專利名稱：基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法
技術領域：
本發(fā)明屬于分子識別技術領域，涉及一類具有工藝簡單、操作簡便，增 強效果好，重復率高等特點的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法。
背景技術：
自從1974年Fleischmann等第一次在吡啶吸附的粗糙銀電極上觀察到表面 增強拉曼散射(SERS)現(xiàn)象以來，SERS研究得到了飛速發(fā)展。這主要是由于 SERS自身所具有的獨特性質(zhì)，既當待測分子吸附在粗糙金屬表面時拉曼散射 信號可以得到極大的增強，因此具有很高的靈敏性，能夠給出的是分子水平 上的信息，而且不需要高真空條件，選擇性好，采用非破壞性的光子為探針， 可以實時、實地的進行探測分析，這些都是其它分析工具所望塵莫及的。迄 今為止，SERS已被大量的應用于痕量分析和定性檢測，并且在與其它分析技 術的聯(lián)用上取得了一定的成功。此外，SERS還是目前獲得單分子體系光譜的 主要手段之一，對生物、醫(yī)學、化學等科學領域有重大的理論和實踐意義。 由于SERS效應是建立在探測分子吸附在粗糙金屬表面的基礎上，因此粗糙金 屬也就是SERS活性基底的制備是獲得SERS信號的前提，活性基底的性能對于 SERS的應用和研究領域起著重要的作用。理想的SERS活性基底應具有制備方 法簡便易行、表面粗糙度均勻、增強效果良好、足夠的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性等特 點。然而目前如何制備出符合要求的活性基底仍然是一個挑戰(zhàn)，普遍使用的 金屬膠體雖然有巨大的增強效果，但是缺點也同樣突出——制備流程繁瑣、 穩(wěn)定性和重現(xiàn)性差，而經(jīng)過表面粗糙化處理的金屬電極也有著增強效果不理想的致命弱點。氣相、液相沉積技術或者自組裝等手段也越來越多的被應用 到活性基底的制備方面并獲得了一定的進展，但總體來說仍然存在較大的問 題。鑒于此，開發(fā)出一種同時具備簡便易行、表面粗糙度均勻、增強效果良好，并有足夠的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性的活性基底勢在必行，這在拓寬SERS的應用 范圍，特別是推動其在痕量分析、定性檢測和單分子體系光譜等方面的應用具 有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決SERS技術在實際應用中存在的各種問題，進一步的拓寬SERS 的應用范圍，特別是推動其在痕量分析、定性檢測和單分子體系光譜等方面的 運用，本發(fā)明提供了一禾中新型的具有制備方法簡便易行、表面粗糙度均勻、 增強效果良好，并有足夠的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性等特點的一種基于硅納米孔柱陣 列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法本發(fā)明的技術方案是以下述方式實現(xiàn)的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，包 括以下技術步聚將電阻率小于5.0 Q'cm的P型單晶硅片置入高壓釜，填 充由濃度介于0.50-26.00 mo1/1的氫氟酸(HF)禾B 0.001~2.50 mo1/1的硝酸 鐵(Fe(N03)3)溶液組成的腐蝕液，高壓釜的溶液體積填充度為40~95%， 在溫度10 20(TC下腐蝕1分鐘~100小時，經(jīng)過上述水熱方法處理后即可制 備出活性基底所需的襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA);將放置時間為 0~240小時的Si-NPA置入0.0001 5.0mo1/1的金屬鹽溶液中浸漬1秒 36小時， 由于Si-NPA具有還原性可將溶液中的金屬離子還原成單質(zhì)并以納米顆粒 的形式在Si-NPA表面均勻沉積成各種圖案化結(jié)構(gòu)。浸漬過程可直接實施浸漬或氣氛保護下浸漬，浸漬完成后取出在室溫下空氣或保護氣氛下自然晾干或吹干備用，這種表面均勻沉積金屬納米顆粒的Si-NPA即為基于硅納米孔柱 陣列的表面增強拉曼散射活性基底。通過滴定或浸泡方法引入待測物質(zhì)，即 將含有待檢測物質(zhì)的溶液通過取液器滴定在通過上述方法制備的活性基底表 面或直接將活性基底浸泡在含有待檢測物質(zhì)的溶液中1分鐘~5小時，在室溫 下空氣或保護氣氛中晾干或吹干后，即可運用激光拉曼光譜儀對活性基底進 行檢測并獲得待測物質(zhì)的表面增強拉曼散射光譜。