专利名称：高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学传感芯片制备技术，具体涉及一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法。
背景技术：
物质的拉曼光谱是一种指纹特征谱，因此特异性强，可无标记、实时地对物质进行探测。然而物质的拉曼散射信号非常弱，比入射光低几个数量级，因此灵敏度低。纳米金属结构的局域增强特性可使金属结构表面的电磁场增强几个数量级，相应地可大幅提升拉曼信号，这称之为表面增强拉曼散射。人们已通过多种方法研究了表面增强拉曼散射增强结构的制备方法，目前主要分 为两大类，分别为物理光刻和化学合成，物理光刻的特点是制备结构的均一性好，重复性高，但受衍射极限限制，物理光刻无法制备几十纳米甚至几纳米的结构，这导致其电磁增强性能不强，因此该方法制备的传感芯片的灵敏度不高；相反，化学合成则很容易制备小尺度的结构，因此能获得较高灵敏度的芯片，但化学合成一般为随机结构，不具有周期性，因此其均一性、重复性差。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，解决现有表面增强拉曼传感芯片物理光刻与化学合成制备方法获得的芯片的重复性、均一性与灵敏度之间不可兼得的矛盾，制备灵敏度高且重复性、均一性好的表面增强拉曼芯片。本发明的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，包括如下步骤
1)对基片进行未水处理；
2)选择大小均一的介质纳米球乳胶溶液，利用旋涂法或提拉法在亲水处理后的基片上自组装单层紧密排列的介质纳米球阵列；
3)利用反应离子刻蚀技术对步骤2)所得到的介质纳米球阵列进行刻蚀；
4)在步骤3)所得到的刻蚀后的介质纳米球阵列上，镀上金属膜，镀膜厚度小于步骤3)中的刻蚀厚度，即获得高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。进一步，所述步骤I)中，基片为石英基片或K9玻璃基片。进一步，所述步骤I)中，亲水处理的步骤为将基片置于浓硫酸和双氧水以质量比3:1配成的溶液中，80°C热浴I小时，然后取出基片用去离子水反复冲洗，并用超声振荡2 3分钟；再将基片置于氨水、双氧水和去离子水以质量比1:1:5配成的溶液中，超声振荡I小时，然后取出基片用去离子水冲洗2 3次，并用去离子水保存备用。进一步,所述步骤2)中，介质纳米球为聚苯乙烯球。进一步，所述步骤3)中，反应离子刻蚀使用的刻蚀气体为氧气。进一步，所述步骤4)中，金属膜为金膜或银膜，镀膜方式为蒸镀、溅射镀膜或电镀。进一步，所述步骤3)中，刻蚀厚度为50nnT220nm;所述步骤4)中，镀膜厚度为40nnT200nm。本发明的有益效果在于
本发明首先通过介质纳米球自组装技术得到单层介质纳米球阵列结构，但其形成的介质纳米球之间为紧密排列，若直接将其制成表面增强拉曼传感芯片，将不具有狭缝耦合增强的特点，灵敏度不高，因此本发明再通过刻蚀工艺将介质纳米球刻小，刻小后的介质纳米球之间产生了间隙，然后镀上金属膜，并且镀膜厚度小于刻蚀厚度，即刻小后的介质纳米球在覆盖上金属膜形成金属球壳后，两金属球壳之间仍有几纳米至几十纳米的间隙，此间隙的强烈耦合增强作用可形成高强度的局域电磁场，使拉曼信号获得几个数量级的增强，即获得了高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。因此，本发明与现有技术相比的优点在于
(1)与现有物理光刻方法相比，本发明不受衍射极限限制，所制备芯片结构具有物理光 刻方法无法实现的几纳米至几十纳米的耦合增强间隙，因此所获得表面增强拉曼传感芯片的灵敏度高；
(2)与现有化学合成随机结构相比，本发明所制备的芯片结构是大面积周期分布的，这保证了芯片不同位置灵敏度的均一性，同时，介质纳米球自组装可控、刻蚀可控、镀膜可控，因此本发明所制备的芯片具有良好的重复性，为物质表面增强拉曼光谱定量比较的准确性提供了保证。综上所述，本发明解决了现有表面增强拉曼传感芯片物理光刻与化学合成制备方法获得的芯片的重复性、均一性与灵敏度之间不可兼得的矛盾，制备了灵敏度高且重复性、均一性好的表面增强拉曼芯片。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中
图I为本发明的工艺流程 图2为自组装后的介质纳米球阵列的结构示意 图3为刻蚀后的介质纳米球阵列的结构示意 图4为镀膜后的介质纳米球阵列的结构示意图。
具体实施例方式以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。图I为本发明的工艺流程图，如图所示，本发明的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法包括如下步骤
1)对基片进行亲水处理；所述基片为石英基片，亲水处理的步骤为将基片置于浓硫酸和双氧水以质量比3:1配成的溶液中，80°C热浴I小时，然后取出基片用去离子水反复冲洗，并用超声振荡2 3分钟；再将基片置于氨水、双氧水和去离子水以质量比1: 1:5配成的溶液中，超声振荡I小时，然后取出基片用去离子水冲洗2 3次，并用去离子水保存备用；
