利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，所述基底上设有一个环形的凹槽，凹槽中填充一层吸水层，SERS活性物质渗透吸附于吸水层，凹槽的中间为基底中心。其中基底采用双重高度差设计，凹槽的外缘的高度h1大于基底中心的高度h2，基底中心的高度h2大于凹槽的底部的高度h3。进一步的，采用双重复合材料优化吸水层，提高凹槽通道内的均匀性以降低检测过程中的信号波动。本发明专利技术克服了现有技术中SERS基底均一性差、适用范围窄、可控性差、制样效率低等问题，利用“咖啡环”效应实现高灵敏度并可有效控制待测液滴沉积形态尺寸、提升均一性、拓展检测区域、提高制样效率。

【技术实现步骤摘要】
利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法
本专利技术涉及光谱
，具体地，涉及一种利用咖啡环效应的高效富集SERS(表面拉曼散射增强)基底及其制备方法，可以应用于液态样品快速检测。
技术介绍
增强灵敏度、信号均一性是决定SERS基底性能的最重要的两个指标，关系着SERS检测、后续结果分析的准确性。根据SERS效应的增强机制，一定条件下，单位面积/体积内SERS活性物质密度越大，基底的增强灵敏度越高；这是获得高灵敏度SERS基底最经济的策略之一。为了提高SERS活性物质的密度，有些研究者在SERS检测中采用无机盐诱导、磁场诱导等方式使SERS活性物质集聚。然而，上述的无机盐诱导法存在引入干扰物质的风险；磁场诱导法仅适合于磁性物质，限制了适用范围。液态的SERS活性物质具有自发形成“咖啡环”的特性。“咖啡环”效应是一个生活中普遍存在的物理现象，即当液滴滴加在固体表面时，悬浮于液滴中的微粒会随着液体的蒸发过程发生运动并集聚在液滴的边缘处，最终形成一个的环状区域。“咖啡环”效应的原理可通过三相接触线(Three-phasecontactline,TCL)模型解释：液滴的蒸发过程中，其三相接触线始终保持固定；液滴中心将不断向液滴边缘补偿蒸发损失量，促使液滴中心的颗粒伴随蒸发补偿引起内部流动而向液滴边缘聚集，并最终产生环状的微粒高密度区域。“咖啡环”效应适用范围广，适用于大部分液态SERS活性物质。一些SERS基底利用了“咖啡环”效应的自组装特性实现了SERS基底的灵敏度提升。然而在没有外加控制的情况下，“咖啡环”效应在形成“咖啡环”的过程中容易受到基板界面平整度、液滴滴落过程、蒸发条件等因素的影响，会导致SERS活性物质分布不均匀、“咖啡环”形状不规则等问题。根据研究，自发形成的咖啡环图案的高密度沉积区域宽度仅为30μm，略宽于大型共聚焦拉曼光谱仪激发光斑直径、远小于便携式拉曼光谱直径。SERS基底的有效检测区域面积狭窄会造成SERS光谱采集过程中取点困难、收集信号波动大等问题，加大了拉曼信号采集难度、降低了检测的可靠性。此外，液体蒸发过程缓慢，严重制约了SERS检测样品的制样效率以及现场化快检的能力。综上所述，无机盐诱导、磁场诱导或利用液体自发的“咖啡环”效应可以实现SERS活性物质的高密度沉积，实现SERS基底的灵敏度提升。然而，前两者或存在引入干扰物质的风险，或适用范围窄，后者难以保证待测液滴沉积形态尺寸、制样效率以及检测区域大小等。此外，这些方法在追求高灵敏度的同时，大大牺牲了基底的均一性，造成了信号增强波动大、检测结果不可靠等。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底及其制备方法，实现双重富集、提高沉积均匀性以及提升制样效率。根据本专利技术的一个方面，提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3。本专利技术上述的基底上的双重高度差一方面限制了待测液滴尺寸，保证了液滴形态、尺寸的一致性；另一方面，通过环形的凹槽提供了一个引流通道，使SERS活性物质与待测物质在凹槽通道中完成第一级富集。凹槽中利用吸水层的高吸附能力，使得基底可以快速吸收SERS活性物质与待测物质，促使吸水层与基底中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。根据本专利技术的第二方面，提供一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底的制备方法，包括：制备SERS活性物质；制备具有环形凹槽的基底，将吸水层填充到基底上凹槽中；所述凹槽采用双重高度差设计，所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3；将SERS活性物质加入基底中心，基于高度差导流到凹槽中，最终由吸水层吸附并均匀地散开。