專利名稱：基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納米光子學(xué)和光流控領(lǐng)域，具體涉及表面增強(qiáng)拉曼散射光譜技術(shù)。
背景技術(shù)：
隨著人類社會發(fā)展，對于各種各樣痕量化學(xué)生物分子的檢測需求日益增長，包括對人類健康的疾病、食品污染、環(huán)境毒素、毒品，以及面向軍事國防等國家安全的爆炸物分子檢測。在這些檢測領(lǐng)域，拉曼散射光譜反映分子的振動、轉(zhuǎn)動或電子態(tài)能量的變化，根據(jù)光子頻率變化可以判斷出分子中所含有的化學(xué)鍵或基團(tuán)，從而鑒別物質(zhì)，分析物質(zhì)的性質(zhì)，得到廣泛關(guān)注和應(yīng)用。但是，拉曼散射的散射面積小，信號微弱，難用于痕量分子檢測。表面增強(qiáng)拉曼散射光譜(surface enhanced Raman scattering,簡稱SERS)克服了傳統(tǒng)拉曼光譜存在的拉曼信號微弱、檢測靈敏度低、易受熒光干擾的缺點；具有不需要預(yù)處理、非侵入非破壞性等優(yōu)點。表面增強(qiáng)拉曼散射光譜是指粗糙貴金屬表面在外界電磁場激發(fā)下會放大增強(qiáng)吸附在其表面的分子拉曼散射光譜信號的一種現(xiàn)象。與普通拉曼散射信號相比，表面增強(qiáng)拉曼散射信號的強(qiáng)度最高可以到放大IO14-1O15,靈敏度高，足以滿足痕量分子拉曼散射信號的探測。傳統(tǒng)的基于SERS的檢測系統(tǒng)主要由拉曼散射基底吸附待測分子，由大型拉曼光譜儀進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)測試分析。其中拉曼散射基底是主要利用純金屬納米結(jié)構(gòu)，如金銀銅等納米顆粒，納米線，納米棒，納米薄膜，納米管，納米球等。隨著近年來材料科學(xué)和納米加工技術(shù)的發(fā)展，基于各種過度金屬、聚合物、半導(dǎo)體等材料殼核結(jié)構(gòu)、納米棒、納米陣列等納米結(jié)構(gòu)構(gòu)成各種SERS基底。實驗室內(nèi)大型的拉曼光譜儀，體積龐大，價格昂貴；檢測時需要光學(xué)對準(zhǔn)和聚焦，不利于在線檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了解決SERS檢測系統(tǒng)體積大、價格昂貴，不利于在線檢測的缺點，提出一種基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射光流控系統(tǒng)。該系統(tǒng)由金納米粒子修飾碳納米管陣列作為三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底，吸附待測分子。由于碳納米管陣列垂直生長，具有極大比表面積，可吸附更多的金納米粒子，從而有利于拉曼信號增強(qiáng)。該系統(tǒng)中由導(dǎo)入光纖接入激光，收集光纖導(dǎo)出散射光，免去了顯微聚焦和對準(zhǔn)，體積小，便于在線檢測。本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
本發(fā)明是一種基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，所述光流控系統(tǒng)包括硅基底上的微通道、金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底、激光源、入射光纖、收集光纖、光譜儀和調(diào)壓裝置；所述微通道，由相互連通的四個通道組成，第一通道一端封閉，在封閉端設(shè)有一個待測分子入射小孔，第二通道是一個放置入射光纖的通道，與第一通道垂直，兩端不封閉，第三通道是一個放置收集光纖的通道，兩端不封閉，第四通道一端封閉，封閉端設(shè)有一個待測分子出射小孔和連接調(diào)壓裝置的小孔，第四通道中設(shè)置有金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底，作為探測區(qū)；所述第二通道和第四通道直線相通，入射光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底；所述第一通通道與第二通道和第四通道之間的空間連通，所述第三通道與第四通道連通，收集光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底；所述入射光纖連接激光源，收集光纖連接光譜儀。分子檢測時:待測分子通過微通道的入射小孔進(jìn)入，流過微通道內(nèi)的三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底，待測分子吸附到拉曼散射基底，調(diào)壓裝置保證待測分子在微通道順利流動。采用一個激光器作為激勵光源，利用入射光纖將光傳輸?shù)焦饬骺赝ǖ乐?，照射到探測區(qū)，在激勵光源的照射下，在所述三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底表面產(chǎn)生的局域電磁場將被增強(qiáng)，使表面吸附分子的拉曼散射信號顯著增強(qiáng)，待測分子的散射信號由收集光纖導(dǎo)出到光譜儀，完成待測分子拉曼檢測。