2)选择直径520nm的聚苯乙烯球乳胶溶液，利用旋涂法在亲水处理后的基片上自组装单层紧密排列的介质纳米球阵列，自组装后的介质纳米球阵列结构如图2所示，介质纳米球2在基片I上单层紧密排列；
3)利用反应离子刻蚀技术对步骤2)所得到的介质纳米球阵列进行刻蚀，刻蚀气体为氧气，刻蚀厚度为65nm，刻蚀后的介质纳米球阵列结构如图3所示，介质纳米球2被刻小后，介质纳米球2之间产生了间隙；
4)在步骤3)所得到的刻蚀后的介质纳米球阵列上，通过蒸镀的方式镀上金膜，镀膜厚度为50nm，镀膜后的介质纳米球阵列结构如图4所示，刻小后的介质纳米球2在覆盖上金属膜3形成金属球壳后，两金属球壳之间仍有十几纳米的间隙，即获得了高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。本发明中，基片可以为石英基片或K9玻璃基片等常规基片；可以利用旋涂法或提拉法进行自组装；金属膜优选电磁增强活性高的金属材料，比如金膜或银膜，镀膜方式可以为蒸镀、溅射镀膜或电镀等；刻蚀厚度优选50nnT220nm，镀膜厚度优选40nnT200nm，镀膜厚度须小于刻蚀厚度，以保证金属球壳之间具有纳米级间距。本发明中，亲水处理的方法、旋 涂法、提拉法、反应离子刻蚀技术、蒸镀、溅射镀膜、电镀等方法均可采用所属技术领域的公知技术。本发明首先通过介质纳米球自组装技术得到单层介质纳米球阵列结构，但其形成的介质纳米球之间为紧密排列，若直接将其制成表面增强拉曼传感芯片，将不具有狭缝耦合增强的特点，灵敏度不高，因此本发明再通过刻蚀工艺将介质纳米球刻小，刻小后的介质纳米球之间产生了间隙，然后镀上金属膜，并且镀膜厚度小于刻蚀厚度，即刻小后的介质纳米球在覆盖上金属膜形成金属球壳后，两金属球壳之间仍有几纳米至几十纳米的间隙，此间隙的强烈耦合增强作用可形成高强度的局域电磁场，使拉曼信号获得几个数量级的增强，即获得了高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过参照本发明的优选实施例已经对本发明进行了描述，但本领域的普通技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于包括如下步骤 1)对基片进行未水处理； 2)选择大小均一的介质纳米球乳胶溶液，利用旋涂法或提拉法在亲水处理后的基片上自组装单层紧密排列的介质纳米球阵列； 3)利用反应离子刻蚀技术对步骤2)所得到的介质纳米球阵列进行刻蚀； 4)在步骤3)所得到的刻蚀后的介质纳米球阵列上，镀上金属膜，镀膜厚度小于步骤3)中的刻蚀厚度，即获得高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。
2.根据权利要求I所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤I)中，基片为石英基片或K9玻璃基片。
3.根据权利要求I所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤I)中，亲水处理的步骤为将基片置于浓硫酸和双氧水以质量比3:1配成的溶液中，80°C热浴I小时，然后取出基片用去离子水反复冲洗，并用超声振荡2 3分钟；再将基片置于氨水、双氧水和去离子水以质量比1:1:5配成的溶液中，超声振荡I小时，然后取出基片用去离子水冲洗2 3次，并用去离子水保存备用。
4.根据权利要求I所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤2)中，介质纳米球为聚苯乙烯球。
5.根据权利要求I所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤3)中，反应离子刻蚀使用的刻蚀气体为氧气。
6.根据权利要求I所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤4)中，金属膜为金膜或银膜，镀膜方式为蒸镀、溅射镀膜或电镀。
7.根据权利要求I至6任意一项所述的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，其特征在于所述步骤3)中，刻蚀厚度为50nnT220nm ;所述步骤4)中，镀膜厚度为40nm 200nm。
全文摘要
本发明公开了一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，包括如下步骤1)对基片进行亲水处理；2)选择大小均一的介质纳米球乳胶溶液，利用旋涂法或提拉法在亲水处理后的基片上自组装单层紧密排列的介质纳米球阵列；3)利用反应离子刻蚀技术对步骤2)所得到的介质纳米球阵列进行刻蚀；4)在步骤3)所得到的刻蚀后的介质纳米球阵列上，镀上金属膜，镀膜厚度小于步骤3)中的刻蚀厚度，即获得高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。本发明解决了现有表面增强拉曼传感芯片物理光刻与化学合成制备方法获得的芯片的重复性、均一性与灵敏度之间不可兼得的矛盾，制备了灵敏度高且重复性、均一性好的表面增强拉曼芯片。
文档编号B81C1/00GK102910576SQ201210462728
公开日2013年2月6日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者夏良平, 杨正, 尹韶云, 杜春雷, 史浩飞 申请人:重庆绿色智能技术研究院