一种表面增强拉曼散射基底及其应用方法

技术领域

本发明涉及新型功能材料制备应用技术领域，具体涉及一种表面增强拉曼散射基底及其应用方法。

背景技术

拉曼光谱分析法是对入射光激发后产生的非弹性的散射光谱进行采集分析，通过散射光的频移以得到分子振动等信息，并将其应用于分子结构分析表征的一种研究方法。上世纪70年代，Fleischman等首次发现分子在粗糙银表面的拉曼信号大幅度增强，这一现象被称为表面拉曼增强散射(Surface-enhanced Raman Scattering，简称SERS)。表面拉曼增强光谱可以很好的反映分子本身的特征结构，并具有高灵敏度、对样品的非破坏性、操作简便等优点，目前已被广泛应用于电化学、生物分析、传感、食品安全等领域。

但是，拉曼光谱本身信号强度很低，大大限制了其检测灵敏度和检测范围。表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS)光谱技术可使拉曼信号明显增强，提高其检测的灵敏度。然而研究人员在实验中也逐渐发现了SERS存在的两大普适性问题：一是基底材料的普适性，只有在金、银、铜和一些不常用的碱金属表面能得到较强SERS效应，除此以外的金属体系一直没能在实验中检测出高的SERS效应；二是表面形貌的普适性，只有在粗糙的或具有一定纳米结构的金属表面能得到高SERS活性，表界面研究中常用到的平滑表面乃至单晶表面均无法用于SERS研究，这使得SERS技术在很长一段时间内并未被表面科学家所认可。至此，拉曼光谱信号强度低的问题一直未被解决。

