一种基底材料、拉曼表面增强基底、制备方法、应用与流程

本发明涉及微纳结构加工领域，具体是一种基底材料、拉曼表面增强基底、制备方法、应用。

背景技术：

随着生命科学水平的不断提高，研究领域已经逐渐向单分子领域深入，人们急需对病理、药理、生命活动等方向进行细微的研究。其中，拉曼光谱分析作为一种基于拉曼散射效应获得分子振动、转动方面信息的分析方法，以其迅速、灵敏的特点逐渐应用于生物领域。

目前，通过将贵金属(金、银、铜等)与其它物质相结合，进而能够产生拉曼增强散射效应，进而提高拉曼信号的基底被称为拉曼(表面)增强基底。现今，国内外学者一直致力于如何提高拉曼信号，即如何制备出高精度的拉曼增强基底。当前，制备拉曼增强基底主要有以下两种方法：化学合成方法和传统纳米加工方法。化学合成方法可以提供较好的拉曼信号的提升，但是具有结构分散，不宜长期保存，且可重复性较差等缺点；传统纳米加工方法效率较低，且设备价格昂贵，所要求加工化境严格。而且，以上的技术方案在实际操作时还存在以下不足：现有技术中的拉曼表面增强基底制备方法在前期需要准备大量工作(如对所选材料进行物理抛光、电化学抛光、退火、脱脂等)，存在工作效率不高的问题。

技术实现要素：

本发明实施例的目的在于提供一种基底材料，以解决上述背景技术中提出的现有拉曼表面增强基底的制备在前期需要准备大量工作，存在工作效率不高的问题。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：

一种基底材料，包括镁锭以及适量的电解液，所述电解液包括等体积的koh溶液与na3po4溶液，其中，所述基底材料是所述镁锭在所述电解液中进行阳极氧化处理制得。

作为本发明进一步的方案：所述koh溶液的浓度是1-4g/l，所述na3po4溶液的浓度是5-20g/l，且koh溶液与na3po4溶液中采用的溶剂都是去离子水。

优选的，所述koh溶液在电解液中的浓度是2g/l，所述na3po4溶液在电解液中的浓度是10g/l，且koh溶液与na3po4溶液中采用的溶剂都是去离子水。

作为本发明再进一步的方案：所述镁锭是铸态镁锭，且所述铸态镁锭是切成15×15×4mm³的矩形块进行阳极氧化处理。

本发明实施例的另一目的在于提供一种基底材料的制备方法，所述的基底材料的制备方法，包括以下步骤：

将去除表面杂质的镁锭作为阳极置于所述电解液中，以碳作为阴极进行阳极氧化处理，得到所述基底材料，其中，所述阳极氧化处理是采用直流电源进行通电0.1-10min。

作为本发明再进一步的方案：所述通电的时间是1-5min。

优选的，所述通电的时间是1min、2min或5min。

作为本发明再进一步的方案：所述碳可以是采用碳片、碳管等结构，优选的，所述碳是碳管结构。

作为本发明再进一步的方案：在进行阳极氧化处理前，还包括预处理步骤，所述预处理步骤是将去除表面杂质的镁锭和碳管分别作为阳极氧化处理过程中的阳极和阴极，并分别调节阳极和阴极的位置，使碳管与镁锭(可以是预先切成15×15×4mm³的矩形块)表面正对并且平行。

作为本发明再进一步的方案：所述直流电源是恒流模式，且恒流密度为20-30ma/cm²，频率为400-600hz，占空比为40-60％。

优选的，所述直流电源是恒流模式，且恒流密度为25ma/cm²，频率为500hz，占空比为50％。

作为本发明再进一步的方案：所述电解液的温度保持在28-32℃范围内，具体的，所述阳极氧化处理过程中电解液需要保持温度的稳定，采用机械搅拌冷却系统，将电解液温度控制在28-32℃范围内，随后，开启电源进行阳极氧化处理。

