的限位作用；若比例过大，对飞秒激光加工深度要求过高，且深度太大时拉曼信号从凹型限位结构中释放的难度加大，影响拉曼增强效果。

[0017] 进一步的，所述金属纳米颗粒的粒径为5-30nm，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的粒径比为1.1-1.3:1。

[0018] 进一步的，相邻凹型限位结构之间的间距为5nm-1000nm。

[0019] 所述表面增强拉曼基底的制备方法，包括如下步骤：

[0020] 采用飞秒激光在金属基体表面加工凹型限位结构阵列；

[0021] 将金属纳米颗粒溶液滴加在加工有凹型限位结构阵列的金属基体表面；

[0022] 采用刮板将金属纳米颗粒溶液在金属基体表面刮涂均匀，金属纳米颗粒在虹吸作用下进入凹型限位结构内部；

[0023] 清除金属基体表面的多余的金属纳米颗粒溶液，即得。

[0024] 在一些实施例中，所述飞秒激光的功率为10-100mW，扫描速度为0.1-50mm/s，刮涂速度为0.1-100mm/s。

[0025] 在一些实施例中，金属纳米颗粒溶液的浓度为5％-35％。若浓度太低，金属颗粒含量太少，需要反复刮涂很多次才可以将凹型限位结构填满；若浓度过高，溶液黏度太大，流动性降低，凹型限位结构填充效果差。

[0026] 所述拉曼基底在制备癌症初期诊断探针中的应用。癌症病人会产生异于正常人的特殊物质并释放到体液中，但初期阶段该类物质在体液中浓度非常低，所以癌症初期诊断非常困难，因此需要精度和灵敏度更高的检测技术实现痕量或单分子拉曼信号检测，实现癌症等重大疾病在初期阶段的精确诊断。该拉曼基底作为诊断探针，可以用于精确诊断初期癌症。

[0027] 本发明的有益效果为：

[0028] 本发明通过有序的凹型限位结构调控纳米颗粒阵列的均匀性和有序性，该方法工艺简单，成本低；均匀性和有序性可以调控的纳米颗粒阵列，在大面积上具有非常好的一致性；均匀性和有序性可以调控的纳米颗粒阵列应用于表面增强拉曼检测，具有精度高、灵敏度高、信号可重复性强等优点。

附图说明

[0029] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

[0030] 图1为本发明实施例1的表面增强拉曼基底的剖视图结构示意图；

[0031] 图2为本发明实施例1的表面增强拉曼基底的俯视图结构示意图；

[0032] 图3为本发明实施例2的表面增强拉曼基底的制备工艺流程图。

[0033] 其中，110-金属基体；120-金属纳米颗粒。

具体实施方式

[0034] 应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

[0035] 需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

[0036] 实施例1

[0037] 一种纳米颗粒分布均匀性和有序性调控方法及其在表面增强拉曼检测中的应用，如图1所示，由金属基体110和金属纳米颗粒120组成，金属基体表面均布有若干凹型限位结构，每个凹型限位结构内填充有若干个金属纳米颗粒，凹型限位结构的内径与金属纳米颗粒的直径比为1.01-1.5:1，进一步为1.05-1.3:1；所述凹型限位结构的侧面与底部垂直。

[0038] 所述金属基体和金属纳米颗粒的材质为金、银、铜或铂等。

[0039] 所述凹型限位结构在金属基体表面呈阵列式分布，可以为矩形阵列式、方形阵列、菱形阵列、三角形阵列、六边形阵列或圆形阵列。

[0040] 金属纳米颗粒的粒径为1nm-100nm，如可以为1nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、100nm，进一步为5-30nm，如可以为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm。

[0041] 凹型限位结构的深度为0.5nm-1000nm，如可以为0.5nm、5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、
100nm、500nm、700nm、1000nm。

[0042] 凹型限位结构的深度与金属纳米颗粒的粒径比例为0.5-10，如可以为0.5、1、3、5、7、9、10。

[0043] 相邻凹型限位结构之间的间距为5nm-1000nm，如可以为5nm、10nm、15nm、20nm、25nm、30nm、35nm、40nm、45nm、50nm、55nm、60nm、65nm、70nm、75nm、80nm、85nm、90nm、95nm、
100nm、500nm、700nm、1000nm。

