一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和应用与流程

本发明涉及一种表面增强拉曼散射芯片制备技术，具体涉及一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和应用。

背景技术：

拉曼光谱分析方法是基于印度科学家C.V.Raman发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动指纹图谱的光谱分析方法。当受到入射光激发产生拉曼散射时，几乎所有的有机分子包括极性分子和具有感应极化性(induction polarizability)的非极性分子都显示出拉曼效应(拉曼位移)，因此可以用于识别和区分物质的种类和结构。但是，由于大部分物质的散射截面极小，致使拉曼散射信号非常微弱。此外，因为拉曼散射光谱较低的灵敏性，在很长一段时间内拉曼散射光谱的实际应用受到很大限制。

表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)技术通过电磁增强机制(Electromagnetic Mechanism，EM)与化学增强机制(Chemical Enhancement Mechanism，CM)可以使拉曼散射信号增强10⁴至10¹⁰倍，显著的提升了拉曼散射光谱的信号强度。由于纳米科学与技术的发展，金银等纳米材料作为SERS活性基底实现了单分子检测，增强因子(Enhancement Factors,EFs)达到了10¹⁵，显示了SERS技术在分析物质结构和检测物质含量方面的巨大前景。但是，由于基底材料表面形貌的差异，极高的EFs是通过在局部构造共振纳米结构(单纳米颗粒体系、双纳米颗粒体系等)来实现，缺乏普适性，使得SERS始终未成为一项成熟的分析检测技术。然而，由于EM是SERS效应主要原因，表面等离子体共振激发的局域电磁场增强现象决定了SERS效应的强度，其中局域电磁场极强的区域被称为热点(hot spots)，在此区域基底可产生极强的SERS效应。控制基底材料纳米结构的间隙(一般小于5nm)可以改变基底材料的表面等离子体共振耦合水平，使得基底出现EFs高的热点区域，实现SERS信号的极大增强。随着材料科学与微纳加工技术的发展，不同规律性表面形貌和纳米尺度的基底材料可以制备。目前，常采用化学方法合成金属纳米颗粒，但该方法在制备过程中难以控制金属纳米结构间隙，无法满足实际分析检测的需求，从而限制了其产业化及在各个领域的应用，尤其难以实现微量或痕量物质的检测。

伴随着经济社会的高速发展，人们对生活质量的要求越来越高，越来越严重的环境、食品安全、生物医药、公共安全等问题逐渐引起了人们的关注，尤其是微量或痕量环境污染物、违禁食品添加剂，因其具有高积累性、毒性、致癌性、致畸性、致突变性等特性，对人类生活健康产生了严重的威胁，因此对其检测分析方法提出了更高的要求。常用的微量或痕量物质的检测分析技术，如免疫分析法、质谱和色谱分析法等，存在操作复杂、仪器用备昂贵等缺点。研究可进行现场快速灵敏分析的检测技术成为现阶段迫切的需求，开发适用于微量或痕量物质现场、快速、灵敏和简便的检测新技术是国际检测领域的重要研究方向之一。SERS是一种能够实现单分子、免标记的无损检测技术，实现SERS技术检测微量或痕物质，有助于环境监测、食品安全、生物医药、公共安全等检测领域的发展。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于：(1)提供一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片；(2)提供一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备方法；(3)提供一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的应用。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片，包括芯片基底(1)，所述芯片基底(1)上加工有微结构阵列，所述微结构阵列表面镀有一层金属膜(2)，所述芯片基底(1)材料为压电/电致伸缩陶瓷。

进一步，所述压电/电致伸缩陶瓷材料为钛酸钡、钛酸钠铋或铌酸钠钾中的一种或多种。

进一步，所述微结构阵列的微结构呈柱形、锥形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形。

进一步，所述微结构阵列的微结构尺寸为0.5～100μm，阵列周期为0.5～100μm。

进一步，所述金属膜材料为Au、Ag、Pt、Cu或Pd中的一种。

进一步，所述金属膜的厚度为5～100nm。

进一步，所述金属膜(2)表面修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质(3)。

进一步，所述可以与目标分析物特异性结合的物质为经过筛选制备的能够与目标分析物特异性作用结合的抗体、核酸适配体分子或多肽分子中的一种。

3、制备所述的一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、选取压电/电致伸缩陶瓷作为芯片基底(1)的材料；

b、所选基底材料表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈柱形、锥形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀金属膜(2)；

d、在步骤c中的金属膜表面修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质(3)。

3、由所述的一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的方法制备的芯片在环境监测、食品安全、生物医药或公共安全一种或多种检测领域中的应用。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可调控热点的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和应用，该芯片以压电/电致伸缩陶瓷为基底材料，通过改变压电/电致伸缩陶瓷两端的电压可以使其发生收缩与膨胀，从而使得修饰在其表面的金属层纳米结构间隙发生改变，进而改变金属层的表面等离子体共振耦合水平，使得基底出现增强因子高的热点区域，实现表面增强拉曼散射信号的极大增强。该芯片制备方法简单，重复性高，易于实现规模化生产，适用于微量或痕量物质现场、快速、灵敏和简便的检测，有助于环境监测、食品安全、生物医药、公共安全等检测领域的发展。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图；