作为本发明再进一步的方案：在所述的基底材料的制备方法中，所述去除表面杂质是在阳极氧化处理前采用粒度是1000-1400μm的研磨纸进行研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除杂质。

作为本发明再进一步的方案：在所述的基底材料的制备方法中，所述去除表面杂质是在阳极氧化处理之前，所有的样品都用粒度是1200μm的碳化硅研磨纸进行研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除表面杂质。

本发明实施例的另一目的在于提供一种采用上述的基底材料的制备方法制备得到的基底材料。

本发明实施例的另一目的在于提供一种拉曼表面增强基底，包含上述的基底材料，以及生长在所述基底材料表面上的金属膜。

作为本发明再进一步的方案：所述金属膜的材料可以是金、银或铜中的任意一种。

优选的，所述金属膜的材料是金，对应的是金属膜是金膜。

作为本发明再进一步的方案：所述金属膜的厚度是0.1-30nm。

优选的，所述拉曼表面增强基底包含上述的基底材料以及生长在所述基底材料表面的厚度是10nm、20nm或30nm的金膜。

作为本发明再进一步的方案：所述拉曼表面增强基底的制备方法包括以下步骤：将所述的基底材料采用现有工艺进行镀膜，以在所述基底材料表面生长金属膜。

作为本发明再进一步的方案：所述镀膜可以是采用现有的磁控溅射镀膜或化学镀膜(例如电镀等)等方式进行实现，具体根据需求进行选择，这里并不作限定，只要可以在所述基底材料表面生长厚度是0.1-30nm的金属膜即可。

本发明实施例的另一目的在于提供一种上述的拉曼表面增强基底在表面增强拉曼光谱检测和/或溶菌酶检测中的应用。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的基底材料通过将镁锭在电解液中进行阳极氧化处理制得，可以通过控制通电时间进而控制其表面结构几何参数，实现能够获得预期表面结构的高效率加工，可以高效率、低成本的制备固定规格的拉曼表面增强基底；而提供的制备方法简单，只需对所选材料进行打磨以及清洗，准备工作有明显减少，提高了工作效率，制备的基底材料可以长时间保留，还可以制备成拉曼表面增强基底，在表面增强拉曼光谱检测和不同生物试剂的检测中得到应用，解决了现有拉曼表面增强基底的制备在前期需要准备大量工作，存在工作效率不高的问题，具有广阔的市场前景。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底的sem(scanningelectronmicroscope，扫描电子显微镜)图。

图2为图1中对应的通电时间是5min制备的拉曼表面增强基底的sem图。

图3为本发明一实施例提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底的afm(atomicforcemicroscopy，原子力显微镜)图像。

图4为本发明一实施例提供的不同金膜厚度的拉曼表面增强基底对浓度为10^-7mol/l的r6g(rhodamine6g，一种用于表征表面增强拉曼谱的染色剂)的拉曼图谱。

图5为本发明一实施例提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底对浓度为10^-7mol/l的r6g的拉曼图谱。

图6为本发明一实施例提供的拉曼表面增强基底的拉曼mapping图像。

图7为本发明一实施例提供的拉曼表面增强基底对浓度为10^-6mol/l的溶菌酶的拉曼图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细地说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对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。

实施例1

一种拉曼表面增强基底，具体制备方法如下：

1)去除材料表面杂质：将铸态镁锭切成15×15×4mm³的矩形块进行阳极氧化处理，在处理之前，所有的样品都用1200粒度的碳化硅研磨纸研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除表面杂质，得到去除杂质后的镁矩形块。

2)预处理：阳极氧化处理过程中的电解液选择为在去离子水中制备的含2g/l的koh和10g/l的na3po4的混合溶液，将去除杂质后的镁矩形块和碳管分别作为阳极氧化处理过程中的阳极和阴极，分别调节阳极和阴极的位置，使碳管与镁矩形块表面正对并且平行。