发明内容

为此，为了解决现有技术中的上述问题，本发明提出一种表面增强拉曼散射基底及其应用方法。

本发明通过以下技术手段解决上述问题：

一种表面增强拉曼散射基底的应用方法，包括如下步骤：

S1、将拉曼信号分子与金属纳米球原液充分搅拌，使拉曼信号分子偶联在金属纳米球表面，得到偶联了拉曼信号分子的金属纳米球溶液；

S2、利用EBL技术在平整的金膜上制备鱼骨结构；

S3、将所述S1中偶联了拉曼信号分子的金属纳米球溶液滴在所述S2中制备好的鱼骨结构上，进行超声和加热处理，避免出现金属纳米球团聚现象；

S4、通过扫描电子显微镜观察所述S3的结果，找出处于鱼骨结构中心区域的单个金属纳米球；

S5、用圆偏振光激发所述S4中单个金属纳米球处于其中心区域的鱼骨结构，用拉曼光谱仪收集拉曼信号分子的拉曼光谱信息，并对所收集到的拉曼光谱信息进行分析。

进一步的，所述S1中的选用对巯基苯甲酸作为拉曼信号分子。

进一步的，所述S1包括：

S11、用无水乙醇对金属纳米球原液进行稀释，用离心机对已经稀释后的金属纳米球原液进行离心，离心完成后去除上清液；

S12、对S11中去除上清液后的原液再次加入无水乙醇，再次进行离心操作，离心完成后去除上清液，加入去离子水；

S13、对S12中所完成后的溶液加入对巯基苯甲酸溶液，置于磁力搅拌机上搅拌，使对巯基苯甲酸分子与金属纳米球充分结合；

S14、对S13中所完成后的溶液加入去离子水稀释，并进行离心操作，以去除溶液中多余的未与金属纳米球偶联的对巯基苯甲酸分子；

S15、对S14中完成后的溶液，加入去离子水，得到偶联了对巯基苯甲酸分子的金属纳米球溶液。

进一步的，所述S2包括：

S21、准备玻璃基底，利用多控镀膜仪在玻璃城地上堵上Ti和Au；

S22、利用匀胶机将负性光刻胶均匀地旋涂在经过S21处理后的基底表面，加热使光刻胶完全固化；

S23、利用电子束曝光机对经过S22处理后的基底图形进行曝光；

S24、把经过S23处理后的基底浸泡在显影液中，除去没有被曝光的光刻胶；

S25、在进过S24处理后的基底上再次镀上一层金膜；

S26、将经过S25镀过膜的基底浸泡在除胶剂中，除去曝光区域的光刻胶及其上方的金膜，既完成鱼骨结构的制作。

进一步的，所述S5中所述激发拉曼光谱信息采用激光器照射，其包括：

S51、在激光器出口处放置一个偏振片，所述偏振片的轴向与激光的偏振方向相同；

S52、在偏振片后放置一个1/4玻片，使经过所述偏振片的出射光垂直入射到所述1/4玻片上，所述1/4玻片可活动，用以调节线偏振光的偏振方向与1/4玻片的慢轴方向的夹角。

进一步的，所述S52中：

当经过偏振片的线偏振光的偏振方向与1/4玻片的慢轴方向夹角为时，线偏振光可被转化为圆偏振光。

一种表面增强拉曼散射基底，包括：金属纳米球、玻璃基底、鱼骨结构，所述鱼骨结构设置于玻璃基底上，所述金属纳米球位于所述鱼骨结构的中心。

进一步的，所述鱼骨结构呈闭合环状设置于玻璃基底上。

进一步的，所述金属纳米球位于闭合环状的鱼骨结构中心。

进一步的，所述金属纳米球为金纳米球或银纳米球。

与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括：

本发明通过对鱼骨结构的制备、NPFS系统的组装进行了详细的介绍，研究了NPFS系统的SERS增强特性，经过对拉曼光谱的分析与讨论，得出实验结论：沿衬底表面传播的SPP场能够直接影响NPFS系统的SERS增强能力，球膜间隙处由鱼骨结构耦合的SPP场强度越大，系统的拉曼增强能力也就越大。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种表面增强拉曼散射基底的应用方法中S2所制备的鱼骨结构示意图；

图2是本发明一种表面增强拉曼散射基底的应用方法中S4所单个金属纳米球处于鱼骨结构中心区域的示意图；

图3是本发明一种表面增强拉曼散射基底的应用方法中通过S5步骤实验得出的拉曼光谱图。

图4是本发明一种表面增强拉曼散射基底中鱼骨结构示意图；

图5是本发明一种表面增强拉曼散射基底的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。需要指出的是，所描述的实施例子仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在此先引入两个概念：

其一，具有定向耦合SPP(Surface Plasmon Polariton，表面等离激元)功能的“鱼骨结构”，它是由多个亚波长大小的纳米槽组成，这些纳米槽是通过EBL(electron beamlithography，电子束暴光系统)技术在平整金膜上制备得来的。纳米槽交替排列，组成的衬底结构形状宛如鱼的骨头，因此我们称这种结构为“鱼骨结构”。由于鱼骨结构这种特殊的排列方式，使其具有了一种非常有趣的等离子体响应特性。即，沿鱼骨阵列左右两侧传播的SPP波的强度大小，可以通过入射光的偏振状态来控制。特殊地，当入射光为圆偏振光时，SPP波只朝鱼骨阵列的左侧或右侧单向传播，并且传播方向与圆偏振光的旋向有关。所述鱼骨结构的具体功能原理的数值模拟计算在本发明中不再赘述。

其二，“纳米颗粒-鱼骨结构(本文均简写为NPFS)”系统，在由金属膜和金属纳米颗粒组成的球膜系统(Nanoparticle on-mirror，NPOM)中，间隙处的局域电磁场增强是SPP和LSPR两种模式的相互耦合的结果，其中SPP模式是被动产生的，而且它的强度是比较弱的。鱼骨结构作为一种SPP定向耦合器，可以在衬底表面耦合传播的SPP场，并且场强度是比较大的。因此本发明将这种SPP定向耦合器与NPOM系统相结合，就到了一种新型的“纳米颗粒-鱼骨结构(Nanoparticle-Fishbone structure，NPFS)”系统。通过引入一个SPP耦合器的方式，来增强沿衬底表面传播的SPP场的强度，从而提高球膜间隙处的局域电磁场强度。

