表面增强拉曼散射基底及其制备方法
技术领域
本发明涉及表面增强拉曼检测技术领域，尤其涉及一种银纳米粒子/ZnO纳米塔表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，简称SERS)基底的制备方法。
背景技术
1928年，C.V.Raman发现了拉曼散射现象。60年代激光器大幅提高了激发效率，成为拉曼光谱的理想光源，拉曼散射的研究进入全新时期。后期单色仪、检测器、光学显微镜、微弱信号检测技术与计算机技术的发展，使拉曼光谱技术在化学、物理和生物等许多领域取得很大的进展。目前，拉曼光谱技术己被广泛应用于材料、化工、石油、高分子、生物、环保、地质等领域。
拉曼散射效应非常弱，其散射光强度约为入射光强度的10-6～10-9，极大地限制了拉曼光谱的应用和发展。1974年Fleischmann等人发现吸附在粗糙金银表面的tt旋分子的拉曼信号强度得到很大程度的提高，同时信号强度随着电极所加电位的变化而变化。1977年，Jeanmaire与Van Duyne，Albrecht与Creighton等人经过系统的实验研究和理论计算，将这种与银、金、铜等粗糙表面相关的增强效应称为表面增强拉曼散射(Surface enhancedRaman Scattering，SERS)效应，对应的光谱称为表面增强拉曼光谱。随后，人们在其它粗糙表面也观察到SERS现象。
过去的几十年以来，SERS光谱作为一种快速、无损、环保的检测手段，在化学、食品、药学和生物分子等高灵敏度检测领域受到了广泛的关注。SERS基底上最大的拉曼信号和较大比例的平均增强通常都来自极高增强的高度局部化位置(hot-spots，即热点)。因此制备负载高密度热点的SERS基底对进一步降低基底的检测限来扩展SERS技术的应用领域而言非常重要，特别是对于最近研究非常热的单分子拉曼检测技术。热点的主要来源包括：金属粒子的纳米间隙和金属的纳米尖端，因此可以从这两方面入手提高基底的热点密度。此外，Eric C.Le Ru等人报道要从热点上获的高的信号增强，待测分子必须接近或位于热点区域(通常要求为小于10nm)，这一点受到极少的关注且挑战性非常大。
传统的SERS基底由纯贵金属组成，但是这种基底成本昂贵，且对技术需求高，不适用于实际应用。最近，贵金属/半导体异质SERS基底受到了关注，因为它不仅具有纯贵金属基底的电磁增强，而且通过贵金属、半导体、待测分子三者之间的电子转移还可以拥有较强的化学增强，此外半导体的各种结构可以负载众多贵金属粒子从而实现高密度的三维热点。其中银/ZnO异质基底由于ZnO多变的结构和银与ZnO的功函数差导致的电子转移共振而受到了广泛的研究。但是，目前的银/ZnO异质基底制备方法主要有离子溅射、化学镀、光化学还原、电沉积等，存在几个缺点：
首先，其制备设备昂贵，难以通过简单而廉价的方式大规模制备出低检测限具有实际应用价值的SERS基底，
其次，现有的方法制备的银/ZnO异质基底对于拉曼光谱的增强作用并不理想，还有很大可以改进的空间。
发明内容
为了进一步提高银/ZnO异质基底对于拉曼光谱的增强效果，也为了研发更加简便的方法制备银/ZnO异质表面增强拉曼散射基底的方法，本发明的发明人进行了深入细致的研究，结果发现并提供了简便且廉价的制备表面增强拉曼散射基底的方法，及制备了具有高灵敏度的表面增强拉曼散射基底。
具体而言，本发明提供一种表面增强拉曼散射基底，其包含四面体和立方体银纳米粒子以及ZnO纳米塔阵列，四面体和立方体的银纳米粒子平均直径约为50～110nm，ZnO纳米塔形似六棱柱，在尖端处棱柱直径逐渐减小，形成阶梯状形貌，ZnO纳米塔的平均长度为2～4μm，半身高处平均直径为500～800nm。
本发明的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其包含：