3)阳极氧化处理：在阳极氧化处理过程中，电源选择为国产直流电源，且电源采用恒流模式，恒流密度为25ma/cm²，频率为500hz，占空比为50％；阳极氧化处理过程中，需要保持温度的稳定，采用机械搅拌冷却系统，将电解液温度控制在30±2℃范围内，随后，开启电源进行阳极氧化处理，且通电时间分别控制为1min、2min与5min，对应分别得到通电时间是1min制备的基底材料、通电时间是2min制备的基底材料与通电时间是5min制备的基底材料，然后在每个基底材料表面进行镀膜形成厚度是10nm的金膜，得到所述拉曼表面增强基底(纳米孔洞阵列结构)，使得基底具有等离子增强效应，因此，该样件直接可以作为拉曼增强基底使用(测试的波长范围：532nm-785nm)。

实施例2

为了研究表面条件(如孔隙率和粗糙度)对sers(surface-enhancedramanscattering，表面增强拉曼)强度的影响，以阳极氧化处理时间为单一变量，所以，通电时间分别为1min、2min和5min。最终，实验结果需要以阳极氧化处理的通电时间和金膜厚度作为变量进行对比，以获得能够产生最佳拉曼增强信号的基底。

在本实施例中，将实施例1中不同通电时间制备的拉曼表面增强基底进行sem表征，具体的sem表征结果如图1所示，其中，图1为本实施例中提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底的sem图，在图1中，图(a)、图(b)、图(c)分别为通电时间(即腐蚀时间)分别在1min，2min，5min时的拉曼表面增强基底的sem图像。图2为图1中对应的通电时间是5min制备的拉曼表面增强基底的sem图。通过图1-2可以明显观察到，随着腐蚀时间的增加，其孔洞深度和半径大小也随之增加。图1中的图(d)所示为拉曼表面增强基底(纳米孔洞阵列结构)的截面图，分别包括mg层和mgo层。所有经阳极氧化处理的试样均具有典型的表面形貌，包括微米级和亚微米级的准圆形孔洞和裂纹。众所周知，这种多孔且不均匀的表面状态是由于钝化层连续的介电击穿以及在此过程中产生的热量造成的。结果表明，随着peo时间的延长，孔隙的平均直径增大。

实施例3

为了进一步观察实施例1中不同通电时间制备的拉曼表面增强基底的几何参数，通过afm进行了详细表征。图3为本发明实施例中提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底的afm图像。在图3中，图(a)、图(b)、图(c)、图(d)分别为通电时间(即腐蚀时间)分别在1min，2min，5min，10min时的拉曼表面增强基底的afm图像，图(e)是通电时间(即腐蚀时间)是5min时的拉曼表面增强基底的三维图像。从图3中可以看出，图3(a)的圆孔的半径和深度分别为0.7±0.25μm和0.5±0.16μm；图3(b)的圆孔的半径和深度分别为0.9±0.3μm和6±0.15μm；图3(c)的圆孔的半径和深度分别为1.5±0.3μm和1±0.1μm。随着腐蚀时间增加到10min时，其圆孔的半径和深度分别增加到了7.2±0.3μm和5±0.5μm。结合图1-2的结果，可以知道，实施例1中制备的拉曼表面增强基底是纳米孔洞阵列结构，具有典型的表面形貌，包括微米级和亚微米级的准圆形孔洞和裂纹。