图2为本发明中可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的结构示意图；

图3为实施例1中制得的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的扫描电子显微镜图；

图4为实施例1中制得的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的原子力显微镜图；

图5为本发明中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的结构示意图；

图6为低浓度目标分析物富集原理图；

图7为表面增强拉曼芯片热点调控原理图。

其中，图2中，1为芯片基底，2为金属膜；图3中，1为芯片基底，2为金属膜，3为可以与目标分析物特异性结合的物质；图5中，3为可以与目标分析物特异性结合的物质，4为目标分析物，5为杂质。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取钛酸钡作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在钛酸钡基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈金字塔形，微结构尺寸为1.5μm，阵列周期为2.0μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀20nm厚的Ag膜，；

d、在步骤c中的Au膜表面修饰抗体，所述抗体为藻毒素MC-LR抗体分子；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为铜线。

实施例2

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取钛酸钠作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在钛酸钠基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈倒金字塔形，微结构尺寸为0.5μm，阵列周期为0.5μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀5nm厚的Au膜；

d、在步骤c中的Ag膜表面修饰藻毒素MC-LR核酸适配体AN1；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为铝线。

实施例3

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取铌酸钠钾作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在铌酸钠钾基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈柱形，微结构尺寸为20μm，阵列周期为20μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀40nm厚的Pt膜；

d、在步骤c中的Pt膜表面修饰双酚A抗体；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为银线。

实施例4

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取钛酸钡和铌酸钠钾的混合物作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在钛酸钡和铌酸钠钾的混合物基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈锥形，微结构尺寸为50μm，阵列周期为50μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀60nm厚的Cu膜；

d、在步骤c中的Cu膜表面修饰多氯联苯抗体；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为铝线。

实施例5

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取钛酸钡和钛酸钠的混合物作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在钛酸钡和钛酸钠的混合物基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列呈球形，微结构尺寸为70μm，阵列周期为70μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀80nm厚的Pd膜；

d、在步骤c中的Pd膜表面修饰多环芳烃抗体；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为铜线。

实施例6

根据图1中修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的制备流程图制备芯片，具体步骤如下：

a、选取钛酸钠和铌酸钠钾的混合物作为芯片基底的材料；

b、通过微纳加工在钛酸钠和铌酸钠钾的混合物基底表面加工微结构阵列，所述微结构阵列三角形，微结构尺寸为100μm，阵列周期为100μm；

c、在步骤b中的微结构阵列表面镀100nm厚的Au膜；

d、在步骤c中的Au膜表面修饰多氯联苯77核酸适配体；

e、在芯片基底上设置电极线，所述电极线为银线。

实施例1～6中，在微结构阵列表面镀金属膜后形成的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的示意图如图2所示，图2中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微结构阵列，所述微结构阵列表面镀有一层金属膜2。

图3为实施例1中制得的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的扫描电镜图，其中A、B、C、D的放大倍数分别为2000、5000、10000、20000，由图3可知，芯片表面的呈周期性微结构阵列。

图4为实施例1中制得的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片的原子力显微镜图，由图4可知，芯片表面的周期性微结构阵列的尺寸为1.5um，阵列周期为2um。

实施例1～6中，在金属膜表面修饰与目标分析物特异性结合的物质后形成的芯片的示意图如图5所示，图5中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微结构阵列，所述微结构阵列表面镀有一层金属膜2，所述金属膜2表面修饰有可以与目标分析物特异性结合的物质3。

实施例7

将实施例1中制备的可调控热点的表面增强拉曼散射芯片用于藻毒素的检测

首先分别将10μL不同浓度的藻毒素MC-LR标准品滴加到芯片上，然后在拉曼光谱仪器上进行检测，得到不同藻毒素MC-LR浓度下的拉曼光谱图，并根据信号分子的特征峰值(1087cm^-1)得到标准曲线，其中，藻毒素MC-LR标准品的浓度分别为0、0.01μg/L、0.1μg/L、5μg/L、10μg/L、50μg/L、100μg/L。最后，以自来水和湖水中最为待测样品，将其滴加到芯片上，检测自来水和湖水中藻毒素的污染情况，根据标准曲线进行对比，得到检测样品中藻毒素的浓度。

图6为低浓度目标分析物富集原理图，由图6可知，修饰在金属膜上的可以与目标分析物特异性结合的物质3可以与待检测样品种的目标分析物4特异性结合，通过清洗，去除杂质，达到富集目标分析物的目的。

图7为表面增强拉曼芯片热点调控原理图，由图7可知，通过改变电压，由于压电/电致伸缩陶瓷产生的收缩与膨胀可以调整其表面金属膜中相邻的贵金属纳米结构之间的间隙，从而改变金属层纳米结构的表面等离子体共振耦合水平，使得基底出现EFs高的热点区域，实现SERS信号的极大增强。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。