專利名稱：基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子的方法。
背景技術(shù)：
單分子表面增強(qiáng)拉曼散射(surface enhanced raman scattering, SERS)結(jié)合單 個(gè)分子指紋識別的靈敏性，而成為研究表面吸附的單個(gè)分子動力學(xué)甚至溶液中的單分子反 應(yīng)的有力工具。然而，要把單分子檢測應(yīng)用到實(shí)際中，需要一種簡單便捷的制備具有單分子 增強(qiáng)能力的檢測基底的方法，在溶液情況下檢測還要求基底具有一定的穩(wěn)定性。到目前為 止，理論上認(rèn)為，尺寸在30-100nm范圍內(nèi)的銀顆粒的聚集體，顆粒間結(jié)合間距在l-9nm范圍 的情況下可作為SERS檢測的“熱點(diǎn)”。人們普遍采用1982年Lee-Misel等人利用檸檬酸還 原制備的銀納米顆粒作為檢測基底，然而這種聚集的銀納米顆粒僅有不到1 %的情況會檢 測出有效的SERS活性，進(jìn)一步說，在溶液中檢測時(shí)，由于銀膠體顆粒的布朗運(yùn)動以及其在 檢測體積內(nèi)構(gòu)型變化而難以獲得單分子真實(shí)的信號。因而，發(fā)展制備一種簡單、可靠、穩(wěn)定 具有單分子增強(qiáng)能力的可用于溶液中檢測的基底變得至關(guān)重要。硅納米線最有可能作為一種集成模塊材料與現(xiàn)有硅基半導(dǎo)體工藝結(jié)合而大范圍 應(yīng)用。由于其自身特有的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)以及高表面活性等特點(diǎn)，硅納米線在納米傳感器、 場發(fā)射顯示器件等各種納米器件方面已經(jīng)被廣泛研究。以硅納米線作為SERS檢測基底的 文獻(xiàn)鮮有報(bào)道，而達(dá)到單分子水平檢測的文獻(xiàn)更是沒有報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分 子的方法。本發(fā)明所提供的基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子的方法， 包括如下步驟1)將除去表面氧化層的硅納米線分散在十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)的水溶液 中，得到硅納米線的分散液；在攪拌條件下，向所述硅納米線的分散液中加入含有銀離子的 溶液進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，對反應(yīng)液進(jìn)行離心，收集沉淀，即得到表面負(fù)載銀顆粒的硅納 米線，然后將所述表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線依次用去離子水、無水乙醇沖洗，沖洗后將所 述表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線分散于乙醇中；2)用內(nèi)徑為0. 9-1. Imm的毛細(xì)管吸取少量上述表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線的乙 醇分散液滴于帶有凹槽的載玻片的凹槽處，待乙醇揮發(fā)后，在凹槽處加入待測分子的水溶 液，并用蓋玻片將其密封，選用一定波長的激光對凹槽處的硅納米線進(jìn)行照射，并進(jìn)行拉曼 信號的收集，即實(shí)現(xiàn)對單分子的實(shí)時(shí)檢測。其中，步驟1)中所述十六烷基三甲基溴化銨的水溶液中十六烷基三甲基溴化 銨的濃度為0. 5-1. 5mmol/L,優(yōu)選為lmmol/L ；所述硅納米線分散液中硅納米線的含量為0. 2-0. 5mg/ml。所述含銀離子的溶液可為硝酸銀溶液或醋酸銀溶液等，當(dāng)選用硝酸銀溶液 時(shí)，所述硝酸銀溶液中硝酸銀濃度為1-1. 5mmol/L，優(yōu)選為lmmol/L。步驟1)所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為15°C -25 V ；反應(yīng)時(shí)間為lmin-5min，優(yōu)選為 2-3min ；所述反應(yīng)的反應(yīng)體系中，CTAB與硝酸銀的摩爾比為0. 15-0. 35。本發(fā)明中所述除去表面氧化層的硅納米線的直徑為大于等于lOOnm，優(yōu)選為 100nm-500nm。上述除去表面氧化層的硅納米線是按照下述方法制備得到的1)以錫粉作催化劑，熱蒸發(fā)SiO粉末制備得到的表面覆蓋有氧化層的硅納米線；2)將所述表面覆蓋有氧化層的硅納米線浸泡在質(zhì)量濃度為5% -15%的氫氟酸水 溶液中，超聲分散，放置10-30min后將溶液離心，分離出沉淀，并用去離子水沖洗，得到除 去表面氧化層的硅納米線。本發(fā)明的步驟幻中所述待測分子的水溶液為羅丹明(R6G)水溶液時(shí)，所述羅丹明 水溶液中羅丹明的濃度為5nmol/L，以保證檢測體積內(nèi)最多有1個(gè)分子。此時(shí)，所選用的激 光波長為532nm，激光功率為0. 05mW，激光聚焦點(diǎn)直徑為0. 5 μ m。本發(fā)明利用氫氟酸處理后的硅納米線表面具有還原性，能夠?qū)⑷芤褐械慕饘匐x子 還原成單質(zhì)而沉積在硅納米線表面。本發(fā)明制備方法簡單快捷，設(shè)備廉價(jià)，在室溫下即可進(jìn) 行，可大量制備，且制備的材料可以滿足理論上計(jì)算的單分子SERS “熱點(diǎn)”所需要的顆粒尺 寸和間距。試驗(yàn)證明，以本發(fā)明中制備的硅納米線作為SERS檢測基底，實(shí)現(xiàn)了溶液中單分 子水平檢測。