实施例4

在本实施例中，以r6g为探针分子，研究金膜厚度对拉曼表面增强基底的拉曼增强效果的影响规律。具体的，参照实施例1中的方法进行制备具有不同金膜厚度的拉曼表面增强基底，其中，通电时间均设置为5min，通过镀膜分别形成金膜厚度是10nm、金膜厚度是20nm、金膜厚度是30nm的拉曼表面增强基底，其他的制备条件与实施例1相同，对应得到不同金膜厚度的拉曼表面增强基底，并将以上样品以r6g作为标记分子，进行拉曼增强测试，实验中采用英国renishaw公司生产的拉曼光谱设备(invia)作为表面增强拉曼基底(sers)检测的手段。该设备装配有波长532nm、633nm以及785nm的激光器，检测过程中选用光斑直径为1μm、入射光的能量为0.6mw、波长为532nm的激光器以及50倍的物镜。检测前首先把样品浸泡在罗丹明r6g(探针分子)溶液里，然后用一个si基底作为标准的样品对拉曼信号进行校准以保证没有特殊的峰值生成以及确定样品的扫描范围面积为20×20μm²。在检测过程中，以r6g的1362cm^-1处的峰值，作为主要对比峰值，具体的结果如图4所示。图4为本发明实施例提供的不同金膜厚度的拉曼表面增强基底对浓度为10^-7mol/l的r6g的拉曼图谱。其中，图4中的拉曼图谱从上至下依次为金膜厚度是10nm的拉曼表面增强基底、金膜厚度是20nm的拉曼表面增强基底、金膜厚度是30nm的拉曼表面增强基底的拉曼图谱。

从图4中可以看出，其中r6g的浓度为10^-7mol/l，随着金膜厚度的增加，拉曼表面增强基底的拉曼信号强度明显下降。当金膜厚度为30nm时，其拉曼信号强度最低；当金膜厚度为10nm时，其拉曼信号强度最高。

实施例5

在本实施例中，以r6g为探针分子，研究不同通电时间对拉曼表面增强基底的拉曼增强效果的影响规律。具体的，参照实施例1中的方法进行制备拉曼表面增强基底，其中，镀膜均是形成厚度是10nm的金膜，通电时间分别设置为1min、2min、5min，分别对应得到通电时间分别为1min、2min、5min的拉曼表面增强基底，其他的制备条件与实施例1相同，并将以上样品以r6g作为标记分子，进行拉曼增强测试，实验中采用英国renishaw公司生产的拉曼光谱设备(invia)作为表面增强拉曼基底(sers)检测的手段。该设备装配有波长532nm、633nm以及785nm的激光器，检测过程中选用光斑直径为1μm、入射光的能量为0.6mw、波长为532nm的激光器以及50倍的物镜。检测前首先把样品浸泡在罗丹明r6g(探针分子)溶液里，然后用一个si基底作为标准的样品对拉曼信号进行校准以保证没有特殊的峰值生成以及确定样品的扫描范围面积为20×20μm²。在检测过程中，以r6g的1362cm^-1处的峰值，作为主要对比峰值，具体的结果如图5所示。图5为本发明实施例提供的不同通电时间制备的拉曼表面增强基底对浓度为10^-7mol/l的r6g的拉曼图谱。其中，图5中的拉曼图谱从上至下依次为通电时间是1min制备的拉曼表面增强基底、通电时间是2min制备的拉曼表面增强基底、通电时间是3min制备的拉曼表面增强基底的拉曼图谱。

从图5中可以看出，其中r6g的浓度为10^-7mol/l，由于通电时间(腐蚀时间)的不同，其形成的结构不同，故拉曼表面增强基底对探针分子的增强效果也有所不同。从图5中可以明显地看出，10nm厚度的金膜以及1min的通电时间的拉曼表面增强基底增强效果最好，且其特征峰的强度约为其它通电时间的3倍。

实施例6

将实施例5中制备的通电时间2min且金膜厚度为10nm的拉曼表面增强基底以r6g作为标记分子，进行拉曼增强测试，得到拉曼mapping图像。图6为本发明实施例提供的拉曼表面增强基底的拉曼mapping图像。拉曼mapping图像范围为20μm²×20μm²。从图6中可以看到，r6g分子可以清晰地被检测到，证明了该拉曼表面增强基底具有良好的可重复性以及长期稳定性。

实施例7

在本实施例中，将实施例5中制备的通电时间1min且金膜厚度为10nm的拉曼表面增强基底对浓度为10^-6mol/l的溶菌酶进行拉曼增强测试，得到的拉曼图谱如图7所示。图7为本发明实施例提供的拉曼表面增强基底对浓度为10^-6mol/l的溶菌酶的拉曼图谱。