[0044] 实施例2

[0045] 一种纳米颗粒分布均匀性和有序性调控工艺流程如图2所示，通过飞秒激光加工、刮涂、擦拭等工艺步骤获得均匀性和有序性好的纳米颗粒阵列，并将其应用于表面增强拉曼检测。具体采用以下步骤：通过飞秒激光在金属基体110上加工凹型限位结构，然后采用刮涂方法将金属纳米颗粒120填入凹型限位结构，用酒精擦拭掉表面多余的纳米颗粒溶液，即可获得均匀性和有序性非常好的纳米颗粒阵列120，将其干燥后即得表面增强拉曼基底。该表面增强拉曼基底可以实现拉曼信号增强功能。在飞秒激光加工过程中，激光功率为10-
100mW，如可以为10mW、20mW、30mW、40mW、50mW、60mW、70mW、80mW、90mW、100mW。扫描速度为
0.1-50mm/s，如可以为1mm/s、5mm/s、10mm/s、15mm/s、20mm/s、25mm/s、30mm/s、35mm/s、
40mm/s、45mm/s、50mm/s。在刮涂工艺中，刮涂速度为0.1-100mm/s，如可以为0.1mm/s、5mm/s、10mm/s、20mm/s、30mm/s、40mm/s、50mm/s、55mm/s、60mm/s、65mm/s、70mm/s、75mm/s、80mm/s、85mm/s、90mm/s、95mm/s、100mm/s。

[0046] 金属纳米颗粒溶液的浓度为5％-35％(质量百分数)，如可以为5％、10％、15％、20％、25％、30％和35％。若浓度太低，金属颗粒含量太少，需要反复刮涂很多次才可以将凹型限位结构填满；若浓度过高，溶液黏度太大，流动性降低，凹型限位结构填充效果差。

[0047] 实施例3

[0048] 一种表面增强拉曼基底，金属基体110和金属纳米颗粒120材料为银，纳米颗粒直径5nm，凹型限位结构为圆柱形状，直径5.5nm、深度20nm，间距10nm，呈正方形阵列排布。

[0049] 飞秒激光的功率为70mW，扫描速度为15mm/s，金属纳米颗粒溶液的浓度为15％。

[0050] 实施例4

[0051] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，纳米颗粒直径为10nm，凹型限位结构直径为10.5nm。

[0052] 实施例5

[0053] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，纳米颗粒直径为20nm，凹型限位结构直径为20.5nm。

[0054] 实施例6

[0055] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的深度为30nm。

[0056] 实施例7

[0057] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的深度为40nm。

[0058] 实施例8

[0059] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的间距为50nm。

[0060] 实施例9

[0061] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的间距为100nm。

[0062] 实施例10

[0063] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的直径为6nm。

[0064] 实施例11

[0065] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的直径为7nm。

[0066] 对比例1

[0067] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的直径、深度、间距都为0nm，即没有凹型限位结构。

[0068] 对比例2

[0069] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的直径、深度、间距都为0nm，纳米颗粒直径为0nm，即没有凹型限位结构和纳米颗粒。

[0070] 对比例3

[0071] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的直径为8nm。

[0072] 对比例4

[0073] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的深度为55nm。

[0074] 对比例5

[0075] 一种表面增强拉曼基底，与实施例3相比，不同之处在于，凹型限位结构的深度为2nm。

[0076] 从不同样品表面随机选取9个位置进行拉曼信号表征，以罗丹明6G溶液为标记物，检测时，激光波长785nm，功率1mW，积分时间10s，计算1366-1峰处的拉曼信号增强因子。表1是实施例3-11、对比例1和2制备的纳米颗粒阵列拉曼信号增强因子、多点测试的相对标准偏差统计表。

[0077] 表1纳米颗粒阵列拉曼信号增强因子、多点测试的标准差统计表

[0078]

[0079] 以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。