[发明专利]高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法

说明书

技术领域

 本发明涉及一种光学传感芯片制备技术，具体涉及一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法。

背景技术

物质的拉曼光谱是一种指纹特征谱，因此特异性强，可无标记、实时地对物质进行探测。然而物质的拉曼散射信号非常弱，比入射光低几个数量级，因此灵敏度低。纳米金属结构的局域增强特性可使金属结构表面的电磁场增强几个数量级，相应地可大幅提升拉曼信号，这称之为表面增强拉曼散射。

人们已通过多种方法研究了表面增强拉曼散射增强结构的制备方法，目前主要分为两大类，分别为物理光刻和化学合成，物理光刻的特点是制备结构的均一性好，重复性高，但受衍射极限限制，物理光刻无法制备几十纳米甚至几纳米的结构，这导致其电磁增强性能不强，因此该方法制备的传感芯片的灵敏度不高；相反，化学合成则很容易制备小尺度的结构，因此能获得较高灵敏度的芯片，但化学合成一般为随机结构，不具有周期性，因此其均一性、重复性差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，解决现有表面增强拉曼传感芯片物理光刻与化学合成制备方法获得的芯片的重复性、均一性与灵敏度之间不可兼得的矛盾，制备灵敏度高且重复性、均一性好的表面增强拉曼芯片。

本发明的高灵敏的表面增强拉曼传感芯片制作方法，包括如下步骤：

1）对基片进行亲水处理；

2）选择大小均一的介质纳米球乳胶溶液，利用旋涂法或提拉法在亲水处理后的基片上自组装单层紧密排列的介质纳米球阵列；

3）利用反应离子刻蚀技术对步骤2）所得到的介质纳米球阵列进行刻蚀；

4）在步骤3）所得到的刻蚀后的介质纳米球阵列上，镀上金属膜，镀膜厚度小于步骤3）中的刻蚀厚度，即获得高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。

进一步，所述步骤1）中，基片为石英基片或K9玻璃基片。

进一步，所述步骤1）中，亲水处理的步骤为：将基片置于浓硫酸和双氧水以质量比3:1配成的溶液中，80℃热浴1小时，然后取出基片用去离子水反复冲洗，并用超声振荡2~3分钟；再将基片置于氨水、双氧水和去离子水以质量比1:1:5配成的溶液中，超声振荡1小时，然后取出基片用去离子水冲洗2~3次，并用去离子水保存备用。

进一步，所述步骤2）中，介质纳米球为聚苯乙烯球。

进一步，所述步骤3）中，反应离子刻蚀使用的刻蚀气体为氧气。

进一步，所述步骤4）中，金属膜为金膜或银膜，镀膜方式为蒸镀、溅射镀膜或电镀。

进一步，所述步骤3）中，刻蚀厚度为50nm~220nm；所述步骤4）中，镀膜厚度为40nm~200nm。

本发明的有益效果在于：

本发明首先通过介质纳米球自组装技术得到单层介质纳米球阵列结构，但其形成的介质纳米球之间为紧密排列，若直接将其制成表面增强拉曼传感芯片，将不具有狭缝耦合增强的特点，灵敏度不高，因此本发明再通过刻蚀工艺将介质纳米球刻小，刻小后的介质纳米球之间产生了间隙，然后镀上金属膜，并且镀膜厚度小于刻蚀厚度，即刻小后的介质纳米球在覆盖上金属膜形成金属球壳后，两金属球壳之间仍有几纳米至几十纳米的间隙，此间隙的强烈耦合增强作用可形成高强度的局域电磁场，使拉曼信号获得几个数量级的增强，即获得了高灵敏的表面增强拉曼传感芯片。

因此，本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）与现有物理光刻方法相比，本发明不受衍射极限限制，所制备芯片结构具有物理光刻方法无法实现的几纳米至几十纳米的耦合增强间隙，因此所获得表面增强拉曼传感芯片的灵敏度高；

（2）与现有化学合成随机结构相比，本发明所制备的芯片结构是大面积周期分布的，这保证了芯片不同位置灵敏度的均一性，同时，介质纳米球自组装可控、刻蚀可控、镀膜可控，因此本发明所制备的芯片具有良好的重复性，为物质表面增强拉曼光谱定量比较的准确性提供了保证。

综上所述，本发明解决了现有表面增强拉曼传感芯片物理光刻与化学合成制备方法获得的芯片的重复性、均一性与灵敏度之间不可兼得的矛盾，制备了灵敏度高且重复性、均一性好的表面增强拉曼芯片。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的工艺流程图；

图2为自组装后的介质纳米球阵列的结构示意图；

图3为刻蚀后的介质纳米球阵列的结构示意图；

图4为镀膜后的介质纳米球阵列的结构示意图。

具体实施方式