圖1為實(shí)施例1制備的表面負(fù)載有銀納米顆粒的硅納米線的SEM和TEM照片。圖2為實(shí)施例2中Raman檢測體系的簡化圖。圖3為實(shí)施例2中單根硅納米線的光學(xué)照片。圖4為實(shí)施例2中不同照射點(diǎn)的拉曼光譜信號的平均值。圖5為實(shí)施例3中單個(gè)照射點(diǎn)的拉曼光譜隨時(shí)間的波動圖。
具體實(shí)施例方式為了更好的理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明。但是本 發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于實(shí)施例所表述的范圍。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和材料，如 無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例中所使用的硝酸銀，氫氟酸(質(zhì)量濃度為40% )，均購于北京化學(xué)試劑公 司；CTAB(純度99%)購于Alfa公司，羅丹明6G(分析級)購于百靈威公司，使用前均未作 進(jìn)一步處理。下述實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法；所述試劑和生物 材料，如無特殊說明，均可從商業(yè)途徑獲得。實(shí)施例1、制備表面均勻負(fù)載銀納米顆粒的硅納米線本實(shí)施例中所使用的硅納米線是采用現(xiàn)有的方法以錫粉作為催化劑，熱蒸發(fā) SiO粉末制備得到的；具體如下稱取3. OgSiO粉末和0. 5gSn粉，放置在瓷舟中混合均勻，將瓷舟放于真空管式爐的高溫區(qū)，封閉真空管式爐；抽氣至爐腔內(nèi)壓強(qiáng)至5X IO-2Hibar后， 通入氬氣和氫氣的混合氣至爐內(nèi)壓強(qiáng)在350mbar后，以40°C /min的速度將爐內(nèi)高溫區(qū)加熱 到1360°C，保溫7- 后，冷卻至室溫。制備的硅納米線直徑約為100-500納米，表面包覆一 層硅的氧化層。實(shí)驗(yàn)制備的硅納米線粗產(chǎn)品先在乙醇溶液中超聲分散，過濾后才能使用。稱取約2. 5mg上述硅納米線放于塑料管中，向其中加入2_5ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的氫 氟酸溶液，超聲分散后，靜置20分鐘除去表面氧化層，離心分離，得到除去表面氧化層的硅 納米線。將除去表面氧化層的硅納米線超聲分散在5ml濃度為ImM的CTAB的水溶液中，硅 納米線在其中能較好的分散。取該分散液1ml，在室溫條件下攪拌均勻后，向其中迅速加入 3mL濃度為ImM的AgNO3溶液，室溫條件下反應(yīng)3min，反應(yīng)結(jié)束后將最終溶液在8000r/min 轉(zhuǎn)速下離心aiiin，使產(chǎn)品從溶液體系中分離出來。然后將產(chǎn)品依次用去離子水、無水乙醇超 聲沖洗3次，每次沖洗后溶液均在SOOOr/min轉(zhuǎn)速下離心5min，最后將制備的表面負(fù)載銀顆 粒的硅納米線分散在無水乙醇中待用。將產(chǎn)品的乙醇分散液滴在硅片上，待乙醇蒸發(fā)后在掃描電鏡(SEM， HitachiS-4300)下觀察其形貌，表面負(fù)載有銀納米顆粒的硅納米線的形貌如圖Ia所示。右 圖Ia可知大量硅納米線表面包覆有均勻分布的銀納米顆粒。該樣品的透射電鏡(TEM)照 片如圖Ib所示，由圖Ib可知銀納米顆粒的平均粒徑約為34nm，相鄰顆粒的間距為l-7nm。實(shí)施例2、基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子用毛細(xì)管吸取少量實(shí)施例1中制備得到的樣品的分散液滴在帶有凹槽的載玻片 上，待乙醇揮發(fā)后，硅納米線吸附在玻璃表面，然后向凹槽處滴加5nM的R6G的水溶液，表面 H上H玻片防止_液揮發(fā)。renishaw confocal laser ramanspectroscopy 收_單 根硅納米線檢測單分子的光譜，該檢測體系的簡化圖如圖2所示，檢測單根硅納米線的光 學(xué)照片如圖3所示。選用放大倍數(shù)為100倍的物鏡(數(shù)值孔徑NA = 0. 85，激光點(diǎn)直徑為 0. 5 μ m，景深為2 μ m,經(jīng)過計(jì)算在檢測體積內(nèi)不會超過1個(gè)分子)，激發(fā)波長為532nm，功率 約為50 μ W的激光對單根硅納米線上不同的點(diǎn)進(jìn)行照射，收集30個(gè)光譜，其中每個(gè)光譜收 集時(shí)間為10s，累積次數(shù)為1，取其平均值，拉曼光譜如圖4所示。由圖4可知樣品具有很好 的單分子增強(qiáng)能力。實(shí)施例3、基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子按照實(shí)施例2的方法，收集單根硅納米線在溶液中檢測單分子的信號，不同之處 在于本實(shí)施例中是選取單根硅納米線上同一個(gè)點(diǎn)采用連續(xù)激光照射，收集100個(gè)光譜，光 譜時(shí)間間隔為ls，獲取的拉曼光譜的隨時(shí)間變化圖如圖5所示。由圖5可知，光譜隨時(shí)間出 現(xiàn)明顯的明滅現(xiàn)象，這是單分子拉曼光譜所特有的現(xiàn)象，進(jìn)一步證明樣品能夠?qū)崿F(xiàn)溶液體 系中實(shí)時(shí)檢測單分子。