实施例

一种表面增强拉曼散射基底应用方法，包括如下步骤：

S1、将拉曼信号分子与金属纳米球1原液充分搅拌，使拉曼信号分子偶联在金属纳米球1表面，得到偶联了拉曼信号分子的金属纳米球1溶液。

作为优选，本实施例选用对巯基苯甲酸(4-MBA，分子式C

4-MBA分子可以有包括但不限于以下两种偶联方式，第一种是将4-MBA分子直接偶联到衬底表面，使其在衬底表面形成一层4-MBA分子膜，然后将金属纳米球1放置在分子膜上。用这种方式偶联4-MBA分子，在衬底各个地方都能收集到拉曼信号，而在有金属纳米球1的位置，由于球膜间隙处的局域场增强作用，会使处该处的4-MBA分子的拉曼信号明显高于其他位置。这样的偶联方式存在一定的弊端：首先，衬底会与4-MBA分子紧紧结合在一起，导致衬底不能够被循环使用。其次就是在收集信号的过程当中，激光光斑所覆盖的区域内所有的4-MBA分子的拉曼信号都能够被收集，这样就给实验带来了更多的不可控制因素。

所以，在本实施例中优选第二种偶联方式：是将4-MBA分子偶联到金纳米颗粒表面。4-MBA唯一的硫代小分子已经与金纳米颗粒表面相结合，因此与衬底表面之间不会结合在一起。用酒精将衬底表面的金纳米颗粒洗掉之后，衬底可以继续反复使用。另外这种偶联方式还有一种好处就是，只有在金属纳米球1所在的位置处才可以收集到拉曼信号，在衬底其他位置没有拉曼信号，这样就排除了非间隙处的4-MBA分子拉曼信号的影响，更有利于我们后续对拉曼光谱的分析。下面以具体实验来说明优选的第二种偶联方式：

S11、用无水乙醇对金属纳米球1原液进行稀释，用离心机对已经稀释后的金属纳米球1原液进行离心，离心完成后去除上清液；作为优选，在本实施例中，首先取500μL直径为200nm的金属纳米球1原液(在金球LSPR共振波长处，金属纳米球1原液每厘米光程的吸光度为2)，加入1000μL无水乙醇进行稀释，然后用离心机对加入了无水乙醇的金属纳米球1原液的混合溶液进行离心，转速1100r/min，时间5分钟。离心完成后去除上清液，加入1000μL的无水乙醇。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S12、对S11中去除上清液后的原液再次加入无水乙醇，再次进行离心操作，离心完成后去除上清液，加入去离子水；作为优选，在本实施例中，对所述S11中处理完成后的混合液再次进行离心，转速1100r/min，时间3分钟，离心完成后去除上清液，再加入去离子水，定容至1000uL。步骤S11、S12的目的是为了去除金属纳米球1自身包裹的以及金属纳米球1原液中过量的CTAB，防止CTAB阻挡4-MBA与金属纳米球1的结合。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S13、对S12中所完成后的溶液加入对巯基苯甲酸溶液，置于磁力搅拌机上搅拌，使对巯基苯甲酸分子与金属纳米球1充分结合；作为优选，在本实施例中，在经过步骤S11、S12洗涤过程的混合溶液中加入200μL浓度为40μmol/L的4-MBA溶液，然后放置在磁力搅拌机上搅拌3个小时，使4-MBA分子能够与金属纳米球1充分结合。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S14、对S13中所完成后的溶液加入去离子水稀释，并进行离心操作，以去除溶液中多余的未与金属纳米球1偶联的对巯基苯甲酸分子；作为优选，在本实施例中，经过S13搅拌反应完成后，在混合溶液中加入去离子水稀释并离心1-2次，同样离心转速1100r/min，每次离心时间3分钟。这一步是为了去除混合溶液中多余的未与金属纳米球1偶联的4-MBA分子。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S15、对S14中完成后的溶液，加入去离子水，得到偶联了对巯基苯甲酸分子的金属纳米球1溶液。作为优选，在本实施例中，经过S14最后离心完成后，加入去离子水，定容到1000μL，就得到了偶联4-MBA分子的金属纳米球1溶液。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S2、利用EBL技术在平整的金膜上制备鱼骨结构2；作为优选，所述S2包括：