在本实施例中，溶菌酶是一种在分泌物中检测到的酶蛋白，可以在先天免疫系统中破坏某些病原体的细胞壁。但当溶菌酶含量过高时，对身体有毒，引发器官疾病。从图7是拉曼表面增强基底对溶菌酶的检测，溶菌酶浓度为10^-6mol/l，实验所用激光器波长为785nm。其中，图7中各个峰位产生的原因如下：ss纽带(521cm^-1)、苯丙氨酸(601cm^-1)、色氨酸(760cm^-1)、酪氨酸双峰(858cm^-1)、色氨酸(881cm^-1)、cc拉伸(934cm^-1)、酪氨酸(1085cm^-1、1210cm^-1)、色氨酸(1337cm^-1)、coo-对称拉伸(s)(1384cm^-1)、色氨酸(1554cm^-1)。通过图7可以证明，通过阳极氧化处理方法制备的拉曼表面增强基底可以检测浓度低的蛋白质溶液，进而可用于医学检测领域。而且，表面增强拉曼克服了拉曼光谱灵敏度低的缺点，通过本发明的拉曼表面增强基底可以获得常规拉曼光谱所不易得到的结构信息，可被广泛用于表面研究、吸附界面表面状态研究、生物大小分子的界面取向及构型、构象研究、结构分析等，可以有效分析化合物在界面的吸附取向、吸附态的变化、界面信息等。

需要说明的是，本发明实施例制备的纳米孔洞阵列结构的拉曼表面增强基底较同类化学方法制备的基底可以更长时间的保存，且在检测过程中可以检测不同生物试剂，进而增加了检测范围。

实施例8

与实施例6相比，除了将金膜替换为厚度是0.1nm银膜外，其他与实施例6相同。

实施例9

与实施例6相比，除了将金膜替换为厚度是2nm铜膜外，其他与实施例6相同。

实施例10

与实施例6相比，除了将金膜替换为厚度是5nm银膜外，其他与实施例6相同。

实施例11

与实施例6相比，除了将金膜替换为厚度是10nm铜膜外，其他与实施例6相同。

实施例12

与实施例6相比，除了将金膜替换为厚度是25nm铜膜外，其他与实施例6相同。

实施例13

一种基底材料，包括镁锭以及适量的电解液，所述电解液包括等体积的koh溶液与na3po4溶液，其中，所述koh溶液的浓度是1g/l，所述na3po4溶液的浓度是5g/l，且koh溶液与na3po4溶液中采用的溶剂都是去离子水，所述镁锭是铸态镁锭，且所述铸态镁锭是切成15×15×4mm³的矩形块。

在本实施例中，所述基底材料的制备方法包括以下步骤：

在阳极氧化处理之前，镁锭用粒度是1000μm的碳化硅研磨纸进行研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除表面杂质，然后将去除表面杂质的镁锭作为阳极置于所述电解液中，以碳管作为阴极，并分别调节阳极和阴极的位置，使碳管与镁锭表面正对并且平行，然后进行阳极氧化处理，得到所述基底材料，其中，所述阳极氧化处理是采用直流电源进行通电0.1min，所述直流电源是恒流模式，且恒流密度为20ma/cm²，频率为4000hz，占空比为40％。而且，所述阳极氧化处理过程中电解液需要保持温度的稳定，采用机械搅拌冷却系统，将电解液温度控制在28℃，随后，开启电源进行阳极氧化处理。

实施例14

一种基底材料，包括镁锭以及适量的电解液，所述电解液包括等体积的koh溶液与na3po4溶液，其中，所述koh溶液的浓度是4g/l，所述na3po4溶液的浓度是20g/l，且koh溶液与na3po4溶液中采用的溶剂都是去离子水，所述镁锭是铸态镁锭，且所述铸态镁锭是切成15×15×4mm³的矩形块。

