一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件及其制备方法、应用和使用方法与流程

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件及其制备方法、应用和使用方法。

背景技术：

表面增强拉曼散射光谱技术凭借衬底材料表面具有电磁场的增强效应，可极大地增强痕量分子的拉曼散射信号，通过其特征峰位、强度或线宽信息差异可以获得分子的构型构象的不同及其同分异构体的鉴别，在痕量环境污染物及其不同异构体的快速分析中具有独特的优势，尤其是在具有不同毒性的异构体分子的分析中起着十分重要的作用。由于表面增强拉曼散射光谱技术在空间分辨率和局域电磁增强性能方面的局限性，其很难获取单分子尺度上拉曼散射信号，所以纳米针尖与纳米结构局域增强技术相结合的针尖拉曼增强技术已开始用于分子尺度的材料、生物环境样品的表征分析，但是该技术仍然很难获取单分子构型构象及其同分异构体之间的差异性。因此，急需一种能够获得真实单分子在衬底表面的构型构象差异性的器件及表征方法。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件；本发明的目的之二在于提供一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件的制备方法；本发明的目的之三在于提供一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件在单分子构型构象中的应用；本发明的目的之四在于提供一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件的使用方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件，包括复合金属纳米孔阵列衬底和原子力显微镜探针；所述复合金属纳米孔阵列衬底自下而上依次由硬质基底、铬层、金层、上表面包覆金膜的银层组成，所述纳米孔阵列设置于银层和金层上，且纳米孔垂直深度小于银层和金层的厚度之和，纳米孔孔壁包覆有金膜；所述原子力显微镜探针表面包覆有银膜，探针针尖表面具有条纹。

进一步，所述硬质基底为硅片或玻璃片。

进一步，所述铬层的厚度为2-3nm，金层的厚度为50-100nm，银层的厚度为20-50nm，银膜的厚度为10-20nm。

进一步，所述纳米孔阵列中纳米孔孔径为50-100nm，周期为100-200nm。

进一步，所述银膜的材料为掺杂且晶格不规则的银材料。

进一步，所述探针针尖处曲率半径小于30nm。

2、所述的一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

(1)制备复合金属纳米孔阵列衬底

将硬质基底清洗干净后，自下而上依次沉积铬层、金层和银层，然后利用聚焦离子束刻蚀技术首先刻蚀银层，刻蚀过程中溅射出的银原子重新沉积在银层未被刻蚀的地方，待所述银层被刻穿后，开始刻蚀金层，刻蚀过程中溅射出的金原子重新沉积在银层未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔的孔壁上，至银层未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔的孔壁被溅射出的金原子完全覆盖且纳米孔垂直深度小于银层和金层的厚度之和，制得复合金属纳米孔阵列衬底；

(2)制备针尖

将原子力显微镜探针清洗干净后，在探针表面沉积银膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术对探针针尖进行处理，使针尖表面具有条纹。

进一步，所述方法包括如下步骤：

(1)制备复合金属纳米孔阵列衬底

利用等离子体清洗机或化学方法将硬质基底清洗干净后，采用磁控溅射或真空蒸镀技术自下而上依次沉积铬层、金层和银层，然后利用聚焦离子束刻蚀技术，采用镓源，选用15μm光阑，在束流小于5pA，聚焦离子束剂量为0.02-0.1nC/μm²条件下，首先刻蚀银层，刻蚀过程中溅射出的银原子重新沉积在银层未被刻蚀的地方，待所述银层被刻穿后，开始刻蚀金层，刻蚀过程中溅射出的金原子重新沉积在银层未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔的孔壁上，至银层未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔的孔壁被溅射出的金原子完全覆盖且纳米孔垂直深度小于银层和金层的厚度之和，制得复合金属纳米孔阵列衬底；

(2)制备针尖

利用等离子体清洗机将原子力显微镜探针清洗干净后，采用磁控溅射或真空蒸镀在探针表面沉积银膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术，采用氦源，选用15μm光阑，在束流为1pA，聚焦离子束剂量为0.01-0.02nC/μm²条件下，刻蚀探针针尖，调节针尖的曲率半径，并在针尖表面刻蚀条纹。

3、所述的一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件在单分子拉曼指纹表征中的应用。

4、所述的一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件的使用方法，所述方法具体为：将待测样品液滴于所述的复合金属纳米孔阵列衬底上，然后同时利用安装有所述的原子力显微镜探针的原子力显微镜和拉曼共聚焦显微光谱仪对复合金属纳米孔阵列衬底表面进行扫描，对比分析复合金属纳米孔阵列衬底上纳米孔内、两个相邻纳米孔之间、三个相邻纳米孔之间的针尖增强散射信号特征峰位和峰强，获取单个待测分子在衬底表面构型构象的差异。

