一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片及其制備方法和應用與流程
本發明涉及一種表面增強拉曼散射芯片制備技術，具體涉及一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片及其制備方法和應用。
背景技術：
拉曼光譜分析方法是基于印度科學家C.V.Raman發現的拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動指紋圖譜的光譜分析方法。當受到入射光激發產生拉曼散射時，幾乎所有的有機分子包括極性分子和具有感應極化性(induction polarizability)的非極性分子都顯示出拉曼效應(拉曼位移)，因此可以用于識別和區分物質的種類和結構。但是，由于大部分物質的散射截面極小，致使拉曼散射信號非常微弱。此外，因為拉曼散射光譜較低的靈敏性，在很長一段時間內拉曼散射光譜的實際應用受到很大限制。
表面增強拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)技術通過電磁增強機制(Electromagnetic Mechanism，EM)與化學增強機制(Chemical Enhancement Mechanism，CM)可以使拉曼散射信號增強104至1010倍，顯著的提升了拉曼散射光譜的信號強度。由于納米科學與技術的發展，金銀等納米材料作為SERS活性基底實現了單分子檢測，增強因子(Enhancement Factors,EFs)達到了1015，顯示了SERS技術在分析物質結構和檢測物質含量方面的巨大前景。但是，由于基底材料表面形貌的差異，極高的EFs是通過在局部構造共振納米結構(單納米顆粒體系、雙納米顆粒體系等)來實現，缺乏普適性，使得SERS始終未成為一項成熟的分析檢測技術。然而，由于EM是SERS效應主要原因，表面等離子體共振激發的局域電磁場增強現象決定了SERS效應的強度，其中局域電磁場極強的區域被稱為熱點(hot spots)，在此區域基底可產生極強的SERS效應。控制基底材料納米結構的間隙(一般小于5nm)可以改變基底材料的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現EFs高的熱點區域，實現SERS信號的極大增強。隨著材料科學與微納加工技術的發展，不同規律性表面形貌和納米尺度的基底材料可以制備。目前，常采用化學方法合成金屬納米顆粒，但該方法在制備過程中難以控制金屬納米結構間隙，無法滿足實際分析檢測的需求，從而限制了其產業化及在各個領域的應用，尤其難以實現微量或痕量物質的檢測。
伴隨著經濟社會的高速發展，人們對生活質量的要求越來越高，越來越嚴重的環境、食品安全、生物醫藥、公共安全等問題逐漸引起了人們的關注，尤其是微量或痕量環境污染物、違禁食品添加劑，因其具有高積累性、毒性、致癌性、致畸性、致突變性等特性，對人類生活健康產生了嚴重的威脅，因此對其檢測分析方法提出了更高的要求。常用的微量或痕量物質的檢測分析技術，如免疫分析法、質譜和色譜分析法等，存在操作復雜、儀器用備昂貴等缺點。研究可進行現場快速靈敏分析的檢測技術成為現階段迫切的需求，開發適用于微量或痕量物質現場、快速、靈敏和簡便的檢測新技術是國際檢測領域的重要研究方向之一。SERS是一種能夠實現單分子、免標記的無損檢測技術，實現SERS技術檢測微量或痕物質，有助于環境監測、食品安全、生物醫藥、公共安全等檢測領域的發展。
技術實現要素：
有鑒于此，本發明的目的在于：(1)提供一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片；(2)提供一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備方法；(3)提供一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的應用。
為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：
1、一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片，包括芯片基底(1)，所述芯片基底(1)上加工有微結構陣列，所述微結構陣列表面鍍有一層金屬膜(2)，所述芯片基底(1)材料為壓電/電致伸縮陶瓷。
進一步，所述壓電/電致伸縮陶瓷材料為鈦酸鋇、鈦酸鈉鉍或鈮酸鈉鉀中的一種或多種。
進一步，所述微結構陣列的微結構呈柱形、錐形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形。
進一步，所述微結構陣列的微結構尺寸為0.5～100μm，陣列周期為0.5～100μm。
進一步，所述金屬膜材料為Au、Ag、Pt、Cu或Pd中的一種。
進一步，所述金屬膜的厚度為5～100nm。
進一步，所述金屬膜(2)表面修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質(3)。
進一步，所述可以與目標分析物特異性結合的物質為經過篩選制備的能夠與目標分析物特異性作用結合的抗體、核酸適配體分子或多肽分子中的一種。
3、制備所述的一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的方法，其特征在于，包括如下步驟：
a、選取壓電/電致伸縮陶瓷作為芯片基底(1)的材料；
b、所選基底材料表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈柱形、錐形、球形、三角形、金字塔形或倒金字塔形；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍金屬膜(2)；
d、在步驟c中的金屬膜表面修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質(3)。
3、由所述的一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的方法制備的芯片在環境監測、食品安全、生物醫藥或公共安全一種或多種檢測領域中的應用。
本發明的有益效果在于：本發明提供了一種可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片及其制備方法和應用，該芯片以壓電/電致伸縮陶瓷為基底材料，通過改變壓電/電致伸縮陶瓷兩端的電壓可以使其發生收縮與膨脹，從而使得修飾在其表面的金屬層納米結構間隙發生改變，進而改變金屬層的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現增強因子高的熱點區域，實現表面增強拉曼散射信號的極大增強。該芯片制備方法簡單，重復性高，易于實現規模化生產，適用于微量或痕量物質現場、快速、靈敏和簡便的檢測，有助于環境監測、食品安全、生物醫藥、公共安全等檢測領域的發展。
附圖說明
為了使本發明的目的、技術方案和有益效果更加清楚，本發明提供如下附圖進行說明：
圖1為本發明中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖；
圖2為本發明中可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的結構示意圖；
圖3為實施例1中制得的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的掃描電子顯微鏡圖；
圖4為實施例1中制得的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的原子力顯微鏡圖；
圖5為本發明中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的結構示意圖；
圖6為低濃度目標分析物富集原理圖；