在本实施例中，所述基底材料的制备方法包括以下步骤：

在阳极氧化处理之前，镁锭用粒度是1400μm的碳化硅研磨纸进行研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除表面杂质，然后将去除表面杂质的镁锭作为阳极置于所述电解液中，以碳管作为阴极，并分别调节阳极和阴极的位置，使碳管与镁锭表面正对并且平行，然后进行阳极氧化处理，得到所述基底材料，其中，所述阳极氧化处理是采用直流电源进行通电10min，所述直流电源是恒流模式，且恒流密度为30ma/cm²，频率为600hz，占空比为60％。而且，所述阳极氧化处理过程中电解液需要保持温度的稳定，采用机械搅拌冷却系统，将电解液温度控制在32℃，随后，开启电源进行阳极氧化处理。

实施例15

一种基底材料，包括镁锭以及适量的电解液，所述电解液包括等体积的koh溶液与na3po4溶液，其中，所述koh溶液的浓度是2g/l，所述na3po4溶液的浓度是10g/l，且koh溶液与na3po4溶液中采用的溶剂都是去离子水，所述镁锭是铸态镁锭，且所述铸态镁锭是切成15×15×4mm³的矩形块。

在本实施例中，所述基底材料的制备方法包括以下步骤：

在阳极氧化处理之前，镁锭用粒度是1200μm的碳化硅研磨纸进行研磨，然后依次采用乙醇和去离子水清洗并去除表面杂质，然后将去除表面杂质的镁锭作为阳极置于所述电解液中，以碳管作为阴极，并分别调节阳极和阴极的位置，使碳管与镁锭表面正对并且平行，然后进行阳极氧化处理，得到所述基底材料，其中，所述阳极氧化处理是采用直流电源进行通电10min，所述直流电源是恒流模式，且恒流密度为25ma/cm²，频率为500hz，占空比为50％。而且，所述阳极氧化处理过程中电解液需要保持温度的稳定，采用机械搅拌冷却系统，将电解液温度控制在28-32℃范围内，随后，开启电源进行阳极氧化处理。

实施例16

与实施例15相比，除了将通电10min替换为通电1min外，其他与实施例15相同。

实施例17

与实施例15相比，除了将通电10min替换为通电2min外，其他与实施例15相同。

实施例18

与实施例15相比，除了将通电10min替换为通电5min外，其他与实施例15相同。

实施例19

与实施例15相比，除了将通电10min替换为通电0.1min外，其他与实施例15相同。

实施例20

与实施例15相比，除了将通电10min替换为通电7min外，其他与实施例15相同。

需要说明的是，本发明公开了一种通过阳极氧化制备拉曼基底的方法，具有化学合成方法和传统纳米加工制备微纳结构方法的优点，并通过控制通电时间，进而可以对结构的几何参数进行精确控制，从而可以得到特定结构阵列对拉曼信号强度的影响规律，有望成为一种新的制备拉曼基底的方法，从而可以高效率、低成本的制备固定规格的拉曼表面增强基底。

而且，本申请提供的基底材料的制备方法通过控制通电腐蚀时间进而控制其表面结构几何参数，实现能够获得预期表面结构的高效率加工。其次，以r6g为探针分子，研究金膜厚度对本发明制备的拉曼表面增强基底的拉曼增强效果的影响规律。最后，研究在该拉曼表面增强基底表面下检测溶解酶的拉曼强度。相比于同类化学制备的基底，可以更长时间的保存，且在检测过程中可以检测不同生物试剂，进而增加了检测范围。与现有拉曼基底的制备方法的区别：现有拉曼基底制备方法大多为微纳加工方法，其设备成本高，所要求加工环境严格；其他阳极氧化方法制备基底时，前期需要准备大量工作(如对所选材料的物理抛光、电化学抛光、退火、脱脂等)，本发明的制备方法只需对所选材料进行碳化硅砂纸打磨以及乙醇清洗，准备工作有明显减少，提高了工作效率。而且，传统化学方法主要采用化学合成纳米粒子，进而实现对拉曼信号的增强，化学方法合成的纳米粒子，主要缺点在于其可重复性较差，制备出的基底不可以长时间保留。

上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。