上述制備活性基底的方法 不但工藝簡單、操作簡便，而且該方法制備的活性基底對待檢測物質(zhì)的拉曼 信號有極大的增強作用，即對待檢測物質(zhì)具有極高的敏感性，可用于單個分 子水平的檢測，以典型的生物小分子腺嘌呤為例可檢測到的腺嘌呤極限濃度 不高于2X10"3M。所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方 法，其特征在于以水熱方法制備的硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底材料。所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方 法，其特征在于浸漬時使用的金屬鹽溶液為含有Ag+、 Au3+、 Cu2+、 Ni2+、 Pt+或P(P金屬離子的溶液。所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方 法，如采用氣氛保護下浸漬，其特征在于浸漬時往浸漬液中通入的保護氣體為氧氣、氮氣、氬氣、氫氣或其他惰性氣體。所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，其特征在于基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底對待檢測物質(zhì)的拉曼信號有極大的增強作用，即對待檢測物質(zhì)具有極高的敏感性， 可用于單個分子水平的檢測,以典型的生物小分子腺嘌呤為例可檢測到的腺嘌呤極限濃度不高于2 X 1(T13M。本發(fā)明制備的表面增強拉曼散射(SERS)活性基底與目前的其他的活性 基底相比較具有以下優(yōu)點本發(fā)明所基于的襯底材料為自主開發(fā)硅納米孔柱陣列(Si-NPA)，它不同 于其它的多孔硅等硅襯底材料。Si-NPA由大量均勻的、彼此很好分離的、微 米尺寸的硅柱組成，所有的硅柱垂直于樣品表面均勻排列并形成陣列結(jié)構(gòu)； 基于Si-NPA陣列化的硅柱可以獲得均勻的具有周期性的金屬環(huán)狀結(jié)構(gòu)、幕布 結(jié)構(gòu)、顆粒密堆結(jié)構(gòu)等，這對于SERS的實際應用或理論研究均意義重大。同 時，由于Si-NPA自身具有還原性，可以將溶液中的金屬離子還原成金屬納米 顆粒，并使其在Si-NPA表面沉積形成周期性的納米級粗糙的圖案化結(jié)構(gòu)，這 種結(jié)構(gòu)即為活性基底，這省去了其他活性基底制備技術所需的冗長程序、多 種設備及大量不同的試劑，所以制備工藝簡單，操作簡便易行，不存在由于 較多反應試劑而帶來的噪音問題。穩(wěn)定性方面由于金屬能夠深入到硅柱上的 孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部與Si-NPA形成良好接觸，故結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可長時間放置，不會出現(xiàn) 金屬膠體作為活性基底時由于檢測物的引入或者較長時間的放置而發(fā)生的團 聚現(xiàn)象，并具有一定的耐酸、耐高溫特性。最重要的是本技術制備出的活性 基底擁有類似以固體基質(zhì)為襯底的活性基底所不具有的特性，即對待檢測物 質(zhì)具有極高的敏感性，這不僅可以用于痕量分析、定性檢測而且可用于單個 分子水平的檢測。腺嘌呤是一種典型的生物小分子，是構(gòu)成核糖核酸(RNA) 和脫氧核糖核酸(DNA)所必須的基本堿基之一，鑒于SERS在生物、醫(yī)學 及相關領域的巨大應用，以腺嘌呤為探測分子衡量SERS活性基底的增強效果 很具代表性。根據(jù)目前的報道利用SERS可探測到的腺嘌呤極限濃度為3X1(T"M，而使用本方法制備的SERS活性基底對腺嘌呤進行探測發(fā)現(xiàn)當腺嘌呤 濃度低至2X10^M時仍能得到信號強烈、信噪比高、光譜內(nèi)容豐富的SERS 光譜。這充分的證明運用本方法制備的活性基底對探測分子進行SERS光譜檢 測有極高的靈敏性，在痕量分析、定性檢測甚至單個分子水平的檢測等方面 有極大的應用潛力。基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底同時具備簡便易行、 表面粗糙度均勻、增強效果良好，足夠的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性等特點，未來將在 生物、醫(yī)學、化學等科學領域，特別是在痕量分析、定性檢測和單分子體系光 譜等方面的擁有良好的應用前景。


