[发明专利]一种SERS基底材料及其热点激发方法与表征

说明书

技术领域

本发明涉及一种SERS基底材料，特别是一种可以在表面上产生增强拉曼效应激发“热点”的SERS基底材料及在瞬态过程中通过对其“热点”的激发而产生极强表面增强拉曼效应的方法和对瞬态过程中出现的表面增强拉曼效应的表征。 

背景技术

拉曼光谱是一种散射光谱，源于分子振动与转动，从拉曼光谱中可以得到分子振动能级与转动能级结构信息,从而推断出分子的结构与组成。拉曼光谱检测主要具有以下优点：(1)能在分子水平上直接得到基团和化学键的信息以及微环境对样品结构的影响；(2)是一种无损检测方法；(3)可用于水溶液体系,特别适合于生物样品的研究。基于以上优点激光拉曼光谱技术在分析测试领域具有独特的优势。然而,常规拉曼光谱的信号强度很低，限制了其在各个领域的应用。表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)技术的发展，可以使分子的拉曼信号增强10⁶倍以上,极大地拓展了拉曼光谱的应用范围。SERS的增强机理主要包括物理增强和化学增强两方面。其中，通常认为物理增强的SERS效应主要由表面等离子体共振(Surface plasmon resonance，SPR)导致的电磁场增强引起，SPR主要存在于纳米级尺度的金属表面，是一种局域化的电子集体振荡。由于SPR可以极大地增强局域电场，从最早的粗糙银电极到现在的金属纳米粒子均是利用SPR效应激励SERS。然而，尽管SERS技术取得很好的发展，金属基体制备也日趋成熟，但是也存在一个问题：一般高增强因子的金属基体的制备过程比较复杂，要求活性基体形貌必须大尺度均一稳定，且单一纳米形貌的尺寸在纳米量级，甚至几个纳米量级时，才能产生强的局域电磁 场，从而引发强的SERS效应，然而，普通实验条件不易操作与调控，难以合成几个纳米量级且结构均一的金属纳米材料。近年来，随着电子信息技术的发展，光刻技术成为制备SERS基底，构建纳米阵列的一种重要方法，但是，光刻技术成本较高，无法大批量获得大尺度的SERS基底，间接导致了其在SERS技术的实际应用中没有强烈的推进作用。近年来，还出现了通过制备简单易得的温敏材料或者磁性材料的阵列作为SERS基底，在SERS检测过程中通过微调温度，或者附加外部磁力，使这些材料在温度、磁场等的作用下发生瞬间的形变，从而产生一个比原结构微小的纳米结构，即为“热点”，“热点”处产生瞬态局域电场，引发更强的SERS效应。然而，以温度改变的方式引发“热点”结构，对外加温控设备要求严格，以防止损坏仪器或基底，而外加磁场，则要求基底材料为磁性体，对材料有了限制，不利于方法推广。 

美国“9.11”事件发生以来，世界范围内的恐怖分子利用隐藏爆炸物进行讹诈、劫机，制造机毁人亡、火车爆炸等恐怖悲惨事件频繁发生，造成大量人员伤亡和巨大的财产损失，严重威胁了人们的正常生活。为了把爆炸恐怖活动遏制在未遂状态，人们把目光更多地投注在依靠科技手段对爆炸物的探测和识别上。其中，在爆炸物事件中出现的21种化合物，都含有TNT等硝基化合物，美国环境保护局(Environmental Protection Agency，EPA)研究发现以TNT为代表的多硝基芳香类物质都可能有致癌作用。若不加以处理，任其流入河流、湖泊、土壤，将对生命体产生巨大危害。此外，TNT等硝基化合物熔点较低，容易发生固体升华迁移，在贮存和运输中受环境影响较大，常需要进行状态实时监测。据此，炸药的检测不仅与反恐事业紧密关联，在环境保护、医学、军事领域也有同样重大深远的研究意义。 

目前，针对TNT等炸药的检测技术大都存在一些缺点，无法完全达到预期 效果，满足实际工作中对炸药检测的需求。因此，发展高灵敏，快响应，痕量无损的炸药探测技术，显得尤为重要。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的缺陷，提供一种工艺稳定、灵敏度高、选择性好的超灵敏表面增强拉曼“热点”的激发方法，以及能产生这种表面增强拉曼效应“热点”的基底材料及该激发方法的表征手段，以满足痕量炸药检测的表面增强拉曼效应芯片的构建及应用。本发明主要通过1)复合材料的构建：即制备纤长柔韧的半导体-贵金属的杂化复合材料作为基底材料，其具有特殊的表面纳米结构；2)利用溶剂挥发时引发的强毛细效应使得复合材料表面纳米尺度的结构在溶剂挥发的瞬态过程中产生聚拢，从而在检测时形成更强的局域电场等技术手段来实现上述目的，具体的技术方案包括：