一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法与流程

本发明涉及荧光生物传感器领域，具体地，涉及一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法。

背景技术：

量子点作为一种零维材料具有其独特的光物理特性，如高量子产率、抗光漂白性、较宽的激发谱范围、纳米尺寸结构可调性及在UV-visible-NIR 范围内的良好发光特性。近年来，量子点因具有良好生物兼容性及优异发光性能的在生物医学领域获得了越来越多的关注，它作为荧光标记被广泛应用于免疫测定、药物输送、细胞成像和基于荧光能量转移的（FRET）的生物传感器。纳米金因其具有表面等离子体共振效应，可增强其表面及附近的荧光物质的荧光发射强度，这一特性被广泛应用于生物医学、光电器件等领域。此外，纳米金还具有易于链接生物的特性，已被广泛应用于生物分子检测。

多孔硅是一种具有大的比表面积、良好的生物兼容性、易于功能化，它可以被制备成具有不同结构的光学器件，可作为良好的基底材料被应用于生物传感器领域 。将量子点或纳米金与多孔硅结合也可制备出性能优异的生物传感器，另外用纳米金颗粒还可增强量子点荧光，但目前尚未见在多孔硅中用纳米金增强量子点荧光的报道。

在我们的研究工作中，分别将量子点和金纳米颗粒嵌入到多孔硅孔洞中，利用纳米金的表面等离子体共振效应增强了嵌入在多孔硅之中的量子点荧光。另外，我们设计了具有布拉格结构的多层多孔硅，实现了对从多孔硅中发出的量子点荧光的再增强。这种量子点/纳米金/多孔硅光学器件可进一步用于生物检测，为制备具有良好荧光性能的生物传感器奠定了基础。

技术实现要素：

本发明提供一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法，

实现了多孔硅多层Bragg结构及纳米金的修饰对多孔硅中量子点荧光的双重增强。

一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法，所述制备及表征方法包括以下步骤:

S1、在常温环境下用电化学腐蚀法以P型单晶Si为基底制备多层多孔硅样品；

S2、制备纳米金胶溶液；

S3、将氨基化后的多孔硅样品浸泡在纳米金胶溶液中8小时以得到纳米金修饰后的样品；

S4、将量子点溶液滴定在氨基化的多孔硅样品上常温下放置6小时，使得CdSe或ZnS量子点缓慢地沉积在多孔硅薄膜上；

S5、对样品进行表面形貌表征、反射谱测量及光致发光测量。

优选地，所述P型单晶硅晶向为100，电阻率为0.03Ω·cm，厚度为400μm。

优选地，所述电化学腐蚀法中的电解抛光用的电解液为浓度为40%的氢氟酸和浓度≥99%的酒精按照体积比为1:1混合而成。

优选地，纳米金溶液的具体制备方法包括：将2ml、0.1mmol/L氯金酸溶液加入100ml的水中加热至沸腾，迅速的加入4ml、1.1mmol/L的柠檬酸三钠溶液，10分钟后，含纳米金的溶液停止加热并静置1h。

优选地，将氨基化后的多孔硅样品在纳米金胶溶液中浸泡8h，浸泡过程中纳米金颗粒可逐渐沉积在多孔硅样品上。

优选地，将4μL 、0.4µmol/L的CdSe/ZnS量子点溶液滴定在氨基化的多孔硅样品上常温下放置6小时，使得 CdSe/ZnS量子点缓慢地沉积在多孔硅薄膜上，量子点和多孔硅的结合是通过多孔硅上氨基的单电子对来实现的。

优选地，所述多层多孔硅包含的布拉格反射镜由低孔隙率层和高孔隙率层交替堆叠构成，分别对应于高折射率和低折射率的区域。

优选地，所述折射率变化的量程范围为0到0.01。

本发明的技术方案具有以下有益效果：

本发明提供了一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法，我们首先制备出了禁带位置覆盖量子点荧光发射峰的一维多孔硅光子晶体，又用纳米金修饰了多孔硅基底，成功的将CdSe/ZnS量子点嵌入到纳米金修饰的多孔硅布拉格结构中，研究了Au/muti-layer PSi基底对量子点荧光的影响。通过对比QDs/single layer PSi、QDs/muti-layer PSi、QDs/ Au/muti-layer PSi的荧光强度，得出结论，Au/muti-layer PSi基底能有效增强CdSe/ZnS量子点的荧光达2.5倍，实现了多孔硅的布拉格结构及纳米金的等离子体效应对量子点荧光的双重增强，为构建具有良好生物兼容性及更高灵敏度的荧光生物传感器奠定了基础。

附图说明

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法中所用的CdSe量子点的扫描电镜表面形貌图；

图2为本发明实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法中所用CdSe量子点的光致荧光图；

图3为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法中所制备的多孔硅样品的扫描电镜表面形貌图；

图4为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的多孔硅样品的扫描电镜截面形貌图；

图5为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法的多所制备的纳米金胶溶液的透射电镜形貌图；

图6为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的功能化的多孔硅样品固定量子点前后反射谱变化图；

图7为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的功能化的多孔硅样品固定量子点前后荧光谱变化图；

图8为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的单层及多层多孔硅样品固定量子点前后荧光谱对比图；

图9为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的纳米金修饰后的单层及多层多孔硅样品固定量子点前后荧光谱对比图。

具体实施方式

本发明的优选实施例详细描述如下：

本发明提供一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法，所述具体制备及检测方法包括以下步骤:

S1、在常温环境下用电化学腐蚀法以P型单晶Si为基底制备多层多孔硅样品；

S2、制备纳米金胶溶液；

S3、将氨基化后的多孔硅样品浸泡在纳米金胶溶液中8小时以得到纳米金修饰后的样品；

S4、将量子点溶液滴定在氨基化的多孔硅样品上常温下放置6小时，使得CdSe或ZnS量子点缓慢地沉积在多孔硅薄膜上；

S5、对样品进行表面形貌表征、反射谱测量及光致发光测量。

进一步地，参见图3、4为本发明的实施例的一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法所制备的多孔硅样品扫描电子显微镜表面形貌及截面形貌图。通过电化学腐蚀法制备多孔硅样品，采用的基底单晶Si材料为P型，晶向为<100>，电阻率为0.03Ω·cm，厚度为400μm。所用电解液为体积比为1:1的氢氟酸(浓度为40%)和酒精（浓度≥99%）的混合液。

进一步地，纳米金溶液的具体制备方法包括：将2ml、0.1mmol/L氯金酸溶液加入100ml的水中加热至沸腾，迅速的加入4ml、1.1mmol/L的柠檬酸三钠溶液，10分钟后，含纳米金的溶液停止加热并静置1h。

进一步地，将氨基化后的多孔硅样品在纳米金胶溶液中浸泡8h，浸泡过程中纳米金颗粒可逐渐沉积在多孔硅样品上。

进一步地，将4μL 、0.4µmol/L的CdSe/ZnS量子点溶液滴定在氨基化的多孔硅样品上常温下放置6小时，使得 CdSe/ZnS量子点缓慢地沉积在多孔硅薄膜上，量子点和多孔硅的结合是通过多孔硅上氨基的单电子对来实现的。

制备的单层多孔硅样品的腐蚀条件为Ι=105mA·cm-2，时间为4s；多层多孔硅样品的腐蚀条件为IH=100mA·cm-2 、IL=20 mA·cm-2, 对应的时间分别 1.6s 和 2.2s；

进一步地，多层布拉格反射镜（多层多孔硅）由低孔隙率层和高孔隙率层交替堆叠构成，分别对应于高折射率和低折射率的区域。布拉格反射镜与缺陷层的光学厚度满足以下关系：

其中m是整数， nL(nH)和 dL(dH) 分别对应低（高）折射率层的折射率和厚度。λBragg 是中心禁带位置处对应的波长。

进一步地，折射率变化的量程范围为0到0.01。

需要说明地是，从嵌入量子点前后样品反射谱图及荧光谱图的对比（图6、图7），我们可判断氧化石墨烯量子点是否成功嵌入在于多孔硅薄膜上，如图6，沉积量子点后的多孔硅反射谱图与未附着之前（功能化后）相比有大概20nm左右的红移，这是因为量子点渗透于多孔硅的孔洞中，导致有效折射率的增大，即光学厚度增加引起多孔硅Bragg结构的反射谱红移。又如图7，嵌入CdSe/ZnS量子点前后多孔硅荧光强度反差强烈，这也进一步说明了量子点成功的嵌入在多孔硅薄膜上。

如图8，我们们分别对单层多孔硅和多层含有布拉格结构的多孔硅沉积量子点后的荧光性能进行对比，所用单层的腐蚀条件与多层样品的第一部分单层腐蚀条件相同,经过对嵌入量子点前后的荧光对比，说明嵌入量子点后的多层样品的荧光相比嵌入后的单层样品来说，有显著增强。这是因为我们采用的激发光为370nm,此波长处于样品禁带位置之外，以致样品对激发光的反射较低，而由于量子点荧光发光峰的位置位于多孔硅禁带区域内，致使样品对荧光峰位置处的光反射较强从而增强了对表面向上的荧光，最终达到了较之单层荧光增强的效果。

如图9，我们分别对用纳米金修饰过的多孔硅衬底和未修饰过的多孔硅衬底上渗入量子点后的荧光进行对比，,实验结果表明纳米金的嵌入显著增强了多孔硅中量子点的荧光强度，这是由于金纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应而引起的。当入射光激发时，纳米结构的金属表面产生了局域表面等离子体共振，这种共振激发使得金属颗粒周围的局域电磁场极大增强，这一增强的局域场使金属颗粒表面附近的发光分子的激发速率得到增强，从而增强了荧光信号。当然，当金属纳米颗粒与荧光物质之间的距离不同时，其荧光增强的效果也不相同。当纳米金颗粒与荧光物质的距离小于2nm时，会发生荧光猝灭现象，而当纳米金颗粒与荧光物质的距离在5nm-20nm之间时，荧光信号可得到增强。在我们的器件中，由于多孔硅的孔洞结构，使得其中大部分的纳米金颗粒与量子点间距满足荧光增强的条件。此外，本研究中所用的CdSe/ZnS量子点的发射波长为 620nm ,远离了Au膜的吸收波长523nm，从而使由于共振能量转移导致的荧光湮灭不占主导因素 ，从而实现对量子点荧光的增强。

由此可见，本发明公开了一种基于多孔硅的荧光生物传感器基底材料的制备方法，利用多孔硅的布拉格结构及纳米金的等离子体效应双重增强嵌入多孔硅中的CdSe/ZnS量子点荧光的方法，成功制备了一种具有较强荧光信号及生物兼容性的QDs/Au/PSi(量子点嵌入纳米金修饰的多孔硅)生物传感器基底材料。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的权利要求保护范围之内。