圖1:為通過JEOL公司生產(chǎn)的型號為JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯 微鏡拍攝得到的四種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的形 貌照片。(a)為在Si-NPA表面每一硅柱的底部形成金納米環(huán)的Au/Si-NPA表 面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌圖、(b)為在Si-NPA表面均勻堆積形成的銀納米顆 粒密堆結(jié)構(gòu)的Ag/Si-NPA表面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌圖、(c)為在Si-NPA 表面均勻堆積形成的銅納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)的Cu/Si-NPA表面增強活性基底的 結(jié)構(gòu)形貌圖、(d)為在Si-NPA表面硅柱上均勻覆蓋一層鎳納米晶薄膜后的"幕 布"狀Ni/Si-NPA表面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌圖。圖2:利用Renishaw公司生產(chǎn)的Renishaw RM2000顯微拉曼光譜儀檢測 到的以Ag/Si-NPA為活性基底的2X10"M濃度的腺嘌呤的SERS光譜并與已 報道的腺嘌呤拉曼光譜進行比對吻合良好。條件為新鮮制備的 Si-NPA、氮氣氣氛中在0.001M的AgNO3溶液中浸漬10分鐘晾干放置到測試前，先用濃度為0.1M的KC1浸泡30分鐘再放入2X 10"M濃度的腺嘌呤溶液中 30分鐘后取出晾干進行測試，浸泡KC1可以排除拉曼譜中的雜質(zhì)峰并增加拉曼 峰強度。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。 實施例一1、 將電阻率為0.015 Q'cm的P型(lll)取向的單晶硅片置入高壓釜， 填充由濃度為8.00 mo1/1的氫氟酸和0.04 mo1/1的硝酸鐵水溶液組成的腐 蝕液，高壓釜的溶液體積填充度為95%，在溫度20(TC下腐蝕30分鐘，制 備出襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA);2、 將Si-NPA襯底置入lmo1/1的AuCl3去離子水溶液中浸漬10秒，取出 清洗后室溫下空氣中自然晾干，浸漬過程中向溶液中通氬氣，即得到在 Si-NPA表面每一硅柱的底部形成金納米環(huán)的Au/Si-NPA表面增強活性基底的 結(jié)構(gòu)形貌。其形貌特征如圖l(a)給出的、通過JEOL公司生產(chǎn)的型號為 JSM-6700F型掃描電子顯微鏡拍攝的照片所示。實施例二1、 將電阻率為O.lO^cm的P型(lll)取向的單晶硅片置入高壓釜，填 充由濃度為17.00 mol/1的氫氟酸和0.25 mol/1的硝酸鐵水溶液組成的腐蝕 液，高壓釜的溶液體積填充度為60%，在溫度10(TC下腐蝕16小時，制備 出襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA);2、 將Si-NPA襯底置入0.001 mol/1的AgN03去離子水溶液中浸漬10分 鐘，清洗取出后室溫下空氣中自然晾干，浸漬過程中向溶液中通氮氣，即得 到在Si-NPA表面均勻堆積形成的銀納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)的Ag/Si-NPA表面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌，在測試前，先用濃度為0.1M的KC1浸泡30分鐘再放 入2X 10'13M濃度的腺嘌呤溶液中30分鐘后取出晾干進行測試，浸泡KC1可 以排除拉曼譜中的雜質(zhì)峰并增加拉曼峰強度。其形貌特征如圖l(b)給出的、 通過JEOL公司生產(chǎn)的型號為JSM-6700F型掃描電子顯微鏡拍攝的照片所示； 2X 1(T13M濃度的腺嘌呤SERS光譜通過圖2給出的、利用Renishaw公司生產(chǎn) 的RenishawRM2000顯微拉曼光譜儀檢測。 實施例三1、 將電阻率為1.20Q'cm的P型(lll)取向的單晶硅片置入高壓釜，填 充由濃度為22.00 mol/1的氫氟酸和0.5 mol/1的硝酸鐵水溶液組成的腐蝕 液，高壓釜的溶液體積填充度為50%，在溫度80。