專(zhuān)利名稱(chēng)：高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)傳感芯片制備技術(shù)，具體涉及一種高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法。
背景技術(shù)：
物質(zhì)的拉曼光譜是一種指紋特征譜，因此特異性強(qiáng)，可無(wú)標(biāo)記、實(shí)時(shí)地對(duì)物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。然而物質(zhì)的拉曼散射信號(hào)非常弱，比入射光低幾個(gè)數(shù)量級(jí)，因此靈敏度低。納米金屬結(jié)構(gòu)的局域增強(qiáng)特性可使金屬結(jié)構(gòu)表面的電磁場(chǎng)增強(qiáng)幾個(gè)數(shù)量級(jí)，相應(yīng)地可大幅提升拉曼信號(hào)，這稱(chēng)之為表面增強(qiáng)拉曼散射。人們已通過(guò)多種方法研究了表面增強(qiáng)拉曼散射增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的制備方法，目前主要分 為兩大類(lèi)，分別為物理光刻和化學(xué)合成，物理光刻的特點(diǎn)是制備結(jié)構(gòu)的均一性好，重復(fù)性高，但受衍射極限限制，物理光刻無(wú)法制備幾十納米甚至幾納米的結(jié)構(gòu)，這導(dǎo)致其電磁增強(qiáng)性能不強(qiáng)，因此該方法制備的傳感芯片的靈敏度不高；相反，化學(xué)合成則很容易制備小尺度的結(jié)構(gòu)，因此能獲得較高靈敏度的芯片，但化學(xué)合成一般為隨機(jī)結(jié)構(gòu)，不具有周期性，因此其均一性、重復(fù)性差。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，解決現(xiàn)有表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片物理光刻與化學(xué)合成制備方法獲得的芯片的重復(fù)性、均一性與靈敏度之間不可兼得的矛盾，制備靈敏度高且重復(fù)性、均一性好的表面增強(qiáng)拉曼芯片。本發(fā)明的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，包括如下步驟
1)對(duì)基片進(jìn)行未水處理；
2)選擇大小均一的介質(zhì)納米球乳膠溶液，利用旋涂法或提拉法在親水處理后的基片上自組裝單層緊密排列的介質(zhì)納米球陣列；
3)利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)步驟2)所得到的介質(zhì)納米球陣列進(jìn)行刻蝕；
4)在步驟3)所得到的刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列上，鍍上金屬膜，鍍膜厚度小于步驟3)中的刻蝕厚度，即獲得高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。進(jìn)一步，所述步驟I)中，基片為石英基片或K9玻璃基片。進(jìn)一步，所述步驟I)中，親水處理的步驟為將基片置于濃硫酸和雙氧水以質(zhì)量比3:1配成的溶液中，80°C熱浴I小時(shí)，然后取出基片用去離子水反復(fù)沖洗，并用超聲振蕩2 3分鐘；再將基片置于氨水、雙氧水和去離子水以質(zhì)量比1:1:5配成的溶液中，超聲振蕩I小時(shí)，然后取出基片用去離子水沖洗2 3次，并用去離子水保存?zhèn)溆?。進(jìn)一步,所述步驟2)中，介質(zhì)納米球?yàn)榫郾揭蚁┣?。進(jìn)一步，所述步驟3)中，反應(yīng)離子刻蝕使用的刻蝕氣體為氧氣。進(jìn)一步，所述步驟4)中，金屬膜為金膜或銀膜，鍍膜方式為蒸鍍、濺射鍍膜或電鍍。進(jìn)一步，所述步驟3)中，刻蝕厚度為50nnT220nm;所述步驟4)中，鍍膜厚度為40nnT200nm。本發(fā)明的有益效果在于
本發(fā)明首先通過(guò)介質(zhì)納米球自組裝技術(shù)得到單層介質(zhì)納米球陣列結(jié)構(gòu)，但其形成的介質(zhì)納米球之間為緊密排列，若直接將其制成表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片，將不具有狹縫耦合增強(qiáng)的特點(diǎn)，靈敏度不高，因此本發(fā)明再通過(guò)刻蝕工藝將介質(zhì)納米球刻小，刻小后的介質(zhì)納米球之間產(chǎn)生了間隙，然后鍍上金屬膜，并且鍍膜厚度小于刻蝕厚度，即刻小后的介質(zhì)納米球在覆蓋上金屬膜形成金屬球殼后，兩金屬球殼之間仍有幾納米至幾十納米的間隙，此間隙的強(qiáng)烈耦合增強(qiáng)作用可形成高強(qiáng)度的局域電磁場(chǎng)，使拉曼信號(hào)獲得幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)，即獲得了高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。因此，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于