S21、准备玻璃基底3，利用多控镀膜仪在玻璃城地上堵上Ti和Au；作为优选，在本实施例中，首先利用多控镀膜仪(型号：ASB-CPI-C6)在玻璃衬底上镀上5nm Ti和100nm Au。5nm Ti是为了使金膜与玻璃基底3结合得更牢固，100nm厚的Au膜是为了保证入射光不会从底部透射出去。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S22、利用匀胶机将负性光刻胶均匀地旋涂在经过S21处理后的基底表面，加热使光刻胶完全固化；作为优选，在本实施例中，利用匀胶机将负性光刻胶(AR-N 7520.17)均匀地旋涂在衬底表面，转速设置为3000r/min，时间设置为60s，此时的匀胶厚度为500nm，接着将衬底放在85℃的加热板上加热60s，使光刻胶完全固化。需要说明的是，该步骤内所设置的参数和选用的机器型号均为优选设置。

S23、利用电子束曝光机对经过S22处理后的基底图形进行曝光；作为优选，在本实施例中，利用电子束曝光机(美国Raith公司生产，型号：PIONEER TWO)对经过所述S21、S22处理后的图形进行曝光。曝光过程中要非常注意曝光时间、曝光速度以及曝光剂量等工艺参数的设置，这些参数将会直接影响到最终制备出来的图形质量。需要说明的是，该步骤内所选用的机器型号为优选设置。

S24、把经过S23处理后的基底浸泡在显影液中，除去没有被曝光的光刻胶；作为优选，在本实施例中，在经过所述S23电子束曝光结束后，把衬底浸泡在显影液(AR 300-46)中90s，除去没有被曝光的光刻胶，而曝光区域的光刻胶，由于受到电子束辐射会发生交链反应，从而不能够被显影液除去，这就达到了显影的效果。接着再将衬底用去离子水冲洗30s，完成定影过程。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S25、在进过S24处理后的基底上再次镀上一层金膜；作为优选，在本实施例中，在衬底上再次镀上一层140nm厚的金膜。金膜的厚度决定了最终制备的纳米槽的深度。140nm是模拟计算得到的纳米槽的最佳深度。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

S26、将经过S25镀过膜的基底浸泡在除胶剂中，除去曝光区域的光刻胶及其上方的金膜，既完成鱼骨结构2的制作。作为优选，在本实施例中，将经过S25镀过膜的衬底浸泡在除胶剂(AR 300-70)中90s，除去曝光区域的光刻胶及其上方的金膜。至此就完成了衬底结构的制备，也即完成鱼骨结构2的制备，如图1所示。需要说明的是，该步骤内所设置的参数均为优选设置。

需要说明的是，由于对EBL工艺的不熟悉，在制备鱼骨结构2的期间有可能遇到许多的问题，比如结构变形、边缘模糊以及尺寸误差大等，这些问题主要是由于邻近效应造成的。实验过程中可以通过以下两种方式来校正邻近效应：一种是优化曝光工艺，尝试不同的曝光剂量以及曝光速度。另一种方式是调整图纸的尺寸。将图纸设计的尺寸进行适当的缩小处理，从而弥补邻近效应带来的尺寸误差。

另外实验中造成最大困扰的是不能将顶部金膜除去的问题，在基底上我们已经成功制备出了纳米凹槽结构，然而凹槽结构顶部本该除去的金膜却仍然还存在于凹槽上方，这个问题由以下两种原因造成的：(1)可能是由于在第二次镀膜过程中，反应炉内温度过高，导致了光刻胶变性，从而不能够被除胶剂溶解。(2)可能是由于光刻胶的厚度太小，在第二次镀膜时，顶部的金膜边缘下垂并与衬底紧紧相连，从而不能够被除去。综合考虑以上两种因素，在实验当中，采取分次间断镀膜的方式，来排除由于温度过高造成的影响。增加匀胶的厚度，来避免上下两部分金膜可能出现的黏连现象。

