一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用技术

本发明专利技术属于拉曼检测技术领域。尤其涉及一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用。所述芯片包括金属基板，该金属基板上分布有微米尺度的凸起结构，所述凸起结构上分布有纳米尺度的凹陷结构，所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒，金膜覆盖于所述凸起结构、凹陷结构和银纳米颗粒上。本发明专利技术通过将微纳米复合结构、银纳米颗粒、金薄膜复合到一起，彼此之间可以起到协同效果。另外，微纳米复合结构有序排列在金属薄板表面，银纳米颗粒通过纳米凹坑的限位，从而保证多次、不同位置测试时信号是完全一致，信号可重现性优异。最后，由于检测芯片最外层是一层金薄膜，具有非常稳定的物理化学性质，保证芯片具有良好的稳定性。

A Raman detection chip based on micro nano composite structure and nano particles and its preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用
本专利技术属于拉曼检测
尤其涉及一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用。
技术介绍
本专利技术
技术介绍
中公开的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。大多数癌症发病隐匿，恶性程度高，早期不易发现，预后极差。因此，提高癌症早期诊断率是提高总体疗效的关键所在，在癌症诊治中起着至关重要的作用。表面增强拉曼光谱(Surface-EnhancedRamanScattering,SERS)在拉曼光谱基础上发展而成，通过引入贵金属纳米颗粒，基于其局域表面等离子体共振效应，拉曼光谱信号强度可提升高达1014～1015倍，从而可对目标物的分子组成进行高灵敏度检测，具有类似“指纹识别”的特性，为癌症的早期诊断提供了一种有效技术方法。想要实现拉曼检测芯片的产业化应用，亟需解决如下关键技术问题：(1)提高信号增强性能，癌症早期需要检测的目标物质浓度往往非常低，因此需要极高的检测灵敏度；(2)信号可重现性，需要保证将待检测试样滴到芯片不同位置进行多次测试时，得到的结果完全一致，即信号可重现，才可能实际应用；(3)稳定性，制作芯片所用的银等材料遇到空气氧化，酸/碱环境腐蚀金属材料，导致芯片难以长时间有效，限制了其大规模应用。公开号为CN109187487A的专利文献公开了一种银纳米团簇表面增强拉曼散射基底。然而，本专利技术人研究发现：该技术基于单一尺度的纳米银颗粒实现拉曼信号增强，由于纳米银颗粒随机分布，无法保证多次测试的可重现性。公开号为CN110314830A的专利文献公开了一种基于单层有序纳米颗粒阵列的柔性表面增强拉曼散射基底。然而，本专利技术人研究发现：该技术在平面上铺设单层纳米颗粒，相比于在微纳米复合结构表面铺设纳米颗粒，形成的“热点”数量有限，信号增强性能有待进一步提高。公开号为CN110220881A的专利文献公开了一种基于纳米结构和有序纳米颗粒的柔性SERS基底及其制备方法和应用。然而，本专利技术人研究发现：该技术基于单一尺度的纳米结构和纳米颗粒，相对于微纳米复合结构，产生的“热点”数量少，信号增强功能有待进一步提高。此外，为了减弱聚合物基底材料产生的拉曼信号对被测物的干扰，往往需要沉积很厚的金属薄膜进行掩盖，但金属薄膜厚度需兼具干扰信号和信号增强的作用，厚度不是任意的，增强了设计制造难度。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术提供一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片及其制备方法与应用，这种拉曼检测芯片具有增强效果优异、信号可重现性强、稳定性好等技术优势。为实现上述目的，本专利技术公开下述的技术方案。本专利技术的第一方面，公开一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，包括金属基板，该金属基板上分布有微米尺度的凸起结构，所述凸起结构上分布有纳米尺度的凹陷结构，所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒，金膜覆盖于所述凸起结构、凹陷结构和银纳米颗粒上。进一步地，所述金属基板的材质包括金、银、铜、铂等具有拉曼增强效果的金属材料中的任意一种。进一步地，所述凸起结构呈阵列式分布在金属基板的表面，包括六边形阵列、矩形阵列、圆形阵列中的至少一种。进一步地，所述凸起结构包括金字塔结构、倒V型结构、圆锥形结构、圆台形结构、棱柱结构、棱台结构中的任意一种。进一步地，所述凸起结构的底部边长或直径为1μm～1000μm，高度为0.2μm～1000μm，相邻凸起结构之间的中心距为1μm～2000μm。进一步地，所述纳米凹坑结构的直径为1nm～1000nm，深度为1nm～800nm，相邻纳米凹坑结构之间的中心距为5nm～1000nm。进一步地，所述银纳米银颗粒直径为0.5nm～400nm，均匀分布在所述凹陷结构中。进一步地，所述金膜厚度为2nm～100nm，通过一层金薄膜将凸起结构和凹陷结构形成的微纳米复合结构以及银纳米颗粒包覆起来。