[发明专利]一种表面增强拉曼检测试纸及其应用

说明书

技术领域

本发明属于超灵敏测试分析技术领域，具体地说是涉及一种可大规模制备、可广泛应用、高效、环境友好的表面增强拉曼检测试纸及其在检测有拉曼信号的生物或化学探针分子方面的应用。

背景技术

表面增强拉曼散射技术(SERS)是拉曼光谱分析中的重要技术。作为一种重要的痕量分析检测手段，自问世以来被广泛研究和应用。SERS检测可使增强因子达到10¹⁴～10¹⁵，使单分子检测成为可能。表面选择定则和共振增强的选择性使得SERS可以在极其复杂的体系中仅仅增强目标分子或基团，得到简单明了的光谱信息。另外，SERS光谱可以方便地用于水溶液体系，而且检测的样品可以是固态、液态和气态甚至是生物活体。

表面增强拉曼散射技术与普通拉曼检测相比能够产生巨大的增强主要来源于两个机制：一是物理增强机制即局域等离子体共振模式引起的电磁场增强机制，其是通过将入射光控制在纳米尺寸范围内引起金属纳米粒子局域电场显著增强实现的，SERS增强因子与局域电场强度的四次方(|E|⁴)成正比；第二种增强机制是化学增强，来源于分子和金属纳米粒子之间的相互作用引起分子激发或者产生电荷转移从而引起共振增强。其中物理增强的贡献起主导作用(10⁵～10⁸)，化学增强贡献偏小(10～10³)。所以制备合适的金属纳米粒子材料作为基底来增强局域电场(控制物理增强)对SERS检测至关重要。

SERS检测中，通常选择粗糙的贵金属表面、金属纳米粒子溶胶、周期性金属微纳结构等作为基底材料。各式各样的粗糙金属表面和微纳结构已经被很多传统的方法实现，如通过化学合成控制纳米粒子的形状尺寸进行自组装的方法，物理气相沉积方法(PVD)，电子束刻蚀(EBL)方法，聚焦离子束刻蚀(FIB)方法，纳米球刻蚀(NSL)方法等。

在科学研究和医疗等领域，作为方便快捷的分析和测试媒介，酸碱度(pH)试纸、葡萄糖检测试纸、尿液检测试纸、酯类检测试纸等得到了广泛的应用。但目前为止在SERS检测技术领域，还没有制备出能走出实验室实现同时满足大规模、低成本、高效率和环境友好的SERS检测试纸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可大规模制备的低成本、高效率、环境友好兼具柔韧性的表面增强拉曼检测试纸。

本发明通过研究各种纤维制纸的天然微纳结构，并以其为框架结构通过物理气相沉积(PVD)或者化学镀技术在纸纤维表面覆盖贵金属形成表面增强拉曼检测热点(hot spots)区，从而获得表面增强拉曼检测试纸。

经研究发现纸的纤维是由多级天然结构组成，包括微米尺度纤维、表面褶皱结构微纳纤维、纳米尺度纤维。以表面褶皱结构微纳纤维和纳米尺度纤维为模板制备的金属褶皱纳米纤维结构会由于尺寸、周期和粗糙度的共同作用使入射光在褶皱纤维表面产生局域电场增强，检测限可以达到10^-10mol/L。该发明取材于天然纤维结构，柔韧性好，成本低，对环境无污染，可以大批量制备。

本发明所述的表面增强拉曼检测试纸，其特征在于：是通过物理气相沉积(PVD)或者化学镀技术在具有天然纤维微纳多级结构的纸表面覆盖贵金属层后得到。其包括如下内容：

(1)研究纸的天然纤维微纳结构，模拟同等尺寸金属褶皱和纳米结构的局域电场增强情况；

(2)通过物理气相沉积或者化学镀工艺以纸的纤维结构为框架模板制备特定的厚度和形貌的贵金属微纳结构，完成SERS试纸的制备；

(3)测试SERS试纸的性能；

(4)通过气体保护对SERS试纸进行罐装封装。

本发明所述方法其更为具体的方法如下：

(1)针对纸的天然纤维微纳多级结构，模拟同等尺寸金属褶皱和纳米结构的局域电场增强情况；

所述的纸是指经过制浆处理的植物纤维的水悬浮液，在网上交错的组合，初步脱水，再经压缩、烘干而成的片状纤维制品。包含实验用纸(如滤纸、硫酸纸)、生活用纸(餐巾纸)、工业用纸(如报纸、打印纸等)。

所述的天然纤维微纳多级结构，主要包括微米尺度(20～100μm)结构、表面褶皱结构微纳(400～1000nm)结构、纳米尺度(20～100nm)结构。

所述模拟是指通过有限时域差分(FDTD)、离散偶极子近似(DDA)、有限元方法(FEM)等理论工具对以纸褶皱和纳米纤维结构为框架模板的金属褶皱和金属纳米纤维进行场强分布的模拟。

所述的金属包括金、银等等离子体性质好的贵金属。