[发明专利]PS小球和金纳米颗粒的微纳复合系统的有序组装方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料领域，涉及纳米粒子的组装方法，特别是一种PS小球和金纳米颗粒的微纳复合系统的有序组装方法。

背景技术

纳米材料是80年代中期发展起来的一种具有全新结构的材料，是尺寸处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域的一类特殊微粒。作为一种材料的定义把纳米颗粒的尺寸限制到1-100nm范围。当微粒尺寸进入纳米量级时候，会使得纳米微粒具备以下四方面的效应：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。这四种效应是纳米粒子的基本特性，它们使纳米材料会呈现出各式各样奇特的物理、化学性质。例如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁性的物质进入纳米级(5nm)由于由多畴变成单畴而显示出极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂。纳米材料所呈现出的这些与体相材料完全不同的奇异特性，使其在陶瓷、微电子学、生物工程、光电、化工、医学等多领域展现出诱人的应用前景。

纳米粒子的一维和多维有序组装结构的许多重要性质近年已引起人们广泛的重视，并在光学材料、高密度数据储存器、微反应器、生物传感器等诸多方面显示了潜在的应用。一般而言，组装纳米粒子有序结构有两种策略，“自上而下”的各种光刻技术和“自下而上”的自组装技术。文献1(Adv.Mater.,2014；26[15]：2353)报道，作者用p型硅片为基底，以聚合物聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为原料，在2000rpm转速下进行旋涂，制备成160nm厚的薄膜，然后选择上下法策略，运用电子束光刻技术和原位蚀刻技术，将纳米星状结构进行有序排列。文献2(ACSNano,2013,7[5]：4326–4333)报道，作者在p型硅片上旋涂PMMA，并退火(120℃)处理1h，然后用球面透镜构建局域空间，在局域空间内填充DNA溶液，随后在不同温度下进行自组装，最后形成轮条辐射状阵列。

聚苯乙烯微球具有比表面积大，吸附性强，凝集作用大及表面反应能力强等特性，有着广泛的应用前景，微米级颗粒度均匀的聚合物微球，作为功能高分子材料，在分析化学、生物化学、免疫医学、标准计量以及某些高新技术领域中有着广泛的用途，因而对这类材料的研究越来越引起了重视。将聚苯乙烯微米球通过溶剂挥发和模板法进行组装得到PS圆球阵列，辅以物理覆镀金属技术，构成有序微纳复合阵列，构筑新一代的SERS检测基底。

发明内容

本发明所要解决的关键技术问题是，提供一种构筑有序微纳米阵列的简便方法。具体内容是将溶剂挥发和模板法相结合，利用蒸发液体退缩时的表面张力与模板边缘的毛细力作为驱动力，驱动微纳米颗粒在短时间、不同表面基底形成规整有序结构的微纳米阵列。

一种PS小球和金纳米颗粒的微纳复合系统的有序组装方法，具体步骤如下：

1)、亲水苯乙烯(PS)球的合成

苯乙烯过柱子纯化(将碱性氧化铝填充柱子作为吸附剂，随后苯乙烯加入洗脱柱，氧化铝自动吸附杂质，苯乙烯得到纯化)，加入破乳剂氯化钠(一般为苯乙烯单体总量2％—5％)和水，通氮气30min，后加入引发剂过硫酸铵(一般为苯乙烯单体总量的0.1％—2％)，70℃下反应一定时间(24h)，即可得到大小形状均一的PS小球。

2)、PS悬浮液的配置

以十二烷基硫酸钠(SDS)配置成一定浓度(0.5mg/mL—10mg/mL)的表面活性剂溶液，然后将PS分散于活性剂溶液中，制备成悬浮液。

3)、光刻阵列硅柱模板和硅片基底的制备

通过图像复制和化学腐蚀，在硅片上深度刻蚀出所需要的阵列硅柱。对硅片基底进行处理，将硅片切成1cm×1cm的片材，并依次经过丙酮、乙醇和超纯水的超声清洗，然后将硅片置于大烧杯中，加入一定比例的双氧水和浓硫酸(二者体积比为1:3)，浸泡1h。最后取出硅片用清水反复冲洗，吹干待用。

4)、阵列硅柱和硅片基底的亲水处理

将阵列硅柱和硅片基底放入等离子体表面处理仪，设置好参数，通过高速氧的等离子体处理将其表面亲水化。

5)、PS小球与纳米金复合系统的组装

将10μL的PS悬浮液滴加在硅片基底上，然后覆盖阵列硅柱模板，组成“三明治”结构，在一定温度下(30℃)进行蒸发组装形成阵列，然后通过物理镀金技术将纳米金覆盖在PS小球上构成微纳复合系统。

进一步所述步骤1)，用乳液聚合法合成亲水PS小球，即纯化后的苯乙烯加入氯化钠并通氮气30min，后加入引发剂过硫酸铵70℃下反应24h，即可得到大小形状均一的PS小球。