一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法

1.本发明涉及表面增强拉曼散射检测技术领域，尤其涉及一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法。


背景技术：

2.表面增强拉曼散射(surface enhanced raman scattering，sers)是将待测分子吸附在粗糙金属表面或金属纳米结构上，使其与金属表面发生等离子共振，从而引起拉曼散射信号增强的一种现象，在生物监测，医疗研究等方面都有很广泛的应用。研究表明，sers信号的强度受很多因素影响，例如金属纳米粒子的大小，形状，表面粗糙程度等，其中金属纳米粒子之间的间隙和均匀程度决定表面拉曼增强基底的热点形成过程和等离共振，从而决定表面拉曼增强基底的性能。
3.传统的平整型sers基底热点分布不均匀，金属纳米粒子之间的距离相对较大且固定，导致sers信号增强不明显；并且待测分子分布在sers基底的任意位置，使得基底增强一致性不好。增加检测基底的粗糙度可有效提高sers的检测灵敏度，比如表面褶皱型sers基底能够有效改善纳米粒子间隙大的问题，使得热点强度变大，可进一步增强了待测物的拉曼检测信号。然而常规的褶皱型sers检测基底金属颗粒间间隙固定，检测灵敏度可通过柔性基底变形缩小金属颗粒间距进行进一步提升。针对柔性褶皱基底制作，聚二甲基硅氧烷(pdms)是一种很好的弹性材料，在拉伸应变条件进行表面氧化处理可产生规律的纳米褶皱，且褶皱形态可通过应变进行调节；其次原位合成由于其简单，快速，稳定性好等优点一直被广泛应用，该方法利用合适的聚合物基体与金属离子相互作用，在聚合物基体提供的受控环境下，通过化学反应在聚合物中原位生成金属粒子的方法，通过该方法合成的金属纳米颗粒尺寸均匀，过程可控；因此在柔性褶皱基底上利用原位还原金属纳米颗粒有望为高精度sers检测提供一种优良的方法和平台。


技术实现要素：

4.根据上述提出的技术问题，而提供一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法。本发明采用的技术手段如下：
5.一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法，包括如下步骤：
6.步骤1.制备柔性聚合物材料基底，所述基底包括预聚体和固化剂混合并通过加热固化制得，所述预聚体的材质包括聚二甲基硅氧烷；
7.步骤2.对柔性聚合物材料基底表面进行弯曲应变拉伸并等离子氧化处理，在表面生成纳米氧化层薄膜；
8.步骤3-1柔性聚合物材料基底表面制备微纳褶皱：将步骤2中等离子体氧化处理后的pdms基底从弯曲应变模具上取下释放，pdms基底表面自动产生均匀的纳米褶皱；
9.纳米褶皱上原位合成金属纳米粒子，制备金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底；
10.步骤4.在间隙可控的表面拉曼增强散射基底上添加样品并进行检测分析。
11.本发明还提供另一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法，包括如下步骤：
12.步骤1.制备柔性聚合物材料基底，所述基底包括预聚体和固化剂混合并通过加热固化制得，所述预聚体的材质包括聚二甲基硅氧烷；
13.步骤2.对柔性聚合物材料基底表面进行弯曲应变拉伸并等离子氧化处理，在表面生成纳米氧化层薄膜；
14.步骤3-2.在步骤2所述的纳米氧化层薄膜表面原位合成银纳米颗粒，而后释放柔性基底的应变形态，在基底产生纳米褶皱的同时提高合成纳米粒子的密度，制备高密度间隙可控的纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底；
15.步骤4.在间隙可控的表面拉曼增强散射基底上添加样品并进行检测分析。
16.进一步地，所述步骤1的制备方法包括如下步骤：
17.将pdms预聚体和固化剂以5:1～20:1的比例混合，倒入玻璃平板为基底的容器中去除气泡；将玻璃基板在加热一定时间使pdms混合物固化形成2～4mm厚pdms基底。
18.进一步地，所述步骤2具体为将步骤1中获得的柔性pdms材料基底放入弯折拉伸模具中使其发生应变；对应变状态下的pdms基底进行氧气等离子体处理，使其表面产生纳米氧化层薄膜。