權(quán)利要求
1.一種基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子的方法，包括如下步驟1)將除去表面氧化層的硅納米線分散在十六烷基三甲基溴化銨的水溶液中，得到硅納 米線的分散液；在攪拌條件下，向所述硅納米線的分散液中加入含有銀離子的溶液進(jìn)行反 應(yīng)，反應(yīng)結(jié)束后，對反應(yīng)液進(jìn)行離心，收集沉淀，即得到表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線，然后將 所述表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線依次用去離子水、無水乙醇沖洗，沖洗后將所述表面負(fù)載 銀顆粒的硅納米線分散于無水乙醇中待用；2)將表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線的乙醇分散液滴于帶有凹槽的載玻片的凹槽處，待乙 醇揮發(fā)后，在凹槽處加入一定濃度的待測溶液，并用蓋玻片將其密封，選用一定波長的激光 對凹槽處的單根硅納米線進(jìn)行照射，并進(jìn)行拉曼信號的收集，即實(shí)現(xiàn)對單分子的實(shí)時(shí)檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于步驟1)中所述十六烷基三甲基溴化銨的 水溶液中十六烷基三甲基溴化銨的濃度為0. 5-1. 5mmol/L，優(yōu)選為lmmol/L ；所述硅納米線 分散液中硅納米線的含量為0. 2-0. 5mg/ml。
3.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一所述的方法，其特征在于步驟1)中所述含有銀離子的溶 液為硝酸銀溶液或醋酸銀溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述硝酸銀溶液中硝酸銀的濃度為 1-1. 5mmol/L，優(yōu)選為 lmmol/L。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的方法，其特征在于步驟1)所述反應(yīng)的反應(yīng)溫度為 15°C -25°C;反應(yīng)時(shí)間為lmin-5min，優(yōu)選為2_;3min ；所述反應(yīng)的反應(yīng)體系中，十六烷基三甲 基溴化銨與硝酸銀的摩爾比為0. 15-0. 35。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5中任一所述的方法，其特征在于所述硅納米線的直徑約為 100-500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一所述的方法，其特征在于所述除去表面氧化層的硅納米 線是按照下述方法制備得到的1)以錫粉作催化劑，熱蒸發(fā)SiO粉末制備得到的表面覆蓋有氧化層的硅納米線；2)將所述表面覆蓋有氧化層的硅納米線浸泡在質(zhì)量濃度為5%-15%的氫氟酸水溶液 中，超聲分散，放置10-30min后將溶液離心，分離出沉淀，并用去離子水沖洗，得到除去表 面氧化層的硅納米線。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一所述的方法，其特征在于所述待測溶液為羅丹明6G水溶 液；所述羅丹明6G水溶液中羅丹明6G的濃度為5nmol/L。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述待測溶液為羅丹明水溶液；所選用的 激光波長為532nm，激光功率為0. 05-0. 5mW，激光聚焦點(diǎn)直徑為0. 5 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)的單根硅納米線實(shí)時(shí)檢測單分子的方法。該方法包括如下步驟1)將除去表面氧化層的硅納米線分散在CTAB的水溶液中，在攪拌條件下，向所述硅納米線的分散液中加入含有金屬銀離子的溶液，反應(yīng)一段時(shí)間后將產(chǎn)物離心，收集沉淀，將得到的表面負(fù)載銀顆粒的硅納米線分散于乙醇中；2)將硅納米線的乙醇分散液滴于帶有凹槽的載玻片的凹槽處，待乙醇揮發(fā)后，在凹槽處加入待測分子的水溶液，并用蓋玻片將其密封，選用一定波長的激光對凹槽處的硅納米線進(jìn)行照射，并進(jìn)行拉曼信號的收集，即實(shí)現(xiàn)對單分子的實(shí)時(shí)檢測。該方法簡單快捷，反應(yīng)條件溫和，制備的材料性能穩(wěn)定，SERS響應(yīng)很好，且實(shí)現(xiàn)了溶液體系中單個(gè)分子的檢測，為研究溶液體系中單個(gè)分子的反應(yīng)提供了良好的平臺。
文檔編號G01N21/65GK102103086SQ20091024197
公開日2011年6月22日 申請日期2009年12月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月16日
發(fā)明者張曉宏, 李述湯, 歐雪梅, 王輝, 韓雪梅 申請人:中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所