(1)與現(xiàn)有物理光刻方法相比，本發(fā)明不受衍射極限限制，所制備芯片結(jié)構(gòu)具有物理光 刻方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的幾納米至幾十納米的耦合增強(qiáng)間隙，因此所獲得表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片的靈敏度高；
(2)與現(xiàn)有化學(xué)合成隨機(jī)結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明所制備的芯片結(jié)構(gòu)是大面積周期分布的，這保證了芯片不同位置靈敏度的均一性，同時(shí)，介質(zhì)納米球自組裝可控、刻蝕可控、鍍膜可控，因此本發(fā)明所制備的芯片具有良好的重復(fù)性，為物質(zhì)表面增強(qiáng)拉曼光譜定量比較的準(zhǔn)確性提供了保證。綜上所述，本發(fā)明解決了現(xiàn)有表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片物理光刻與化學(xué)合成制備方法獲得的芯片的重復(fù)性、均一性與靈敏度之間不可兼得的矛盾，制備了靈敏度高且重復(fù)性、均一性好的表面增強(qiáng)拉曼芯片。
為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，其中
圖I為本發(fā)明的工藝流程 圖2為自組裝后的介質(zhì)納米球陣列的結(jié)構(gòu)示意 圖3為刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列的結(jié)構(gòu)示意 圖4為鍍膜后的介質(zhì)納米球陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下將參照附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。圖I為本發(fā)明的工藝流程圖，如圖所示，本發(fā)明的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法包括如下步驟
1)對(duì)基片進(jìn)行親水處理；所述基片為石英基片，親水處理的步驟為將基片置于濃硫酸和雙氧水以質(zhì)量比3:1配成的溶液中，80°C熱浴I小時(shí)，然后取出基片用去離子水反復(fù)沖洗，并用超聲振蕩2 3分鐘；再將基片置于氨水、雙氧水和去離子水以質(zhì)量比1: 1:5配成的溶液中，超聲振蕩I小時(shí)，然后取出基片用去離子水沖洗2 3次，并用去離子水保存?zhèn)溆茫?br>
2)選擇直徑520nm的聚苯乙烯球乳膠溶液，利用旋涂法在親水處理后的基片上自組裝單層緊密排列的介質(zhì)納米球陣列，自組裝后的介質(zhì)納米球陣列結(jié)構(gòu)如圖2所示，介質(zhì)納米球2在基片I上單層緊密排列；
3)利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)步驟2)所得到的介質(zhì)納米球陣列進(jìn)行刻蝕，刻蝕氣體為氧氣，刻蝕厚度為65nm，刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示，介質(zhì)納米球2被刻小后，介質(zhì)納米球2之間產(chǎn)生了間隙；
4)在步驟3)所得到的刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列上，通過(guò)蒸鍍的方式鍍上金膜，鍍膜厚度為50nm，鍍膜后的介質(zhì)納米球陣列結(jié)構(gòu)如圖4所示，刻小后的介質(zhì)納米球2在覆蓋上金屬膜3形成金屬球殼后，兩金屬球殼之間仍有十幾納米的間隙，即獲得了高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。本發(fā)明中，基片可以為石英基片或K9玻璃基片等常規(guī)基片；可以利用旋涂法或提拉法進(jìn)行自組裝；金屬膜優(yōu)選電磁增強(qiáng)活性高的金屬材料，比如金膜或銀膜，鍍膜方式可以為蒸鍍、濺射鍍膜或電鍍等；刻蝕厚度優(yōu)選50nnT220nm，鍍膜厚度優(yōu)選40nnT200nm，鍍膜厚度須小于刻蝕厚度，以保證金屬球殼之間具有納米級(jí)間距。本發(fā)明中，親水處理的方法、旋 涂法、提拉法、反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)、蒸鍍、濺射鍍膜、電鍍等方法均可采用所屬技術(shù)領(lǐng)域的公知技術(shù)。