本专利技术的第二方面，公开一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的制备方法，包括如下步骤：(1)通过金属热辊压工艺在金属基板表面加工微米尺度的凸起结构，然后采用湿法刻蚀工艺在所述凸起结构表面加工纳米尺度的凹陷结构，从而获得有序排列的微纳米复合结构，形成微纳米复合结构。(2)然后将带有微纳米复合结构的金属基板置于含银离子的溶液中，通过氧化还原置换出银纳米颗粒，使所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒。(3)通过溅射工艺在所述微纳米复合结构和纳米颗粒表面沉积金膜，即得。进一步地，步骤(1)中，所述金属热辊压工艺中，辊压温度为80～100℃，速度为50～1000r/min。进一步地，步骤(1)中，采用硝酸进行所述湿法刻蚀工艺，可选地，所述硝酸的质量浓度为10％～70％，刻蚀时间30～400s。进一步地，步骤(2)中，所述含银离子的溶液为柠檬酸钠和硝酸银溶液，氧化还原置反应温度为100～120℃，时间为30～60min。进一步地，步骤(3)中，所述金膜的沉积采用离子溅射工艺，其真空度为0.5×10-5～3.5×10-5Pa，沉积速率为5～20nm/min，时间为0.2～5min。本专利技术的第三方面，公开所述基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片在生物检测、医疗领域等中的应用。与现有技术相比，本专利技术突破了制约拉曼检测芯片产业化的技术瓶颈问题，具体表现在以下几个方面：(1)信号增强效果强：微米尺度的凸起结构、纳米尺度的凹陷结构、银纳米颗粒之间、银纳米颗粒支撑起的金膜凸起之间分别具备拉曼信号增强效果，本专利技术将四者复合到一起，彼此之间可以起到协同效果，实现“1+1+1+1＞4”的技术效果。(2)信号可重现性优异：微纳米复合结构有序排列在金属薄板表面，银纳米颗粒通过纳米凹坑的限位，也可有序排列在纳米凹坑里，从而保证多次、不同位置测试时信号是完全一致的。(3)稳定性好：该拉曼检测芯片最外层是一层金薄膜，具有非常稳定的物理化学性质，解决芯片长时间放置氧化失效、酸碱腐蚀等问题，大大延长芯片有效使用时间。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1为本专利技术实施例制备基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的工艺流程图；附图中标记分别代表：110-金属基板、120-凸起结构、130-凹陷结构、140-银纳米颗粒、150-金膜。图2为本专利技术第一实施例在金属基板表面制备的金字塔结构阵列的微米尺度的凸起结构。图3为本专利技术第一实施例制备的制备基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片的SEM图。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本专利技术使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
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【技术保护点】
1.一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，包括金属基板，该金属基板上分布有规则排布的微米尺度凸起结构，所述凸起结构表面均匀分布有纳米尺度的凹陷结构，所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒，金膜覆盖于所述凸起结构、凹陷结构和银纳米颗粒上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，包括金属基板，该金属基板上分布有规则排布的微米尺度凸起结构，所述凸起结构表面均匀分布有纳米尺度的凹陷结构，所述凹陷结构中分布有银纳米颗粒，金膜覆盖于所述凸起结构、凹陷结构和银纳米颗粒上。


2.如权利要求1所述的基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，所述金属基板的材质包括金、银、铜、铂中的一种。


3.如权利要求1所述的基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，所述凸起结构呈阵列式分布在金属基板的表面，优选地，包括六边形阵列、矩形阵列、圆形阵列中的至少一种。


4.如权利要求1所述的基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，所述凸起结构包括金字塔结构、倒V型结构、圆锥形结构、圆台形结构、棱柱结构、棱台结构中的一种。


5.如权利要求1-4任一项所述的基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，所述凸起结构的底部边长或直径为1μm～1000μm，高度为0.2μm～1000μm，相邻凸起结构之间的中心距为1μm～2000μm；
或者，所述纳米凹坑结构的直径为1nm～500nm，深度为1nm～800nm，相邻纳米凹坑结构之间的中心距为5nm～1000nm。


6.如权利要求1-4任一项所述的基于微纳米复合结构和纳米颗粒的拉曼检测芯片，其特征在于，所述银纳米银颗粒直径为0.5nm～400nm，均匀分布在所述凹陷结构中；或者，所述金膜厚度为2nm～100n...

【专利技术属性】
技术研发人员：张成鹏，陈帅，姜兆亮，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37