需要说明的是，本发明所记载的S1、S2并无先后次序之分。

S3、将所述S1中偶联了拉曼信号分子的金属纳米球1溶液滴在所述S2中制备好的鱼骨结构2上，进行超声和加热处理，避免出现金属纳米球1团聚现象；需要说明的是，经过S1步骤制作出偶联4-MBA分子的金属纳米球1溶液，由于单个金属纳米球1具有较大的比表面积和表面能，处于不稳定的状态，系统会自动地向比表面积减少的方向变化。此外，纳米颗粒间还会受到静电力和范德华力的作用，这些因素都会导致金属纳米球1极易出现团聚的现象，而团聚现象的出现会引起纳米颗粒原本的物理性质发生改变，因此解决纳米颗粒团聚的问题是至关重要，

本实施例中采用了一种物理分散方式——超声波分散。它的作用原理是：超声过程中产生的强冲击波可以大大降低纳米颗粒间的纳米作用能，从而使纳米颗粒能够充分分散。在本实施例中，使用移液枪将金属纳米球1溶液滴在衬底表面。然后将衬底放入培养皿中并进行超声处理，同时进行适当的加热处理。加热的目的是为了加快溶液的挥发，当溶液完全挥发后停止超声。从实验可得知，金属纳米球1的分散性非常好，只有极少数的纳米粒子出现了二聚体或多聚体的团聚。

S4、通过扫描电子显微镜观察所述S3的结果，找出处于鱼骨结构2中心区域的单个金属纳米球1；作为优选，在本实施例中，通过扫描电子显微镜观察，找到满足条件的单个金属纳米球1。

由于衬底上的金属纳米球1是随机分散的，因此不能保证每一个鱼骨结构2中心都恰好有一颗金属纳米球1。对于这个问题，可以通过用外力推动的方式来控制金属纳米球1的位置。例如，可以利用原子力显微镜的探针将金属纳米球1推到合适的位置，最终，如图2所示。

S5、用圆偏振光激发所述S4中单个金属纳米球1处于其中心区域的鱼骨结构2，用拉曼光谱仪收集拉曼信号分子的拉曼光谱信息，并对所收集到的拉曼光谱信息进行分析。作为优选，所述S5中所述激发拉曼光谱信息采用激光器照射，其包括：S51、在激光器出口处放置一个偏振片，所述偏振片的轴向与激光的偏振方向相同；S52、在偏振片后放置一个1/4玻片，使经过所述偏振片的出射光垂直入射到所述1/4玻片上，所述1/4玻片可活动，用以调节线偏振光的偏振方向与1/4玻片的慢轴方向的夹角。作为优选，所述S52中：当经过偏振片的线偏振光的偏振方向与1/4玻片的慢轴方向夹角为±45°时，线偏振光可被转化为圆偏振光。

作为优选，在本实施例中，采用雷尼绍倒置共聚焦拉曼显微镜来进行拉曼光谱的测量，激发光波长为633nm，使用莱卡50倍长焦物镜(NA＝0.5)收集，聚焦状态下激光光斑大小为1.5μm。实验室中激光器的出射光为线偏振光，而本实施例中需要用到的是圆偏振光，因此需要将线偏振光经过一个1/4玻片转化为圆偏振光。

本实施例优选在激光器出口处先后放置一个偏振片和一个1/4玻片。偏振片的轴向要与激光的偏振方向相同，它的作用为了是滤掉其他偏振方向的杂散光。经过偏振片的出射光垂直入射到1/4波片上，当线偏振光的偏振方向与1/4玻片的慢轴方向夹角为±45°时，线偏振光就可以被转化为圆偏振光。圆偏振光的旋向可以通过夹角的正负来控制。于是，我们就可以通过控制1/4玻片的状态，使激发光在线偏振光、左旋圆偏振光和右旋圆偏振光之间来回切换，并且操作十分方便快捷。