本發(fā)明首先通過(guò)介質(zhì)納米球自組裝技術(shù)得到單層介質(zhì)納米球陣列結(jié)構(gòu)，但其形成的介質(zhì)納米球之間為緊密排列，若直接將其制成表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片，將不具有狹縫耦合增強(qiáng)的特點(diǎn)，靈敏度不高，因此本發(fā)明再通過(guò)刻蝕工藝將介質(zhì)納米球刻小，刻小后的介質(zhì)納米球之間產(chǎn)生了間隙，然后鍍上金屬膜，并且鍍膜厚度小于刻蝕厚度，即刻小后的介質(zhì)納米球在覆蓋上金屬膜形成金屬球殼后，兩金屬球殼之間仍有幾納米至幾十納米的間隙，此間隙的強(qiáng)烈耦合增強(qiáng)作用可形成高強(qiáng)度的局域電磁場(chǎng)，使拉曼信號(hào)獲得幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)，即獲得了高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。最后說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過(guò)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其作出各種各樣的改變，而不偏離所附權(quán)利要求書(shū)所限定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于包括如下步驟 1)對(duì)基片進(jìn)行未水處理； 2)選擇大小均一的介質(zhì)納米球乳膠溶液，利用旋涂法或提拉法在親水處理后的基片上自組裝單層緊密排列的介質(zhì)納米球陣列； 3)利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)步驟2)所得到的介質(zhì)納米球陣列進(jìn)行刻蝕； 4)在步驟3)所得到的刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列上，鍍上金屬膜，鍍膜厚度小于步驟3)中的刻蝕厚度，即獲得高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟I)中，基片為石英基片或K9玻璃基片。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟I)中，親水處理的步驟為將基片置于濃硫酸和雙氧水以質(zhì)量比3:1配成的溶液中，80°C熱浴I小時(shí)，然后取出基片用去離子水反復(fù)沖洗，并用超聲振蕩2 3分鐘；再將基片置于氨水、雙氧水和去離子水以質(zhì)量比1:1:5配成的溶液中，超聲振蕩I小時(shí)，然后取出基片用去離子水沖洗2 3次，并用去離子水保存?zhèn)溆谩?br>
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟2)中，介質(zhì)納米球?yàn)榫郾揭蚁┣颉?br>
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟3)中，反應(yīng)離子刻蝕使用的刻蝕氣體為氧氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟4)中，金屬膜為金膜或銀膜，鍍膜方式為蒸鍍、濺射鍍膜或電鍍。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至6任意一項(xiàng)所述的高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，其特征在于所述步驟3)中，刻蝕厚度為50nnT220nm ;所述步驟4)中，鍍膜厚度為40nm 200nm。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片制作方法，包括如下步驟1)對(duì)基片進(jìn)行親水處理；2)選擇大小均一的介質(zhì)納米球乳膠溶液，利用旋涂法或提拉法在親水處理后的基片上自組裝單層緊密排列的介質(zhì)納米球陣列；3)利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)對(duì)步驟2)所得到的介質(zhì)納米球陣列進(jìn)行刻蝕；4)在步驟3)所得到的刻蝕后的介質(zhì)納米球陣列上，鍍上金屬膜，鍍膜厚度小于步驟3)中的刻蝕厚度，即獲得高靈敏的表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片。本發(fā)明解決了現(xiàn)有表面增強(qiáng)拉曼傳感芯片物理光刻與化學(xué)合成制備方法獲得的芯片的重復(fù)性、均一性與靈敏度之間不可兼得的矛盾，制備了靈敏度高且重復(fù)性、均一性好的表面增強(qiáng)拉曼芯片。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102910576SQ201210462728
公開(kāi)日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年11月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月16日
發(fā)明者夏良平, 楊正, 尹韶云, 杜春雷, 史浩飛 申請(qǐng)人:重慶綠色智能技術(shù)研究院