纳米银溶胶制备工序，将无机银盐和聚乙烯吡咯烷酮溶于有机溶剂中，混合均匀，在160～180℃加热反应20～24小时，冷却至室温，将产物纯化后分散在乙醇中得到纳米银溶胶；
纳米塔准备工序，将羟基化处理过的硅片，悬挂于由氯化锌和氨水构成的ZnO纳米塔生长溶液中，密封加热至85～95℃，进行50～90分钟的反应，生长ZnO纳米塔阵列，反应结束后，取出硅片，清洗干燥，得到ZnO纳米塔阵列；
组装工序，将纳米银溶胶滴铸于ZnO纳米塔阵列，从而组装得到银/ZnO纳米塔表面增强拉曼散射基底。
上述方法中首先通过溶剂热法合成由四面体和立方体银纳米粒子组成的纳米银溶胶，然后在硅基底上通过化学浴沉积法制备ZnO纳米塔阵列，最后通过滴铸法将银溶胶与ZnO纳米塔阵列结合，由此本发明的表面增强拉曼散射基底的合成方法不涉及高温高压，也不需要昂贵的大型仪器，本发明可以以非常简便的方法制备检测限超低的表面增强拉曼散射基底。
附图说明
图1是本发明中制备的银溶胶的TEM图；
图2是本发明中制备的ZnO纳米塔的SEM图；
图3是本发明中制备的银纳米粒子/ZnO纳米塔基底的SEM图；
图4是本发明中制备的银纳米粒子/ZnO纳米塔基底的XRD图；
图5是本发明中制备的银纳米粒子/ZnO纳米塔基底检测10-7～10-18mol/L罗丹明的拉曼图谱，图5b为检测10-16、10-18mol/L R6G的放大拉曼图谱；
图6是本发明中用于对比的制备银纳米粒子/ZnO纳米棒的SEM图。(a)俯视图，(b)截面图；
图7是分别在ZnO纳米塔基底和ZnO纳米棒基底上滴加浓度为10-7M R6G溶液的SERS光谱图；
图8是不同反应时间制备的不同粒径和形貌的银溶胶的TEM图。(a)为11小时，(b)为12小时，(c)为14小时，(d)16小时，(e)22小时，(f)44小时；
图9是R6G滴铸于球状银纳米粒子/ZnO纳米塔基底上收集的拉曼信号图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
本发明提供一种表面增强拉曼散射基底，包含四面体和立方体银纳米粒子以及ZnO纳米塔阵列，四面体和立方体的银纳米粒子平均直径约为50～110nm，ZnO纳米塔形似六棱柱，在尖端处棱柱直径逐渐减小，形成阶梯状形貌，ZnO纳米塔的平均长度为2～4μm，半身高处平均直径为500～800nm。
本发明的表面增强拉曼散射基底由四面体和立方体银纳米粒子散落在ZnO纳米塔阵列上构成，其中的银纳米粒子的四面体和立方体的形貌是很重要的，本发明的发明人也测试了球状形貌的银纳米粒子与ZnO纳米塔的组合，发现其表面增强效果下降很多，其原因是：四面体和立方体银纳米粒子的顶角可以将光聚焦到顶角附近的纳米级体积中，并显著增加这些区域的近场强度，从而产生位于金属纳米尖端处的热点。优选地，四面体和立方体银纳米粒子平均直径约为60～80nm。另外，本发明的ZnO纳米塔的形似六棱柱，在尖端处棱柱直径逐渐减小，而形成阶梯状的形貌也是非常重要的。发明人也测试了柱状的ZnO纳米棒与纳米银颗粒的组合，发现表面增强效果相较于本发明的形貌的ZnO纳米塔减弱很多。本发明的ZnO纳米塔的形似六棱柱，在尖端处棱柱直径逐渐减小，而形成阶梯状的形貌能够带来更好的拉曼光谱表面增强的效果的原因是：这种阶梯的形貌不但可以使银纳米粒子坐落于阶梯上，还能减小待测溶液的动能，将待测溶液留于阶梯上的银纳米粒子附近，从而达到使待测分子更接近热点区域的目的。优选地，ZnO纳米塔的平均长度为2.5～3.5μm，半身高处平均直径为650nm～750nm。
银纳米粒子有多种形貌。ZnO纳米材料根据不同制备方法也有不同形貌，例如常见的纳米棒结构和本发明的纳米塔结构。本发明得到的低检测限银/ZnO异质表面增强拉曼散射基底通过上述特定形貌的银纳米粒子和特定形貌的ZnO纳米塔组合，发挥纳米间隙和尖端两种热点效果，且能够滞留待测分子于热点区域，因此在测试中极大的提高了拉曼光谱增强效应。以罗丹明6G(以下也计作R6G)作为检测对象分子时，可获得最低可检测到浓度为1×10-18mol/L的结果，这优于目前所报道的大部分银/ZnO异质SERS基底。