在本实施例中，通过上述的一系列步骤，经过实验，分别以左旋圆偏振光、右旋圆偏振光和线偏振光去激发，在光谱测量的过程中，保持激发光功率、曝光时间、积分次数以及物镜聚焦状态不变。采集到的拉曼光谱分别如图3中L1(NPFS左旋圆偏振光激发下的拉曼光谱)谱线、L3(NPFS右旋圆偏振光激发的拉曼光谱)谱线和L2(NPFS线偏振光激发的拉曼光谱)谱线所示。此外，还采集了4-MBA分子在NPOM系统中的拉曼光谱，作为对照组，如图3中L4谱线所示。

从图3中可以看出，在NPFS系统中测得的三组拉曼光谱的强度都明显高于NPOM系统。在NPFS系统中，当以左旋圆偏振光激发时，SPP波朝鱼骨结构2中心区域传播，在金属纳米球1所在的位置处会有一个附加的SPP场。这个附加的SPP场会进一步增强球膜间隙处的局域电磁场，从而使间隙处的4-MBA分子的拉曼信号得到极大的增强，如图3中L1谱线表示。当以线偏振光激发时，鱼骨结构2耦合的SPP波朝结构中心及外围区域同时传播，球膜间隙处的附加SPP场强度会有所减弱，使得4-MBA分子的拉曼信号强度降低，如图3中L2曲线所示。当以右旋圆偏振光入射时，由于鱼骨结构2不能够实现完全的单向耦合，仍然会有一小部分的SPP波能够传播到鱼骨结构2的中心区域，在这一小部分SPP波的作用下，使得4-MBA分子的拉曼信号相对于对照组仍有一定的增强，如图3中L3曲线表示。

通过以上分析我们可以得出结论：沿衬底表面传播的SPP能够直接影响系统的SERS增强能力，球膜间隙处由鱼骨结构2耦合的SPP场强度越大，系统的拉曼增强能力也就越大。

如图5所示，本发明还提供了一种表面增强拉曼散射基底，包括：金属纳米球1、玻璃基底3、鱼骨结构2，所述鱼骨结构2设置于玻璃基底3上，所述金属纳米球1位于所述鱼骨结构2的中心。作为优选，所述鱼骨结构2呈闭合环状设置于玻璃基底3上。作为优选，所述金属纳米球1位于闭合环状的鱼骨结构2中心。作为优选，所述金属纳米球1为金纳米球或银纳米球，包括但不限于金纳米球和银纳米球。本发明中优选使用金纳米球。

作为优选，所述鱼骨结构2由多个亚波长大小的纳米槽组成，这些纳米槽是通过EBL技术在平整金膜上制备得来的。纳米槽交替排列，组成的衬底结构形状宛如鱼的骨头；选用200nm的金属纳米球1放置在鱼骨结构2的中心，金属纳米球1与衬底间距设置为1nm。所述鱼骨结构2由两列纳米槽组成，如图4所示。纳米槽的方向分别为θ

本发明介绍了4-MBA分子的两种偶联方式，比较了这两种方式的优缺点，详细介绍了4-MBA分子偶联到金属纳米球1表面的实际操作流程。对实验中用到的金纳米颗粒分散性控制的方法进行了介绍，只有运用超声分散法能够得到理想的单分散的纳米颗粒；另外又对鱼骨结构2的制备、NPFS系统的组装进行了详细的介绍，最后研究了NPFS系统的SERS增强特性，经过对拉曼光谱的分析与讨论，得出实验结论：沿衬底表面传播的SPP场能够直接影响NPFS系统的SERS增强能力，球膜间隙处由鱼骨结构2耦合的SPP场强度越大，系统的拉曼增强能力也就越大。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。