本发明的有益效果在于：本发明提供了一种用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件及其制备方法、应用和使用方法，该器件包括复合金属纳米孔阵列衬底和原子力显微镜探针，该复合金属纳米孔阵列衬底中沉积的铬层可以提高金层对硬质基底的吸附性，沉积的银层可以极大地增强纳米孔附近单分子的拉曼散射信号，同时由于金膜包覆于银层表面，能够有效地防止银层氧化。通过控制纳米孔阵列衬底上纳米孔尺寸、周期，可以对衬底表面局域电磁场分布进行调节及单个分子的捕获，再结合金、银贵金属膜的表面局域电磁增强效果，可极大地增强纳米孔内、阵列表面附着的分子的拉曼散射信号。本发明中将原子力显微镜探针表面包覆银膜，并使探针针尖处曲率半径小于30nm，使得针尖局域电磁场增强效应局限于单分子尺寸，同时在针尖周围刻蚀出条纹，由于探针表面银膜的材料掺杂且晶格不规则，会影响氦离子刻蚀速度，致使刻蚀出的条纹深度不一致，这样可以极大地增针尖强局域电磁场。该器件可以实现单分子级别的分子指纹光谱的表征分析，进而克服普通拉曼或表面增强散射拉曼无法获取真实单分子在衬底表面的构型构象差异性的缺点，同时，也可以被应用到异构体分子构型构象的表征，实现单分子水平上的异构体的判别分析。

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为制备复合金属纳米孔阵列衬底的工艺流程图；

图2为制备复合金属纳米孔阵列衬底时聚焦离子束刻蚀原理图；

图3为复合金属纳米孔阵列衬底的俯视图；

图4为原子力显微镜探针针尖示意图；

图5为利用本发明中原子力显微镜探针扫描复合金属纳米孔阵列结构不同位置时的示意图；

其中，图1中，1表示硬质基底，2表示铬层，3表示金层，4表示银层，5表示金膜，6表示纳米孔。

具体实施方式

下面将对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例1

制备用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件

(1)制备复合金属纳米孔阵列衬底

参见图1中复合金属纳米孔阵列衬底制备工艺流程图，利用等离子体清洗机将玻璃片1清洗干净后，采用真空蒸镀技术自下而上依次沉积2nm厚的铬层2、100nm厚的金层3和20nm厚的银层4，然后利用聚焦离子束刻蚀技术(刻蚀原理参见图2)，采用镓源，选用15μm光阑，在束流小于5pA，聚焦离子束剂量为0.1nC/μm²条件下，首先刻蚀银层4，刻蚀过程中溅射出的银原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方，待所述银层4被刻穿后，开始刻蚀金层3，刻蚀过程中溅射出的金原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁上，至银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁被溅射出的金原子完全覆盖且纳米孔6垂直深度小于银层4和金层3的厚度之和，此时银层4上形成了金膜5，制得纳米孔孔径为50nm，周期为100nm的复合金属纳米孔阵列衬底，该复合金属纳米孔阵列衬底的俯视图如图3所示；

(2)制备针尖

利用等离子体清洗机将原子力显微镜探针清洗干净后，以掺杂且晶格不规则的银材料为膜料，采用真空蒸镀在探针表面沉积20nm厚的银膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术，采用氦源，选用15μm光阑，在束流为1pA，聚焦离子束剂量为0.02nC/μm²条件下，刻蚀探针针尖，使针尖处曲率半径为20nm，并在针尖表面刻蚀条纹，所制备的原子力显微镜探针针尖示意图如图4所示。

实施例2

制备用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件

(1)制备复合金属纳米孔阵列衬底

参见图1中复合金属纳米孔阵列衬底制备工艺流程图，利用等离子体清洗机将玻璃片1清洗干净后，采用真空蒸镀技术自下而上依次沉积3nm厚的铬层2、50nm厚的金层3和35nm厚的银层4，然后利用聚焦离子束刻蚀技术(刻蚀原理参见图2)，采用镓源，选用15μm光阑，在束流小于5pA，聚焦离子束剂量为0.05nC/μm²条件下，首先刻蚀银层4，刻蚀过程中溅射出的银原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方，待所述银层4被刻穿后，开始刻蚀金层3，刻蚀过程中溅射出的金原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁上，至银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁被溅射出的金原子完全覆盖且纳米孔6垂直深度小于银层4和金层3的厚度之和，此时银层4上形成了金膜5，制得纳米孔孔径为80nm，周期为150nm的复合金属纳米孔阵列衬底，该复合金属纳米孔阵列衬底的俯视图如图3所示；