19.进一步地，所述弯曲拉伸模具由3d打印制作并带有用于固定pdms柔性基底的夹具；弯曲拉伸模具用于将pdms柔性基底按照预定的曲率进行弯曲变形，从而导致pdms基底表面发生相应的应变；所采用的模具曲率按照应变程度需求进行调节。
20.进一步地，所述步骤3-1具体为：将处于弯曲应变状态下的pdms柔性基底放入等离子体处理设备中进行处理；经过等离子氧化处理的pdms表面产生纳米氧化层薄膜，将弯曲的pdms从弯曲拉伸模具上释放获取规则的纳米褶皱；所述的pdms表面的波浪形纳米褶皱的波长和深度通过等离子体处理时间、弯曲应变曲率、等离子处理功率的参数进行调控。
21.进一步地，所述步骤3-1具体包括如下步骤：将步骤2所得的聚合物褶皱表面进行等离子氧化处理使其表面亲水，而后在表面反应区循环滴加反应溶液进行纳米颗粒原位还原，反应后的基底经过超纯水冲洗和氮气吹干，获得金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底。
22.进一步地，所述步骤3-1中，将表面具有纳米褶皱的柔性基底经过等离子体处理3分钟，使其表面呈现亲水状态，所采用的等离子体清洗功率为30～100w；在经过等离子处理后的褶皱表面迅速依次滴入20～60μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠还原纳米银颗粒，反应3～5分钟后将反应溶液吸出，重复此步骤3～5次，最终反应区用去离子水清洗反应区表面并用氮气吹干，获得金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底，金属纳米颗粒的种类、尺寸和密度由反应溶液类型、反应循环次数和反应溶液浓度参数进行调控。
23.进一步地，所述步骤4.2具体包括如下步骤：将步骤2所得的处于应变状态下的纳米氧化层薄膜再次进行等离子表面处理使其亲水；在纳米氧化层薄膜表面反应区分别循环滴加反应溶液，原位还原制备金属纳米颗粒，而后反应基底经过超纯水冲洗和氮气吹干，将
聚合物基底从弯折应变模具上释放，获得高密度间隙可控的金属纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底；
24.具体地，将处于应变状态下的纳米氧化层薄膜再次进行等离子表面处理使其亲水，在应变形态下的纳米薄膜表面迅速依次滴入20～60μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠，反应3～5分钟后将反应溶液吸出进行纳米颗粒原位还原，重复此步骤3～5次，最终反应区用去离子水清洗并用氮气吹干；将布满金属纳米颗粒且处于应变状态下柔性基底从弯曲应变模具上取下恢复释放，获得高密度间隙可控的银纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底，金属纳米颗粒的种类、尺寸和密度由反应溶液类型、反应循环次数和反应溶液浓度参数进行调控。
25.进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：将表面拉曼增强基底进行弯曲使柔性基底表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将待测物溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析；
26.采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析具体为：将金属颗粒间隙可控的表面拉曼增强散射基底进行柔性弯曲使表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将待测物溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；最终采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析；根据原位还原金属纳米颗粒的种类选择相应的拉曼检测激发光源波长和检测过程参数。
27.本发明提出一种通过原位还原技术在柔性褶皱基底上进行金属纳米颗粒制备金属颗粒间隙可调的柔性sers基底，目标待测分子尤其大分子可轻易通过基底变形嵌入金属纳米粒子之间产生更加均匀的等离子共振热点，该基底可有效提高热点分布并有效提高sers的检测灵敏度，该发明对表面增强拉曼检测技术灵敏度的提升和应用推广具有重要意义。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1为本发明方法流程图。