与现有技术相比，本专利技术实施例具有如下至少一种有益效果：本专利技术上述的SERS基底克服了现有技术中SERS基底均一性差、适用范围窄、可控性差、制样效率低等问题，利用“咖啡环”效应实现高灵敏度并可有效控制待测液滴沉积形态尺寸、提升均一性、拓展检测区域、提高制样效率。本专利技术上述的SERS基底灵敏度高、均一性好，克服了现有SERS基底难以兼顾灵敏度及均一性的问题。本专利技术上述的SERS基底可控性强，操作简单，改善了咖啡环图案沉积形态、尺寸控制困难的缺陷，拓展了咖啡环图案的有效检测范围：“咖啡环”宽度由十微米量级拓展至毫米量级。本专利技术上述的SERS基底有效提高了液体样品的SERS制样效率、无需等待液滴蒸发干燥、无需额外的加热设备，可以胜任SERS现场化检测的需求。本专利技术上述的SERS基底的制备方法，可以实现SERS活性物质及待测样本快速制样-SERS检测，提高液态样本制样效率，有利于现场化SERS快检应用的开展。SERS基底加工简单、成本低廉、适用面广。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1a、1b为本专利技术一实施例中的基底结构示意图；图2为本专利技术一实施例中的凹槽通道填充吸水层前后性能对照；图3为本专利技术一实施例中的基底均一性测试结果；图4为本专利技术一实施例中的基底检测血液样本获得的SERS光谱；图中：凹槽1，基底中心2，凹槽的外缘3，吸水层4，SERS活性物质5。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本专利技术的保护范围。图1a、1b为本专利技术一实施例中的基底结构示意图。本实施例提供一种利用“咖啡环”效应的具有高效富集、快速制样功能的表面增强拉曼散射(SurfaceenhancedRamanscattering,SERS)。参照图1a所示，SERS基底上设有一个环形的凹槽1，凹槽1中填充一层吸水层4，SERS活性物质5渗透吸附于吸水层4，凹槽1的中间为基底中心2。其中凹槽1是具有双重高度差的凹槽通道。参照图1a所示，d1为凹槽1外径、d2为凹槽1内径，凹槽1外径、凹槽1内径之间为凹槽通道，在部分实施例中，环形的凹槽1结构的内径d2大小可以为0.5-5mm，凹槽1的外径d1大小可以为2-10mm。凹槽1中的一级高度差(h1-h2)为0.5-10mm；二级高度差(h2-h3)为1-10mm。当然，在其他实施例中也可以根据实际待检测的物质来进行凹槽1尺寸的设计。参照图1a、1b所示，本实施例中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于所述吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：/n所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；/n所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3。/n

【技术特征摘要】
1.一种利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述基底上设有一个环形的凹槽，所述凹槽中填充一层吸水层，所述SERS活性物质渗透吸附于所述吸水层，所述凹槽的中间为基底中心，其中，所述基底采用双重高度差设计：
所述凹槽的外缘的高度h1大于所述基底中心的高度h2，即h1>h2；
所述基底中心的高度h2大于所述凹槽的底部的高度h3，即h2>h3。


2.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，通过环形的所述凹槽提供一个引流通道，使SERS活性物质与待测物质在凹槽通道中完成第一级富集；所述凹槽中利用吸水层，使得所述基底快速吸附SERS活性物质与待测物质，促使吸水层与所述基底中心形成吸附竞争，实现SERS基底中的第二级富集。


3.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述SERS活性物质为湿化学方法制备的液态金属或非金属纳米结构。


4.根据权利要求1所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特征在于，所述吸水层采用两种不同尺寸的双重复合材料，所述双重复合材料中小尺寸功能材料填充吸水层的孔隙，在保证吸水效率的同时降低吸水层的粗糙度获得基底信号均一性。


5.根据权利要求4所述的利用咖啡环效应的高效富集SERS基底，其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄梅珍，陈婕，孔丽丽，张超逸，孙其芳，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31