本发明的表面增强拉曼散射基底的制备方法，其包含：
纳米银溶胶制备工序，将无机银盐和聚乙烯吡咯烷酮溶于有机溶剂中，混合均匀，在160～180℃加热反应20～24小时，冷却至室温，将产物纯化后分散在乙醇中得到纳米银溶胶；
纳米塔准备工序，将羟基化处理过的硅片，悬挂于由氯化锌和氨水构成的ZnO纳米塔生长溶液中，密封加热至85～95℃，进行50～90分钟的反应，生长ZnO纳米塔阵列，反应结束后，取出硅片，清洗干燥，得到ZnO纳米塔阵列；
组装工序，将纳米银溶胶滴铸于ZnO纳米塔阵列，从而组装得到银/ZnO纳米塔表面增强拉曼散射基底。
纳米银溶胶制备工序中，使用溶剂热法合成纳米银溶胶，无机银盐典型的是使用硝酸银，相对于1质量份的硝酸银，一般聚乙烯吡咯烷酮的投料量是8质量份～20质量份，优选9～10质量份。有机溶剂，考虑到溶解性，优选使用N，N-二甲基甲酰胺，但不限于此，溶剂的投料量适量即可没有限制，一般是相对于硝酸银为100质量份～1000质量份。典型的制备四面体和立方体银纳米粒子组成的银溶胶的实验室工序，例如：
将0.01～0.04g硝酸银和0.155～0.4g聚乙烯吡咯烷(PVP，K85-95，Mw＝1300000)溶于20～60ml N，N-二甲基甲酰胺(DMF，购买自ALADDIN)溶液中，使用磁力搅拌30～50min至淡黄色。将淡黄色溶液转移至反应釜中，加热至160～180℃反应20～24h。反应结束后，立即取出高压釜，在流动的水中冷却至室温。反复用乙醇离心纯化产物，并最终分散在10～30mL乙醇中得到浓度为2×10-4g/ml～2.5×10-3g/ml的纳米银溶胶。
本发明人发现，为了得到粒径50～110nm的四面体和立方体银纳米粒子，控制160～180℃加热反应20～24小时的条件是重要的，发明人监测了在上述示例的反应中银纳米粒子形貌粒径的变化，其随着时间推移，银纳米粒子粒径和形状改变有着一定规律，具体见图8，20～24小时的反应时间可以获得合适粒径的四面体和立方体银纳米粒子。
本发明人最新发现，纳米塔准备工序中，将硅片进行羟基化然后在生长ZnO是获得纳米塔的关键，表面富有羟基的硅片有利于纳米塔的成核。硅片的羟基化操作与现有技术并无区别，典型的硅片羟基化实验室流程可以举例如下：
将硅片(2cm×2cm)分别使用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗10～15min，将清洗后的硅片在浓硫酸中90～95℃下加热1～1.5h，之后将硅片放于蒸馏水：氨水：过氧化氢体积比为5：1：1的混合溶液中超声25～40min，最后在蒸馏水中超声10min并吹干待用。
纳米塔准备工序中，构成的ZnO纳米塔生长溶液可以通过混合氯化锌和氨水获得，ZnO纳米塔生长溶液中氯化锌和氨水的配比可以影响ZnO纳米塔的形貌，本发明中，相对于1g氯化锌，投料1.48～5.56ml的氨水，可以获得本发明所需形貌的ZnO纳米塔。
典型的ZnO纳米塔生长溶液的实验室制备例子如下：将0.32～0.65g氯化锌溶于38ml蒸馏水中，搅拌5min，再加入1.2～3ml氨水，搅拌8～15min。
本发明使用硅基底上通过化学浴沉积法制备ZnO纳米塔阵列，反应的温度控制在85～95℃，进行50～90min的时间是重要的。典型的ZnO纳米塔生长过程的实验室制备例子如下：
使用聚酰亚胺胶带将羟化过的硅片悬挂于生长溶液中，并用保鲜膜将烧杯密封。再将烧杯放于烘箱中，85～95℃加热50～90min。反应完成后，取出硅片，使用蒸馏水超声清洗1min，吹干，即得到ZnO纳米塔阵列。
上述的组装工序，用简单的滴铸法将纳米银溶胶制备工序中制备的浓度2×10-4g/ml～2.5×10-3g/ml的银胶液滴铸在ZnO纳米塔阵列上，作为滴加的比率，每1cm2滴加的银溶胶的量为0.2～0.6ml，可以获得成本和最佳增强效果的平衡。