30.图2为本发明微纳褶皱基底构建拉曼检测基底的具体流程示意图，其中，(a)柔性pdms基底制备；(b)弯曲拉伸等离子氧化；(c1)释放样品获得纳米褶皱；(c2)纳米褶皱表面原位还原纳米粒子；(d)弯曲表面原位还原金属纳米粒子；(e)目标检测分子探针载入制备高效sers检测样品；(f)拉曼检测。
31.图3为本发明实施例中柔性微纳褶皱基底的原子力显微镜扫描图，其中左图为柔性纳米褶皱表面合成纳米颗粒后的平面图，右图为该图的3d展示。
32.图4为本发明实施例中银纳米颗粒修饰的柔性微纳褶皱sers基底的罗丹明b拉曼检测结果图。
33.图中：1.pdms柔性基底；2.等离子体；3.弯折拉伸模具；4.sio2纳米氧化层薄膜；5.纳米褶皱；6.金属纳米粒子；7.目标检测分子探针；8.拉曼检测仪。
具体实施方式
34.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.本发明公开了一种基于微纳褶皱表面金属颗粒原位技术构建柔性高效表面增强拉曼检测基底的方法；所述微纳褶皱表面是由聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane-pdms)经过弯曲拉伸应变及等离子氧化后产生；所述表面增强拉曼基底上的金属颗粒通过原位还原法在褶皱上进行制备；改变柔性褶皱结构形态可灵活调控金属颗粒间隙以便待测样品分子嵌入；而后恢复柔性基底形变可将目标分子夹在金属纳米粒子之间，并获得更高的表面增强拉曼散射(sers)信号。与传统的刚性拉曼检测基底和普通的褶皱型拉曼检测基底相比，间隙可调的褶皱基底可更有效地实现样品装载，产生的更密集热点分布，该拉曼检测基底和检测方法可实现更高的检测灵敏度，更低的检测限和更加高效和便捷检测过程。
36.具体地，如图1所示，一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法，包括如下步骤：
37.步骤1.制备柔性聚合物材料基底，所述基底包括预聚体和固化剂混合并通过加热固化制得，所述预聚体的材质包括聚二甲基硅氧烷；
38.步骤2.对柔性聚合物材料基底表面进行弯曲应变拉伸并等离子氧化处理，在表面生成纳米氧化层薄膜；
39.步骤3-1柔性聚合物材料基底表面制备微纳褶皱：将步骤2中等离子体氧化处理后的pdms基底从弯曲应变模具上取下释放，pdms基底表面自动产生均匀的纳米褶皱；
40.纳米褶皱上原位合成金属纳米粒子，制备金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底；
41.步骤4.在间隙可控的表面拉曼增强散射基底上添加样品并进行检测分析。
42.本发明还提供另一种基于柔性微纳褶皱表面构建高效表面增强拉曼检测基底的方法，作为替代方案，也可在步骤2所述的纳米氧化层薄膜表面原位合成银纳米颗粒，而后释放柔性基底的应变形态，制备高密度间隙可控的纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底，具体包括如下步骤：
43.步骤1.制备柔性聚合物材料基底，所述基底包括预聚体和固化剂混合并通过加热固化制得，所述预聚体的材质包括聚二甲基硅氧烷；
44.步骤2.对柔性聚合物材料基底表面进行弯曲应变拉伸并等离子氧化处理，在表面生成纳米氧化层薄膜；
45.步骤3-2.在步骤2所述的纳米氧化层薄膜表面原位合成银纳米颗粒，而后释放柔性基底的应变形态，在基底产生纳米褶皱的同时提高合成纳米粒子的密度，制备高密度间隙可控的纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底；
46.步骤4.在间隙可控的表面拉曼增强散射基底上添加样品并进行检测分析。
47.具体地，所述步骤1的制备方法包括如下步骤：
48.将pdms预聚体和固化剂以5:1～20:1的比例混合，倒入玻璃平板为基底的容器中去除气泡；将玻璃基板加热一定时间使pdms混合物固化形成2～4mm厚pdms基底，本实施例中，将pdms预聚体和固化剂以10:1的比例混合，倒入玻璃平板为基底的容器中去除气泡；将玻璃基板在80℃下加热1小时使pdms混合物固化形成3mm厚pdms基底。
49.具体地，所述步骤2具体为将步骤1中获得的柔性pdms材料基底放入弯折拉伸模具中使其发生应变；对应变状态下的pdms基底进行氧气等离子体处理，使其表面产生纳米氧化层薄膜。