C下腐蝕23小時，制備 出襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA);2、 將Si-NPA襯底置入摩爾濃度為0.1 mol/1的CuCl2酒精溶液中浸漬3 小時，取出后室溫下空氣中自然晾干，整浸漬過程中不向溶液中通任何氣體， 浸漬的同時輔以一功率為20W的柱狀低壓汞紫外燈進行輻照誘導提高銅的沉 積速度；既得到在Si-NPA表面均勻堆積形成的銅納米顆粒密堆結(jié)構(gòu)的 Cu/Si-NPA表面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌。其形貌特征如圖l(c)給出的、通過 JEOL公司生產(chǎn)的型號為JSM-6700F型掃描電子顯微鏡拍攝的照片所示。實施例四1、 將電阻率為2.80Q'cm的P型(lll)取向的單晶硅片置入高壓釜，填 充由濃度為26.00 mol/1的氫氟酸和0.65 mol/1的硝酸鐵水溶液組成的腐蝕 液，高壓釜的溶液體積填充度為40%，在溫度50。C下腐蝕35小時，制備 出襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA);2、 將Si-NPA襯底置入摩爾濃度為0.0001 mol/1的MSCV酒精、去離子水1: l配比溶液中浸漬30小時，取出后室溫下氮氣氣氛中晾干，浸漬過程中不向溶液中通任何氣體，浸漬時輔以一功率為20W的柱狀低壓汞紫外燈進行輻 照誘導提高鎳的沉積速度；既得到在Si-NPA表面硅柱上均勻覆蓋一層鎳納米 晶薄膜后的"幕布"狀Ni/Si-NPA表面增強活性基底的結(jié)構(gòu)形貌。其形貌特征 如圖l(d)給出的、通洋JEOL公司生產(chǎn)的型號為JSM-6700F型掃描電子顯微 鏡拍攝的照片所示。
權利要求
1、一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，包括以下技術步聚將電阻率小于5.0Ω·cm的P型單晶硅片置入高壓釜，填充由濃度介于0.50～26.00mol/l的氫氟酸(HF)和0.001～2.50mol/l的硝酸鐵(Fe(NO3)3)溶液組成的腐蝕液，高壓釜的溶液體積填充度為40～95％，在溫度10～200℃下腐蝕1分鐘～100小時，經(jīng)過上述水熱方法處理后即可制備出活性基底所需的襯底材料硅納米孔柱陣列(Si-NPA)；其特征在于將放置時間為0～240小時的Si-NPA置入0.0001～5.0mol/l的金屬鹽溶液中浸漬1秒～36小時后取出晾干即為基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底；通過滴定或浸泡方法引入待測物質(zhì)即可運用激光拉曼光譜儀對活性基底進行檢測并獲得待測物質(zhì)的表面增強拉曼散射光譜。
2、 如權利要求1所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活 性基底的制備方法，其特征在于浸漬過程可直接實施浸漬或氣氛保護下浸 漬，浸漬完成后取出，在室溫下空氣或保護氣氛下自然晾干或吹干備用。
3、 如權利要求1或2所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散 射活性基底的制備方法，其特征在于浸漬時使用的金屬鹽溶液為含有Ag+、 Au3+、 Cu2+、 Ni2+、 Pt+、或Pd"金屬離子的金屬鹽溶液。
4、 如權利要求3所述的一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活 性基底的制備方法，其特征在于當采用氣氛保護下浸漬時，往浸漬液中通 入的保護氣體為氧氣、氮氣、氬氣、氫氣或其他惰性氣體。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于硅納米孔柱陣列的表面增強拉曼散射活性基底的制備方法，它是以水熱方法制備的硅納米孔柱陣列(Si-NPA)為襯底材料，利用還原法將金屬鹽溶液中的金屬離子還原成單質(zhì)并以納米顆粒的形式在Si-NPA表面均勻沉積成各種結(jié)構(gòu)后得到活性基底，通過浸潤或滴定的方法將待檢測物質(zhì)引入活性基底，晾干后即可進行拉曼光譜檢測；該方法工藝、操作簡便，增強效果好，重復率高，其活性基底對待檢測物質(zhì)具有極高的敏感性，獲得的光譜有很高的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性；可用于單個分子水平的檢測，以典型的生物小分子腺嘌呤為例可檢測到的腺嘌呤極限濃度不高于2×10^-13m，此類活性基底提供一種快速簡便、可靠、高靈敏的分子探測及痕量探測方法。
文檔編號G01N21/65GK101221130SQ200810049158
公開日2008年7月16日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權日2008年1月28日
發(fā)明者飛 馮, 李新建 申請人:鄭州大學