典型的银纳米粒子/ZnO纳米塔SERS基底的组装实验室制备例子如下：
将ZnO纳米塔阵列切为0.5cm×0.5cm大小，然后用注射器将0.05ml银胶体滴在ZnO纳米塔阵列上，并在38～55℃下干燥，最后将该步骤重复2～3遍。
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1
工序A：由四面体和立方体银纳米粒子组成的银溶胶的制备。将0.0238g硝酸银和0.155g PVP溶于29ml DMF溶液中，使用磁力搅拌30min至淡黄色。将淡黄色溶液转移至反应釜中，加热至170℃反应22h。反应结束后，立即取出高压釜，在流动的水中冷却至室温。反复用乙醇离心纯化产物，并最终分散在20ml乙醇中。制备出的银溶胶的透射电镜(TEM)图，如图1(a)所示，银纳米粒子形状主要是立方体和四面体，且其中立方体占比更大，平均直径约为64nm。立方体和四面体银纳米粒子均有顶角，在偶极等离子体共振条件下，可以在这些高曲率顶角区域附近产生更高的电场(即，热点)，因此比球形和准球形银纳米粒子具有更强的SERS性能。
工序B：羟化硅片的制备。将硅片(2cm×2cm)分别使用丙酮、乙醇、蒸馏水超声清洗15min，将清洗后的硅片在浓硫酸中90℃下加热1h，之后将硅片放于蒸馏水：氨水：过氧化氢体积比为5：1：1的混合溶液中超声30min，最后在蒸馏水中超声10min并吹干待用。
工序C：ZnO纳米塔阵列的制备。在50ml烧杯中，将0.54g氯化锌溶于38ml蒸馏水中，搅拌5min，再加入2ml氨水，搅拌10min制备成ZnO纳米塔生长溶液。之后使用2mm宽聚酰亚胺胶带将羟化过的硅片悬挂于生长溶液中，并用保鲜膜将烧杯密封。再将烧杯放于烘箱中，95℃加热75min。反应完成后，取出硅片，使用蒸馏水超声清洗1min，吹干，即得到ZnO纳米塔阵列。其场发射扫描电镜图(SEM)，如图2(b)所示，纳米塔半身高处平均直径约为700nm，长度约为3.2μm。塔身为六棱柱，塔尖棱柱直径逐渐减小，从而构成塔状阶梯。
工序D：银纳米粒子/ZnO纳米塔SERS基底的组装。首先将ZnO纳米塔阵列切为0.5cm×0.5cm大小，然后用注射器将0.05ml银胶体滴在ZnO纳米塔阵列上，并在55℃下干燥，最后将该步骤重复3遍，其SEM图见图3。如图3(a)所示，银纳米粒子在ZnO纳米塔阵列上均匀分布，纳米塔的侧面和顶端均存在大量银纳米粒子，且银纳米粒子之间的距离非常小，这将产生在相邻的纳米粒子之间产生强的局域表面等离子激元耦合，即银纳米粒子间隙热点。如图3(b)所示，可见大量银纳米粒子滞留在纳米塔尖端的阶梯上，因此纳米塔尖端将存在大量热点。
所得到的银纳米粒子/ZnO纳米塔基底的X-射线衍射谱图，如图4所示，所有的衍射峰(不包括硅峰)与六方相ZnO和立方相银的标准衍射峰(JCPDS卡号36-1451；JCPDS卡号04-0783)一致，表明了ZnO纳米塔和银纳米粒子的高纯度和结晶性。在34.4°处强烈而尖锐的衍射峰表明ZnO纳米塔阵列优先沿[0001]方向生长，并且装饰有银纳米粒子的纳米台阶属于(002)晶面。
使用R6G作为检测对象分子评估这种银纳米粒子/ZnO纳米塔基底的SERS性能。测试在Xplora Plus拉曼光谱仪上完成，激光波长为532nm，激光功率为0.32mW。如图5(a)所示，对于10-7～10-18mol/L不同浓度的R6G溶液，在611，771，1125，1189，1308，1360，1508，1573和1649cm-1处的R6G特征峰均能明显被观察出，且随浓度减小特征峰峰强逐渐减小。如图5(b)所示，即使R6G溶液浓度低至10-16、10-18mol/L依然能观察到明显的R6G特征峰。
对比例1
银纳米粒子/ZnO纳米棒阵列(AZR)基底与银纳米粒子/ZnO纳米塔阵列(AZT)基底SERS性能对比