50.具体地，所述弯曲拉伸模具由3d打印制作并带有用于固定pdms柔性基底的夹具；弯曲拉伸模具用于将pdms柔性基底按照预定的曲率进行弯曲变形，从而导致pdms基底表面发生相应的应变；所采用的模具曲率按照应变程度需求进行调节。
51.具体地，所述步骤3-1具体为：将处于弯曲应变状态下的pdms柔性基底放入等离子体处理设备中进行处理15～30min；本实施例中，模具弯曲曲率为0.546cm-1
，等离子体处理功率为30～100w；经过等离子氧化处理的pdms表面产生纳米氧化层薄膜，将弯曲的pdms从弯曲拉伸模具上释放获取规则的纳米褶皱；所述的pdms表面的波浪形纳米褶皱的波长和深度通过等离子体处理时间、弯曲应变曲率、等离子处理功率的参数进行调控。
52.具体地，所述步骤3-1具体包括如下步骤：将步骤2所得的聚合物褶皱表面进行等离子氧化处理使其表面亲水，而后在表面反应区循环滴加反应溶液进行纳米颗粒原位还原，反应后的基底经过超纯水冲洗和氮气吹干，获得金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底。
53.具体地，所述步骤3-1中，将表面具有纳米褶皱的柔性基底经过等离子体处理3分钟，使其表面呈现亲水状态，所采用的等离子体清洗功率为30～100w；在经过等离子处理后的褶皱表面迅速依次滴入20～60μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠还原纳米银颗粒，反应3～5分钟后将反应溶液吸出，重复此步骤3次，最终反应区用去离子水清洗反应区表面并用氮气吹干，获得金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底，金属纳米颗粒的种类、尺寸和密度由反应溶液类型、反应循环次数和反应溶液浓度参数进行调控。
54.具体地，所述步骤3-2具体包括如下步骤：将步骤2所得的处于应变状态下的纳米氧化层薄膜再次进行等离子表面处理使其亲水；在纳米氧化层薄膜表面反应区分别循环滴加反应溶液，原位还原制备金属纳米颗粒，而后反应基底经过超纯水冲洗和氮气吹干，将聚合物基底从弯折应变模具上释放，获得高密度间隙可控的金属纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底；
55.具体地，将处于应变状态下的纳米氧化层薄膜再次进行等离子表面处理使其亲水，在应变形态下的纳米薄膜表面迅速依次滴入20～60μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠，反应3～5分钟后将反应溶液吸出进行纳米颗粒原位还原，重复此步骤3～5次，最终反应区用去离子水清洗并用氮气吹干；将布满金属纳米颗粒且处于应变状态下柔性基底从弯曲应变模具上取下恢复释放，获得高密度间隙可控的银纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底，金属纳米颗粒的种类、尺寸和密度由反应溶液类型、反应循环次数和反应溶液浓度参数进行调控。
56.具体地，所述步骤4具体包括如下步骤：将表面拉曼增强基底进行弯曲使柔性基底
表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将待测物溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析；
57.采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析具体为：将金属颗粒间隙可控的表面拉曼增强散射基底进行柔性弯曲使表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将待测物溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；最终采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析；根据原位还原金属纳米颗粒的种类选择相应的拉曼检测激发光源波长和检测过程参数。
58.实施例1
59.如图2(a)～(f)所示，该方案的具体操作步骤如下：
60.步骤1.制备柔性聚合物材料基底1。具体如下：将石英玻璃片用丙酮、无水乙醇和超纯依次超声清洗20min，在氮气枪吹干表面保持干燥后，对四周用半透明胶带缠绕粘合，以控制pdms固化形状；在用天平称量定量聚二甲基硅氧烷(pdms)预聚体和固化剂比以10:1的比例混合，置于氮气吹干的干净烧杯中，玻璃棒搅拌6min使两者充分混合；将pdms混合物倒在玻璃片上，静置60min至排除混合物中的气泡；将排出气泡混合物的玻璃片放到加热板上在80℃下加热固化1小时，用尖嘴镊取下保鲜膜包好。