圖7為表面增強拉曼芯片熱點調控原理圖。
其中，圖2中，1為芯片基底，2為金屬膜；圖3中，1為芯片基底，2為金屬膜，3為可以與目標分析物特異性結合的物質；圖5中，3為可以與目標分析物特異性結合的物質，4為目標分析物，5為雜質。
具體實施方式
下面將結合附圖，對本發明的優選實施例進行詳細的描述。
實施例1
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈦酸鋇作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈦酸鋇基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈金字塔形，微結構尺寸為1.5μm，陣列周期為2.0μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍20nm厚的Ag膜，；
d、在步驟c中的Au膜表面修飾抗體，所述抗體為藻毒素MC-LR抗體分子；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為銅線。
實施例2
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈦酸鈉作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈦酸鈉基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈倒金字塔形，微結構尺寸為0.5μm，陣列周期為0.5μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍5nm厚的Au膜；
d、在步驟c中的Ag膜表面修飾藻毒素MC-LR核酸適配體AN1；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為鋁線。
實施例3
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈮酸鈉鉀作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈮酸鈉鉀基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈柱形，微結構尺寸為20μm，陣列周期為20μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍40nm厚的Pt膜；
d、在步驟c中的Pt膜表面修飾雙酚A抗體；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為銀線。
實施例4
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈦酸鋇和鈮酸鈉鉀的混合物作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈦酸鋇和鈮酸鈉鉀的混合物基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈錐形，微結構尺寸為50μm，陣列周期為50μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍60nm厚的Cu膜；
d、在步驟c中的Cu膜表面修飾多氯聯苯抗體；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為鋁線。
實施例5
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈦酸鋇和鈦酸鈉的混合物作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈦酸鋇和鈦酸鈉的混合物基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列呈球形，微結構尺寸為70μm，陣列周期為70μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍80nm厚的Pd膜；
d、在步驟c中的Pd膜表面修飾多環芳烴抗體；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為銅線。
實施例6
根據圖1中修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的制備流程圖制備芯片，具體步驟如下：
a、選取鈦酸鈉和鈮酸鈉鉀的混合物作為芯片基底的材料；
b、通過微納加工在鈦酸鈉和鈮酸鈉鉀的混合物基底表面加工微結構陣列，所述微結構陣列三角形，微結構尺寸為100μm，陣列周期為100μm；
c、在步驟b中的微結構陣列表面鍍100nm厚的Au膜；
d、在步驟c中的Au膜表面修飾多氯聯苯77核酸適配體；
e、在芯片基底上設置電極線，所述電極線為銀線。
實施例1～6中，在微結構陣列表面鍍金屬膜后形成的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的示意圖如圖2所示，圖2中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微結構陣列，所述微結構陣列表面鍍有一層金屬膜2。
圖3為實施例1中制得的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的掃描電鏡圖，其中A、B、C、D的放大倍數分別為2000、5000、10000、20000，由圖3可知，芯片表面的呈周期性微結構陣列。
圖4為實施例1中制得的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片的原子力顯微鏡圖，由圖4可知，芯片表面的周期性微結構陣列的尺寸為1.5um，陣列周期為2um。
實施例1～6中，在金屬膜表面修飾與目標分析物特異性結合的物質后形成的芯片的示意圖如圖5所示，圖5中，芯片包括芯片基底1，所述芯片基底1上加工有微結構陣列，所述微結構陣列表面鍍有一層金屬膜2，所述金屬膜2表面修飾有可以與目標分析物特異性結合的物質3。
實施例7
將實施例1中制備的可調控熱點的表面增強拉曼散射芯片用于藻毒素的檢測
首先分別將10μL不同濃度的藻毒素MC-LR標準品滴加到芯片上，然后在拉曼光譜儀器上進行檢測，得到不同藻毒素MC-LR濃度下的拉曼光譜圖，并根據信號分子的特征峰值(1087cm-1)得到標準曲線，其中，藻毒素MC-LR標準品的濃度分別為0、0.01μg/L、0.1μg/L、5μg/L、10μg/L、50μg/L、100μg/L。最后，以自來水和湖水中最為待測樣品，將其滴加到芯片上，檢測自來水和湖水中藻毒素的污染情況，根據標準曲線進行對比，得到檢測樣品中藻毒素的濃度。
圖6為低濃度目標分析物富集原理圖，由圖6可知，修飾在金屬膜上的可以與目標分析物特異性結合的物質3可以與待檢測樣品種的目標分析物4特異性結合，通過清洗，去除雜質，達到富集目標分析物的目的。
圖7為表面增強拉曼芯片熱點調控原理圖，由圖7可知，通過改變電壓，由于壓電/電致伸縮陶瓷產生的收縮與膨脹可以調整其表面金屬膜中相鄰的貴金屬納米結構之間的間隙，從而改變金屬層納米結構的表面等離子體共振耦合水平，使得基底出現EFs高的熱點區域，實現SERS信號的極大增強。
最后說明的是，以上優選實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，盡管通過上述優選實施例已經對本發明進行了詳細的描述，但本領域技術人員應當理解，可以在形式上和細節上對其作出各種各樣的改變，而不偏離本發明權利要求書所限定的范圍。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！