微通道內(nèi)可以注入液體分子，也可以注入氣體分子，進(jìn)行液體、氣體分子檢測。金納米粒子修飾碳納米管陣列三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底包括基底、基底之上的催化層、生長在催化層上的碳納米管陣列和附著在碳納米管陣列表面的金納米粒子。本發(fā)明的金納米粒子修飾碳納米管陣列三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底具有比表面積大，有利于拉曼信號增強(qiáng)，制作簡單，成本低，無毒無污染等優(yōu)點；激光由入射光纖導(dǎo)入，散射光由收集光纖導(dǎo)出，避免使用實驗室昂貴的傳統(tǒng)大型設(shè)備，無需顯微對準(zhǔn)聚焦，有利于便攜式在線檢測。這樣本發(fā)明從理論上、實現(xiàn)可行性上都將對表面拉曼散射光譜的應(yīng)用提供一種便攜式在線檢測方法。


圖1是基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)示意 圖2是本發(fā)明的微通道結(jié)構(gòu)示意 圖3是本發(fā)明的金納米粒子修飾碳納米管陣列三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底示意 圖4是本發(fā)明在表面增強(qiáng)拉曼散射光譜分子檢測應(yīng)用中的原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步闡述:
參見圖1，本發(fā)明涉及的基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，包括:微通道1，金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射基底2，激光光源3，導(dǎo)入光纖4，收集光纖5，光譜儀6，調(diào)壓裝置7。導(dǎo)入光纖4和收集光纖5固定在微通道中；拉曼散射基底2先制備好，再和微通道粘接形成一體。參見圖2，本發(fā)明的微通道I由相互連通的四個通道組成，包括設(shè)有待測分子入射小孔1-1-1的第一通道1-1，放置入射光纖4的兩端不封閉的第二通道1-2，放置收集光纖5的兩端不封閉第三通道1-3，設(shè)有待測分子出射小孔1-4-1的第四通道1-4，此通道上還設(shè)有調(diào)壓裝置7的接入小孔1-4-2。第四通道1-4中設(shè)置有金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底2，作為探測區(qū)。第二通道1-2和第四通道1-4直線相通，入射光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底2，第一通道1-1與第二通道1-2和第四通道1-4之間的空間連通，第三通道1-3與第四通道1-4連通，收集光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底2。本系統(tǒng)中，第四通道1-4的后段有一截收縮頸部，可使待測分子在探測區(qū)域充分吸附在三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底2上，增強(qiáng)拉曼散射信號。參見圖3，本發(fā)明使用的金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射基底2包括基底2-1，生長碳納米管陣列的催化層2-2，碳納米管陣列2-3，附著在碳納米管陣列表面的金納米粒子2-4。其制備是:首先在硅基底上沉積一層金屬作為催化劑；然后采用化學(xué)氣相沉積方法，通入碳源氣反應(yīng)，在催化層上長出碳納米管陣列；再通過濺射/旋涂方法將金納米顆粒沉積在碳納米管陣列表面，形成三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底。微通道是采用軟光刻的方法，利用PDMA材料制備獲得。拉曼活性基底和制備的微通道是通過粘接為一體，形成光流控系統(tǒng)。參見圖4，待測分子8吸附在金納米粒子修飾碳納米管陣列三維拉曼散射基底2上，入射光9照射到有待測分子的基底上，由于金納米粒子2-4的表面等離子共振特性，待測分子8的拉曼散射光10被后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)收集。分子檢測時，通過調(diào)整調(diào)壓裝置7，使微通道中壓力可調(diào)，利于待測分子流動；待測分子8由待測分子入射小孔1-1-1進(jìn)入微流通通道1，流過探測區(qū)域的金納米粒子修飾碳納米管陣列三維拉曼散射基底2，待測分子8吸附在三維拉曼散射基底2上，激勵光源3通過導(dǎo)入光纖4入射到探測區(qū)域，由于金納米粒子2-4的表面等離子共振特性，待測分子8的拉曼散射信號由導(dǎo)出光纖5收集，導(dǎo)出到光譜儀6，通道內(nèi)的待測分子8經(jīng)過三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底2后，由待測分子出射小孔1-4-1流出，完成分子檢測。本發(fā)明充分利用金納米粒子修飾碳納米管陣列三維SERS基底極大的比表面積，可吸附更多的金納米粒子，從而吸附更多的待測分子，增強(qiáng)拉曼散射信號；同時利用微通道保證導(dǎo)入光纖和收集光纖的對準(zhǔn)，無需測試時的顯微聚焦對準(zhǔn)；體積小，價格便宜，便攜式等優(yōu)點，達(dá)到對待測分子的在線檢測。該發(fā)明可以測試液體分子，也可以測試氣體分子。