61.步骤2.对柔性聚合物材料基底表面进行应变拉伸并氧化处理，在表面生成纳米氧化层薄膜，具体如下：将步骤1中获得的柔性pdms材料基底放入具由3d打印制作并带有夹具用于固定pdms柔性基底的弯折拉伸模具3中使其发生应变，本实施例中，应变的曲率半径为1.832cm-1
；对应变状态下的pdms基底进行氧气等离子体2处理，使其表面产生纳米氧化层薄膜。
62.步骤3-1.柔性聚合物材料基底表面制备微纳褶皱，具体如下：将步骤2中将处于弯曲应变状态下的pdms柔性基底放入等离子体处理设备中进行处理，处理时间为20min，等离子体处理功率为30w。等离子体氧化处理后的pdms基底从应变模具上取下释放，经过等离子氧化处理的pdms表面产生纳米氧化层薄膜4，将弯曲的pdms从弯曲拉伸模具上释放获取规则的纳米褶皱5。波浪形纳米褶皱的波长和深度可通过等离子体处理时间，弯曲应变曲率，等离子处理功率和等离子处理的压力进行调控；
63.纳米褶皱上原位合成金属纳米粒子制备金属纳米粒子6间隙可控的表面拉曼增强散射基底，具体如下：将步骤2所得的聚合物褶皱表面进行等离子氧化处理3分钟，使其表面呈现亲水状态，所采用的等离子体清洗工作压力为0.5mpa，功率为30w。而后在表面反应区迅速依次滴入40μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠还原纳米银颗粒，反应5分钟后将反应溶液吸出，重复此步骤3次，最终用去离子水清洗反应区表面并用氮气吹干，获得金属纳米粒子间隙可控的表面拉曼增强散射基底。在此过程中，所述金属纳米颗粒的尺寸和密度可由重复次数和反应溶液浓度参数进行调控。
64.作为3-1的替代方式步骤3-2.在步骤2所述的纳米氧化层薄膜表面原位合成银纳米颗粒，而后释放柔性基底的应变形态，制备高密度间隙可控的银纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底，具体如下：将步骤2所得的处于应变状态下的纳米氧化层薄膜再次进行等离子表面处理使其亲水；在应变形态下纳米氧化层薄膜表面反应区迅速依次滴入40
μl浓度均为20mm硝酸银和硼氢化钠，反应5分钟后将反应溶液吸出进行纳米颗粒原位还原，重复此步骤3次，而后反应基底经过超纯水冲洗和氮气吹干。将布满金属纳米颗粒且处于应变状态下柔性基底从弯曲应变模具上取下恢复释放，获得高密度间隙可控的金属纳米粒子修饰的褶皱型表面增强拉曼散射基底。在此过程中，所述金属纳米颗粒的尺寸和密度可由重复次数和反应溶液浓度参数进行调控。
65.步骤4.在间隙可控的表面拉曼增强散射基底上添加样品并进行检测分析，具体如下：将表面拉曼增强基底进行弯折使表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将待测溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；样品最终采用拉曼光谱仪8对样品进行定量分析；采用的拉曼光谱激发波长为785nm，避光条件下在样本上滴入10μl浓度为10μm的探针7罗丹明b，检测采用的积分时间为10s，采用的激发强度为8.
66.测试例1：原子力扫描显微镜
67.对实施例1银纳米粒子修饰的柔性微纳褶皱进行原子力显微镜扫描，得到结果如图3(a)(b)所示，可以看出银纳米颗粒紧密排列在制作的褶皱基底上，与传统的sers基底相比，达到了很好的效果。
68.测试例2：对罗丹明b的监测分析
69.以罗丹明b为探针分子监测sers基底活性，具体如下：将表面拉曼增强基底进行弯折使表面金属纳米颗粒间的间隙增大；将罗丹明b溶液滴加在表面拉曼增强基底上待溶剂完全挥发，使待测目标罗丹明b分子嵌入金属纳米颗粒间隙中；恢复柔性表面拉曼增强基底，缩小褶皱表面金属纳米离子之间间隙；样品最终采用拉曼光谱仪对样品进行定量分析；采用的拉曼光谱激发波长为785nm，避光条件下在样本上滴入10μl浓度为10μm的罗丹明b，检测采用的积分时间为10s，采用的激发强度为8。得到如图4所示拉曼光谱仪的测试结果。每个峰值对应特定的官能团，由图可见在柔性褶皱基底上还原银纳米颗粒对拉曼信号具有好强的增强效果。
70.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。