一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用与流程

文档序号：21276052发布日期：2020-06-26 23:16阅读：225来源：国知局

本发明属于拉曼检测技术领域。尤其涉及一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用。

背景技术：

本发明背景技术中公开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。

大多数癌症发病隐匿，恶性程度高，早期不易发现，预后极差。因此，提高癌症早期诊断率是提高总体疗效的关键所在，在癌症诊治中起着至关重要的作用。表面增强拉曼光谱(surface-enhancedramanscattering,sers)在拉曼光谱基础上发展而成，通过引入贵金属纳米颗粒，基于其局域表面等离子体共振效应，拉曼光谱信号强度可提升高达10¹⁴～10¹⁵倍，从而可对目标物的分子组成进行高灵敏度检测，具有类似“指纹识别”的特性，为癌症的早期诊断提供了一种有效技术方法。想要实现拉曼检测芯片的产业化应用，亟需解决如下关键技术问题：(1)提高信号增强性能，癌症早期需要检测的目标物质浓度往往非常低，因此需要极高的检测灵敏度；(2)信号可重现性，需要保证将待检测试样滴到芯片不同位置进行多次测试时，得到的结果完全一致，即信号可重现，才可能实际应用；(3)稳定性，制作芯片所用的银等材料遇到空气氧化，酸/碱环境腐蚀金属材料，导致芯片难以长时间有效，限制了其大规模应用。

公开号为cn109187487a的专利文献公开了一种银纳米团簇表面增强拉曼散射基底。然而，本发明人研究发现：该技术基于单一尺度的纳米银颗粒实现拉曼信号增强，由于纳米银颗粒随机分布，无法保证多次测试的可重现性。公开号为cn110314830a的专利文献公开了一种基于单层有序纳米颗粒阵列的柔性表面增强拉曼散射基底。然而，本发明人研究发现：该技术在平面上铺设单层纳米颗粒，相比于在微纳米复合结构表面铺设纳米颗粒，形成的“热点”数量有限，信号增强性能有待进一步提高。公开号为cn110220881a的专利文献公开了一种基于纳米结构和有序纳米颗粒的柔性sers基底及其制备方法和应用。然而，本发明人研究发现：该技术基于单一尺度的纳米结构和纳米颗粒，相对于微纳米复合结构，产生的“热点”数量少，信号增强功能有待进一步提高。此外，为了减弱聚合物基底材料产生的拉曼信号对被测物的干扰，往往需要沉积很厚的金属薄膜进行掩盖，但金属薄膜厚度需兼具干扰信号和信号增强的作用，厚度不是任意的，增强了设计制造难度。

技术实现要素：

针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用，这种拉曼检测芯片具有增强效果优异、信号可重现性强、稳定性好等技术优势。为实现上述目的，本发明公开下述的技术方案。

本发明的第一方面，公开一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，包括金属基板，该金属基板上分布有微米尺度的凸起结构，所述凸起结构上分布有纳米尺度的凹陷结构，所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒，金膜覆盖于所述凸起结构、凹陷结构和银纳米颗粒上。

进一步地，所述金属基板的材质包括金、银、铜、铂等具有拉曼增强效果的金属材料中的任意一种。

进一步地，所述凸起结构呈阵列式分布在金属基板的表面，包括六边形阵列、矩形阵列、圆形阵列中的至少一种。

进一步地，所述凸起结构包括金字塔结构、倒v型结构、圆锥形结构、圆台形结构、棱柱结构、棱台结构中的任意一种。

进一步地，所述凸起结构的底部边长或直径为1μm～1000μm，高度为0.2μm～1000μm，相邻凸起结构之间的中心距为1μm～2000μm。

进一步地，所述纳米凹坑结构的直径为1nm～1000nm，深度为1nm～800nm，相邻纳米凹坑结构之间的中心距为5nm～1000nm。

进一步地，所述银纳米银颗粒直径为0.5nm～400nm，均匀分布在所述凹陷结构中。

进一步地，所述金膜厚度为2nm～100nm，通过一层金薄膜将凸起结构和凹陷结构形成的微纳米复合结构以及银纳米颗粒包覆起来。

本发明的第二方面，公开一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)通过金属热辊压工艺在金属基板表面加工微米尺度的凸起结构，然后采用湿法刻蚀工艺在所述凸起结构表面加工纳米尺度的凹陷结构，从而获得有序排列的微纳米复合结构，形成微纳米复合结构。

(2)然后将带有微纳米复合结构的金属基板置于含银离子的溶液中，通过氧化还原置换出银纳米颗粒，使所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒。

(3)通过溅射工艺在所述微纳米复合结构和纳米颗粒表面沉积金膜，即得。

进一步地，步骤(1)中，所述金属热辊压工艺中，辊压温度为80～100℃，速度为50～1000r/min。

进一步地，步骤(1)中，采用硝酸进行所述湿法刻蚀工艺，可选地，所述硝酸的质量浓度为10％～70％，刻蚀时间30～400s。

进一步地，步骤(2)中，所述含银离子的溶液为柠檬酸钠和硝酸银溶液，氧化还原置反应温度为100～120℃，时间为30～60min。

进一步地，步骤(3)中，所述金膜的沉积采用离子溅射工艺，其真空度为0.5×10^-5～3.5×10^-5pa，沉积速率为5～20nm/min，时间为0.2～5min。

本发明的第三方面，公开所述基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片在生物检测、医疗领域等中的应用。

与现有技术相比，本发明突破了制约拉曼检测芯片产业化的技术瓶颈问题，具体表现在以下几个方面：

(1)信号增强效果强：微米尺度的凸起结构、纳米尺度的凹陷结构、银纳米颗粒之间、银纳米颗粒支撑起的金膜凸起之间分别具备拉曼信号增强效果，本发明将四者复合到一起，彼此之间可以起到协同效果，实现“1+1+1+1＞4”的技术效果。

(2)信号可重现性优异：微纳米复合结构有序排列在金属薄板表面，银纳米颗粒通过纳米凹坑的限位，也可有序排列在纳米凹坑里，从而保证多次、不同位置测试时信号是完全一致的。

(3)稳定性好：该拉曼检测芯片最外层是一层金薄膜，具有非常稳定的物理化学性质，解决芯片长时间放置氧化失效、酸碱腐蚀等问题，大大延长芯片有效使用时间。

附图说明

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

图1为本发明实施例制备基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的工艺流程图；附图中标记分别代表：110-金属基板、120-凸起结构、130-凹陷结构、140-银纳米颗粒、150-金膜。

图2为本发明第一实施例在金属基板表面制备的金字塔结构阵列的微米尺度的凸起结构。

图3为本发明第一实施例制备的制备基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的sem图。

具体实施方式

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

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发明的示例性实施方式。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。

正如前文所述，想要实现拉曼检测芯片的产业化应用，还需要提高芯片的信号增强性能、信号可重现性以及稳定性等关键指标。因此，本发明提出了一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例