一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法,首先以块状金属铝靶为原料，充分打磨；然后将打磨后的铝靶置于色谱纯乙醇环境中进行超声；将超声后的铝靶表面擦干净置于装有液氮的小烧杯中，保持烧杯内液氮液面稳定；常温下，借助提电移台的辅助作用采用毫秒激光直接打靶，实现纳米结构的图案化。本发明专利技术克服了现有的制备工艺设备昂贵，工艺复杂，且增强体的重复性不好的问题。在常温常压下的液氮环境中实现了铝纳米结构增强体的简单合成，获得了更密集的拉曼热点，极大地提高了探测的灵敏度。本发明专利技术合成方法简单、操作简便、重复性好，对探测物分子的探测灵敏度高，且属于常温常压合成、绿色环保，是一种环境友好的绿色合成工艺。

【技术实现步骤摘要】
一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法
本专利技术涉及一种铝纳米结构的制备方法，特别涉及用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法。
技术介绍
近年来，LSPR现象由于其独特的光学性能和其在生物医药，食品安全等领域的重要应用而受到人们的广泛关注。金属表面的纳米结构受到入射光的作用激发等离子共振现象，产生局域增强的电场，该电场高度局域在纳米结构表面，主要受到纳米结构单元的形状、尺寸、所处介质环境以及结构单元间的距离等控制，参见：Lim,D.-K，Jeon,K-SandSuh,Y.D，Nat.Mater.2010,9,60-67。这种结构和环境依赖的LSPR已经被成功的应用于表面增强拉曼光谱(SERS)和表面增强荧光光谱(SEF)。所谓的SERS就是由于LSPR产生的显著增强的局域电场所影响，使得拉曼散射截面得到极大的提升的拉曼光谱，而电场显著增强的位置通常称之为拉曼热点，主要位于金属纳米结构(纳米团簇等)较小的间隙以及纳米尖端位置，并且在热点位置探测物分子的散射截面会呈现几个数量级的增强现象，甚至可以达到单分子的探测水平，参见：Talley,C.E，Jackson,J.BandOubre,C，NanoLett.2005,5,1569–1574。紫外光(UV)激发的拉曼光谱已经应用到许多有机物以及无机物的探测。此外，研究发现许多生物分子的荧光信号大都在可见光区域，而采用紫外激发光可以有效避免荧光信号的干扰问题。由于拉曼光谱中，探测物分子的散射截面正比于入射光频率的四次方，所以紫外光(UV)激发能够提升拉曼的信噪比，参见：Asher,S.AandJohnson,C.R,Science1984,225,311。而DNA等生物分子在紫外光有吸收带，能够与入射光产生共振拉曼效应，最终使得拉曼信号得到进一步的提升甚至可以达到108数量级,参见：ShankarK.JhaandZeeshanAhmed,J.Am.Chem.Soc.2012,134,1966-1969。目前，用于SERS研究的增强基底主要集中在可见光区域，研究主要集中在金以及银，但是由于其在可见光范围有吸收并且高成本和较低的资源储量极大地限制了其应用。相较于金以及银，铝表面出较显著地等离子共振现象，其在200nm附近对紫外光有显著地吸收并且LSPR从紫外光到可见光区域是高度可调的。但是，LSPR对于铝金属纳米结构的氧化以及纳米结构单元间的距离是十分敏感的，氧化程度越大，结构单元间的距离越远其LSPR所产生的电场增强越弱，最终导致SERS的性能下降。为了获得较好的拉曼信号，应该满足以下要求(1)、纳米团簇结构的性能优于单个纳米颗粒(2)、有效避免颗粒的内部氧化(3)、纳米结构单元之间的距离要尽量小，呈现密集分布的现象。目前的研究方法主要有，如光刻法制备高度有序的金属纳米结构，但是虽然其避免了颗粒的内部氧化问题，结构单元之间的距离较远，导致电场增强不明显，相应的拉曼热点也就十分的稀少；还有纳米压印的方法制备了同样有序的纳米结构，但是和光刻法同样面临结构单元尺寸大，拉曼热点少，设备昂贵，实验条件苛刻的问题，参见：TaoDingandDanielO.Sigle,ACSAppl.Mater.Interfaces2014,6,17358-17363。像这种传统的铝纳米结构的制备方法，例如光刻、纳米压印、分子束外延等，都要受到设备昂贵，实验条件苛刻等条件的限制，从而限制了LSPR的广泛应用。在这众多的合成方法中，激光直接刻写法(LDW)是一种简单、快速、低成本制备纳米结构的方法。借助液氮的急速冷却限制效应在电移台的辅助作用下采用毫秒激光刻蚀铝靶，在铝靶的表面快速制备尺寸小于100nm铝团簇阵列，其在紫外光区域有显著地吸收。这种表面密集分布的纳米结构会表面出较好的SERS性能和高密度的拉曼热点，且无论是增强体还是信号都会表现出极好的重复性。目前为止，像这种快速、简单地制备铝纳米颗粒结构的方法还未有所报道。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法，克服现有技术中制备SERS增强体的方法工艺复杂，设备昂贵且重复性也不好的问题。