權(quán)利要求
1.基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，其特征在于:所述光流控系統(tǒng)包括硅基底上的微通道、金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底、激光源、入射光纖、收集光纖、光譜儀和調(diào)壓裝置；所述微通道，由相互連通的四個通道組成，第一通道一端封閉，并在封閉端設(shè)有一個待測分子入射小孔，第二通道是一個放置入射光纖的通道，與第一通道垂直，兩端不封閉，第三通道是一個放置收集光纖的通道，兩端不封閉，第四通道一端封閉，封閉端設(shè)有一個待測分子出射小孔和連接調(diào)壓裝置的小孔，第四通道中設(shè)置有金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底，作為探測區(qū)；所述第二通道和第四通道直線相通，入射光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底；所述第一通通道與第二通道和第四通道之間的空間連通，所述第三通道與第四通道連通，收集光纖正對金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底；所述入射光纖連接激光源，收集光纖連接光譜儀； 待測分子由入射小孔進(jìn)入，流過三維拉曼散射基底，待測分子吸附到拉曼散射基底，調(diào)壓裝置保證待測分子在微通道順利流動；激勵光源利用入射光纖將光傳輸?shù)焦饬骺赝ǖ乐校丈湮接写郎y分子的三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底，待測分子的散射信號由收集光纖導(dǎo)出到光譜儀，完成待測分子拉曼信號檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，其特征在于:所述金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底(2)包括基底(2-1)、基底之上的催化層(2-2)、生長在催化層上的碳納米管陣列(2-3)和附著在碳納米管陣列表面的金納米粒子(2-4);所述三維拉曼散射基底和微通道粘接為一體。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，其特征在于:金納米粒子修飾碳納米管三維拉曼散射基底的制作方法是:首先在硅基底上沉積一層金屬作為催化劑；然后采用化學(xué)氣相沉積方法，在催化層上長出碳納米管陣列；再通過濺射或旋涂方法將金納米顆粒沉積在碳納米管陣列表面，形成表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的基于金納米粒子修飾碳納米管陣列表面增強(qiáng)拉曼散射的光流控系統(tǒng)，其特征在于:所述微通道是采用軟光刻方法在PDMA材料上制作而得。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于分子檢測的基于金納米粒子修飾碳納米管陣列的表面增強(qiáng)拉曼散射光流控系統(tǒng)，該系統(tǒng)是采用碳納米管陣列作為納米金屬結(jié)構(gòu)載體，并在此碳納米管陣列載體上沉積金納米粒子，形成三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底，作為該系統(tǒng)中微通道的探測區(qū)；激光光源通過光纖導(dǎo)入，入射到三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底；散射光通過光纖導(dǎo)出到光譜儀進(jìn)行光譜測試；調(diào)壓裝置保證微通道內(nèi)待測分子順利流動。本發(fā)明的三維表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底制作工藝簡單，成本低，無毒無污染；碳納米管陣列表面積大，有效增加了金納米粒子的填充效果，從而增加了拉曼散射截面積，拉曼散射信號強(qiáng)度增大；利用光纖導(dǎo)入激光和收集拉曼散射光，無需傳統(tǒng)的顯微聚焦和對準(zhǔn)；系統(tǒng)體積小，成本低，便于實現(xiàn)分子的便攜式、在線檢測。
文檔編號G01N21/65GK103149193SQ20131005862
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月25日
發(fā)明者張潔, 朱永, 龔天誠, 范拓 申請人:重慶大學(xué)