(2)制备针尖

利用等离子体清洗机将原子力显微镜探针清洗干净后，以掺杂且晶格不规则的银材料为膜料，采用真空蒸镀在探针表面沉积15nm厚的银膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术，采用氦源，选用15μm光阑，在束流为1pA，聚焦离子束剂量为0.01nC/μm²条件下，刻蚀探针针尖，使针尖处曲率半径为25nm，并在针尖表面刻蚀条纹，所制备的原子力显微镜探针针尖示意图如图4所示。

实施例3

制备用于拉曼光谱表征的局域电磁场增强器件

(1)制备复合金属纳米孔阵列衬底

参见图1中复合金属纳米孔阵列衬底制备工艺流程图，利用等离子体清洗机将玻璃片1清洗干净后，采用真空蒸镀技术自下而上依次沉积2nm厚的铬层2、75nm厚的金层3和50nm厚的银层4，然后利用聚焦离子束刻蚀技术(刻蚀原理参见图2)，采用镓源，选用15μm光阑，在束流小于5pA，聚焦离子束剂量为0.02nC/μm²条件下，首先刻蚀银层4，刻蚀过程中溅射出的银原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方，待所述银层4被刻穿后，开始刻蚀金层3，刻蚀过程中溅射出的金原子重新沉积在银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁上，至银层4未被刻蚀的地方和经刻蚀所形成的纳米孔6的孔壁被溅射出的金原子完全覆盖且纳米孔6垂直深度小于银层4和金层3的厚度之和，此时银层4上形成了金膜5，制得纳米孔孔径为100nm，周期为200nm的复合金属纳米孔阵列衬底，该复合金属纳米孔阵列衬底的俯视图如图3所示；

(2)制备针尖

利用等离子体清洗机将原子力显微镜探针清洗干净后，以掺杂且晶格不规则的银材料为膜料，采用真空蒸镀在探针表面沉积10nm厚的银膜，然后利用聚焦离子束刻蚀技术，采用氦源，选用15μm光阑，在束流为1pA，聚焦离子束剂量为0.02nC/μm²条件下，刻蚀探针针尖，使针尖处曲率半径为27nm，并在针尖表面刻蚀条纹，所制备的原子力显微镜探针针尖示意图如图4所示。

实施例4

单个微囊藻毒素分子在衬底表面构型构象的差异表征

将实施例1中制备的器件用于单个微囊藻毒素分子在衬底表面构型构象的差异表征，具体如下：

配制浓度为10^-12M的微囊藻毒素待测样液，取10μL该待测样品滴于实施例1中制备的复合金属纳米孔阵列衬底上，然后同时利用安装有实施例1中处理后的原子力显微镜探针的原子力显微镜和拉曼共聚焦显微光谱仪对复合金属纳米孔阵列衬底表面进行扫描，借助原子力显微镜控制探针针尖在复合金属纳米孔阵列结构上的位置，如图5所示，进而获取复合金属纳米孔阵列结构衬底上微囊藻毒素分子的针尖增强拉曼散射信号，对比分析复合金属纳米孔阵列衬底上纳米孔内、两个相邻纳米孔之间、三个相邻纳米孔之间的针尖增强散射信号特征峰位和峰强，获取单个微囊藻毒素分子的平躺、分子嵌入纳米孔、分子原子与金键合，以及微囊藻毒素分子同分异构体分子之间构型构象的差异。

实施例5

类胡萝卜素异构体在衬底表面构型构象的差异表征

将实施例1中制备的器件用于类胡萝卜素异构体在衬底表面构型构象的差异表征，具体如下：

配制浓度为10^-12M的类胡萝卜素异构体待测样液，取10μL该待测样品滴于实施例1中制备的复合金属纳米孔阵列衬底上，然后同时利用安装有实施例1中处理后的原子力显微镜探针的原子力显微镜和拉曼共聚焦显微光谱仪对复合金属纳米孔阵列衬底表面进行扫描，借助原子力显微镜控制探针针尖在复合金属纳米孔阵列结构上的位置，如图5所示，进而获取复合金属纳米孔阵列结构衬底上类胡萝卜素异构体分子的针尖增强拉曼散射信号，对比分析复合金属纳米孔阵列衬底上纳米孔内、两个相邻纳米孔之间、三个相邻纳米孔之间的针尖增强散射信号特征峰位和峰强，获取类胡萝卜素异构体分子之间构型构象的差异。

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。