本专利技术的技术方案是：一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法,包括以下步骤：(1)以块状金属铝靶为原料，激光打靶之前，充分打磨，以达到充分去除表面氧化层以及达到表面近平滑的目的；(2)将打磨后的铝靶置于色谱纯乙醇环境中进行超声；(3)将超声后的铝靶表面擦干净置于装有液氮的小烧杯中，保持烧杯内液氮液面稳定；(4)常温下，借助提电移台的辅助作用采用毫秒激光直接打靶，实现纳米结构的图案化；(5)将制备完毕的纳米结构增强体放入不同浓度的结晶紫水溶液中浸泡，取出样品静置至样品表面没有液体流动时开始进行拉曼测试。所述步骤(1)充分打磨是指先用不同型号的砂纸充分打磨铝的表面，然后用50nm的氧化铝粉再进行打磨。所述步骤(3)液氮的液面高度维持在1-2.5cm。小烧杯置于装有液氮的保温杯中以保持烧杯内液氮液面稳定。所述铝靶纯度为99.995％，靶材厚度为2mm。所述步骤(4)毫秒激光直接打靶时，激光的能量为2.227J，激光重复频率为1HZ。激光打靶过程中每隔6min添加液氮量为5-10mL，以维持靶材上表面的液面高度。所述步骤(5)浸泡时间为18h。本专利技术的有益效果为：本专利技术采用毫秒激光直接溅射液氮环境中的铝靶，通过激光的烧蚀作用直接在靶材表面溅射产生小尺寸(10-100nm)的纳米颗粒或者团簇结构，由于纳米结构直接与基底相连，极大地提高了增强体结构的重复性以及探测的灵敏度；本专利技术利用毫秒激光一步法快速制备能够用于高灵敏度UV-SERS的铝纳米结构，克服了现有的制备工艺设备昂贵，工艺复杂，且增强体的重复性不好的问题。在常温常压下的液氮环境中实现了铝纳米结构增强体的简单合成，获得了更密集的拉曼热点，极大地提高了探测的灵敏度。此外，本专利技术所采用的合成方法简单、操作简便、重复性好，对探测物分子的探测灵敏度高，且属于常温常压合成、绿色环保，是一种环境友好的绿色合成工艺。附图说明图1本专利技术所用实验装置图；图2单脉冲激光作用一个点之后的作用点内部的纳米颗粒分布情况；(a)激光作用后的低倍扫描电子显微镜图片；(b)、(c)、(d)作用点内部不同位置的高倍扫描电子显微镜图片；图3为激光作用后靶材表面的三维形貌；(a)激光作用后的靶材形貌；(b)和(c)不同侧面的三维形貌；图4(a)(b)不同放大倍数下激光作用产物的表征；(c)激光作用产物的X射线衍射图片；(d)激光作用产物的透射电子显微镜图片；图5(a)为不同液面高度下制备的铝纳米结构的吸收图片；(b)为不同液面高度下制备的铝纳米结构的拉曼图片；(c)液面高度为1-1.5cm的铝纳米结构的扫描图片；(d)液面高度为1.5-2cm时纳米结构的扫描图片(e)液面高度为2-2.5cm时纳米结构的扫描图片其中1-毫秒聚焦光；2-液氮；3-铝靶；4-电移台。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术做详细说明。现将20×20×3mm的纯铝靶表面用砂纸不同型号的砂纸(先用粗砂纸，再用细砂纸)对靶材的表面进行充分的打磨，以有效地去除表面的氧化层，在用50nm的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法,其特征在于，包括以下步骤：(1)以块状金属铝靶为原料，激光打靶之前，充分打磨，以达到充分去除表面氧化层以及达到表面近平滑的目的；(2)将打磨后的铝靶置于色谱纯乙醇环境中进行超声；(3)将超声后的铝靶表面擦干净置于装有液氮的小烧杯中，保持烧杯内液氮液面稳定；(4)常温下，借助提电移台的辅助作用采用毫秒激光直接打靶，实现纳米结构的图案化；(5)将制备完毕的纳米结构增强体放入不同浓度的结晶紫水溶液中浸泡，取出样品静置至样品表面没有液体流动时开始进行拉曼测试。

【技术特征摘要】
1.一种用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法,其特征在于，包括以下步骤：(1)以块状金属铝靶为原料，激光打靶之前，充分打磨，以达到充分去除表面氧化层以及达到表面近平滑的目的；(2)将打磨后的铝靶置于色谱纯乙醇环境中进行超声；(3)将超声后的铝靶表面擦干净置于装有液氮的小烧杯中，保持烧杯内液氮液面稳定；(4)常温下，借助提电移台的辅助作用采用毫秒激光直接打靶，实现纳米结构的图案化；(5)将制备完毕的纳米结构增强体放入不同浓度的结晶紫水溶液中浸泡，取出样品静置至样品表面没有液体流动时开始进行拉曼测试。2.根据权利要求1所述用于表面增强拉曼散射的铝纳米结构的制备方法,其特征在于，所述步骤(1)充分打磨是指先用不同型号的砂纸充分打磨铝的表面，然后用50nm的氧化铝粉再进行打磨。3.根据权利要求1所述用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨静，李西美，杜希文，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12