为了评估AZT基底的拉曼活性，制备了银纳米粒子/ZnO纳米棒阵列(AZR)基底，用以与AZT阵列基底进行比较。
除了改变实施例1中的工序B和C替换为下述工序C’，其他与实施例等同操作。这是因为，溅射了ZnO种子层的硅片可以辅助纳米棒成核，进行ZnO的生长时会获得纳米棒，具体而言步骤如下。
工序C’：
使用磁控溅射在2cm×2cm Si基底上溅射一层50nm厚的ZnO种子层，然后使用工序C相同的方法悬挂于0.1M ZnCl2、2ml氨水配制的生长溶液，并在95℃加热75min。反应完成后，取出硅片，使用蒸馏水超声清洗1min，吹干，即得到ZnO纳米棒阵列。
然后通过滴铸法将由立方体和四面体银纳米粒子组成的银溶胶组装到ZnO纳米棒阵列上。图6所示为AZR阵列基底的SEM图，ZnO纳米棒的直径约为35nm，长度约为2μm，从图中可以看出，银纳米粒子均匀地分布在ZnO纳米棒阵列上，如图6(a)所示，且被捕获在纳米棒间的间隔大约100nm深度处，如图6(b)所示，因此，ZnO纳米棒上的银纳米粒子相当于2D分布。
如图7为在AZT基底和AZR基底上滴加浓度为10-7M R6G溶液的SERS光谱图。从图中可以清楚地识别R6G的拉曼特征峰，其中611cm-1、771cm-1、1125cm-1处的特征峰分别与R6G分子的C–C–C面内弯曲振动、C–C–C面外弯曲振动、C–H平面弯曲振动有关，1189cm-1、1360cm-1、1508cm-1和1649cm-1处的特征峰归因于C–C面内拉伸振动对称模式。由于立方体和四面体银纳米粒子顶角产生的强局域表面等离子体共振(LSPR)以及银纳米粒子与ZnO之间的电子转移共振，AZR阵列基底的SERS活性较高。然而，AZT基底的所有特征峰的强度是AZR阵列的1.5倍。这是因为，与直径约35nm纳米棒相比，ZnO纳米塔具有更大的直径(约700nm)及丰富的纳米阶梯，如图3所示，可以将大量粒径约60nm的银纳米粒子锚定在塔表面，从而实现高密度3D热点分布，特别是纳米阶梯上可以滞留银纳米粒子的同时又保证了它们有合适的距离，使得纳米阶梯上有丰富的拉曼热点，如图3(d)所示。另外，当待测溶液滴铸于纳米塔上时，粗糙的纳米阶梯可将溶液滞留在纳米阶梯上，溶液蒸发后，R6G分子保留在热点区域周围。此外，和没有尖端的ZnO纳米棒相比，纳米塔的倾斜顶点有利于将这些位置的银纳米粒子更多地暴露于入射激光下，从而产生强的热点。
对比例2
银纳米粒子形貌对银纳米粒子/ZnO纳米塔阵列SERS性能的影响
为了研究银纳米粒子形貌对银纳米粒子/ZnO纳米塔阵列SERS性能的影响，制备了球状银纳米粒子组装的AZT基底，将之与立方体、四面体银纳米粒子组装的AZT基底进行比较。
除了改变实施例1中的工序A为下述工序A’，其他与实施例等同操作
A’：在工序A基础上改变反应时间为16h，得到纳米银溶胶。
工序A’得到图8(d)所示球形纳米银溶胶，将其滴加到ZnO纳米塔阵列上制成基底，分别将1×10-6M至1×10-13M不同浓度的R6G滴于球状银纳米粒子/ZnO纳米塔基底上，并收集拉曼信号。结果如图9所示，随R6G浓度从1×10-6M降至1×10-13M，拉曼特征峰强度逐渐减小，1×10-13M依稀能分辨出R6G拉曼特征峰，说明球状银纳米粒子/ZnO纳米塔基底对R6G的检测限为1×10-13M。球状银纳米粒子/ZnO纳米塔1×10-7M浓度R6G的拉曼峰强是AZT基底峰强的3/4，检测限也比AZT基底低五个数量级，这说明立方体、四面体状银纳米粒子可以增加AZT基底的拉曼活性。
可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。本发明提供的多个方案包含本身的基本方案，相互独立，并不互相制约，但是其也可以在不冲突的情况下相互结合，达到多个效果共同实现。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
