本發(fā)明涉及熒光生物傳感器領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法。

背景技術(shù)：

量子點(diǎn)作為一種零維材料具有其獨(dú)特的光物理特性，如高量子產(chǎn)率、抗光漂白性、較寬的激發(fā)譜范圍、納米尺寸結(jié)構(gòu)可調(diào)性及在UV-visible-NIR 范圍內(nèi)的良好發(fā)光特性。近年來(lái)，量子點(diǎn)因具有良好生物兼容性及優(yōu)異發(fā)光性能的在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得了越來(lái)越多的關(guān)注，它作為熒光標(biāo)記被廣泛應(yīng)用于免疫測(cè)定、藥物輸送、細(xì)胞成像和基于熒光能量轉(zhuǎn)移的（FRET）的生物傳感器。納米金因其具有表面等離子體共振效應(yīng)，可增強(qiáng)其表面及附近的熒光物質(zhì)的熒光發(fā)射強(qiáng)度，這一特性被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、光電器件等領(lǐng)域。此外，納米金還具有易于鏈接生物的特性，已被廣泛應(yīng)用于生物分子檢測(cè)。

多孔硅是一種具有大的比表面積、良好的生物兼容性、易于功能化，它可以被制備成具有不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)器件，可作為良好的基底材料被應(yīng)用于生物傳感器領(lǐng)域 。將量子點(diǎn)或納米金與多孔硅結(jié)合也可制備出性能優(yōu)異的生物傳感器，另外用納米金顆粒還可增強(qiáng)量子點(diǎn)熒光，但目前尚未見在多孔硅中用納米金增強(qiáng)量子點(diǎn)熒光的報(bào)道。

在我們的研究工作中，分別將量子點(diǎn)和金納米顆粒嵌入到多孔硅孔洞中，利用納米金的表面等離子體共振效應(yīng)增強(qiáng)了嵌入在多孔硅之中的量子點(diǎn)熒光。另外，我們?cè)O(shè)計(jì)了具有布拉格結(jié)構(gòu)的多層多孔硅，實(shí)現(xiàn)了對(duì)從多孔硅中發(fā)出的量子點(diǎn)熒光的再增強(qiáng)。這種量子點(diǎn)/納米金/多孔硅光學(xué)器件可進(jìn)一步用于生物檢測(cè)，為制備具有良好熒光性能的生物傳感器奠定了基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法，

實(shí)現(xiàn)了多孔硅多層Bragg結(jié)構(gòu)及納米金的修飾對(duì)多孔硅中量子點(diǎn)熒光的雙重增強(qiáng)。

一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法，所述制備及表征方法包括以下步驟:

S1、在常溫環(huán)境下用電化學(xué)腐蝕法以P型單晶Si為基底制備多層多孔硅樣品；

S2、制備納米金膠溶液；

S3、將氨基化后的多孔硅樣品浸泡在納米金膠溶液中8小時(shí)以得到納米金修飾后的樣品；

S4、將量子點(diǎn)溶液滴定在氨基化的多孔硅樣品上常溫下放置6小時(shí)，使得CdSe或ZnS量子點(diǎn)緩慢地沉積在多孔硅薄膜上；

S5、對(duì)樣品進(jìn)行表面形貌表征、反射譜測(cè)量及光致發(fā)光測(cè)量。

優(yōu)選地，所述P型單晶硅晶向?yàn)?00，電阻率為0.03Ω·cm，厚度為400μm。

優(yōu)選地，所述電化學(xué)腐蝕法中的電解拋光用的電解液為濃度為40%的氫氟酸和濃度≥99%的酒精按照體積比為1:1混合而成。

優(yōu)選地，納米金溶液的具體制備方法包括：將2ml、0.1mmol/L氯金酸溶液加入100ml的水中加熱至沸騰，迅速的加入4ml、1.1mmol/L的檸檬酸三鈉溶液，10分鐘后，含納米金的溶液停止加熱并靜置1h。

優(yōu)選地，將氨基化后的多孔硅樣品在納米金膠溶液中浸泡8h，浸泡過(guò)程中納米金顆?？芍饾u沉積在多孔硅樣品上。

優(yōu)選地，將4μL 、0.4μmol/L的CdSe/ZnS量子點(diǎn)溶液滴定在氨基化的多孔硅樣品上常溫下放置6小時(shí)，使得 CdSe/ZnS量子點(diǎn)緩慢地沉積在多孔硅薄膜上，量子點(diǎn)和多孔硅的結(jié)合是通過(guò)多孔硅上氨基的單電子對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

優(yōu)選地，所述多層多孔硅包含的布拉格反射鏡由低孔隙率層和高孔隙率層交替堆疊構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)于高折射率和低折射率的區(qū)域。

優(yōu)選地，所述折射率變化的量程范圍為0到0.01。

本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下有益效果：

本發(fā)明提供了一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法，我們首先制備出了禁帶位置覆蓋量子點(diǎn)熒光發(fā)射峰的一維多孔硅光子晶體，又用納米金修飾了多孔硅基底，成功的將CdSe/ZnS量子點(diǎn)嵌入到納米金修飾的多孔硅布拉格結(jié)構(gòu)中，研究了Au/muti-layer PSi基底對(duì)量子點(diǎn)熒光的影響。通過(guò)對(duì)比QDs/single layer PSi、QDs/muti-layer PSi、QDs/ Au/muti-layer PSi的熒光強(qiáng)度，得出結(jié)論，Au/muti-layer PSi基底能有效增強(qiáng)CdSe/ZnS量子點(diǎn)的熒光達(dá)2.5倍，實(shí)現(xiàn)了多孔硅的布拉格結(jié)構(gòu)及納米金的等離子體效應(yīng)對(duì)量子點(diǎn)熒光的雙重增強(qiáng)，為構(gòu)建具有良好生物兼容性及更高靈敏度的熒光生物傳感器奠定了基礎(chǔ)。

附圖說(shuō)明

下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

圖1為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法中所用的CdSe量子點(diǎn)的掃描電鏡表面形貌圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法中所用CdSe量子點(diǎn)的光致熒光圖；

圖3為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法中所制備的多孔硅樣品的掃描電鏡表面形貌圖；

圖4為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的多孔硅樣品的掃描電鏡截面形貌圖；

圖5為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法的多所制備的納米金膠溶液的透射電鏡形貌圖；

圖6為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的功能化的多孔硅樣品固定量子點(diǎn)前后反射譜變化圖；

圖7為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的功能化的多孔硅樣品固定量子點(diǎn)前后熒光譜變化圖；

圖8為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的單層及多層多孔硅樣品固定量子點(diǎn)前后熒光譜對(duì)比圖；

圖9為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的納米金修飾后的單層及多層多孔硅樣品固定量子點(diǎn)前后熒光譜對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例詳細(xì)描述如下：

本發(fā)明提供一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法，所述具體制備及檢測(cè)方法包括以下步驟:

S1、在常溫環(huán)境下用電化學(xué)腐蝕法以P型單晶Si為基底制備多層多孔硅樣品；

S2、制備納米金膠溶液；

S3、將氨基化后的多孔硅樣品浸泡在納米金膠溶液中8小時(shí)以得到納米金修飾后的樣品；

S4、將量子點(diǎn)溶液滴定在氨基化的多孔硅樣品上常溫下放置6小時(shí)，使得CdSe或ZnS量子點(diǎn)緩慢地沉積在多孔硅薄膜上；

S5、對(duì)樣品進(jìn)行表面形貌表征、反射譜測(cè)量及光致發(fā)光測(cè)量。

進(jìn)一步地，參見圖3、4為本發(fā)明的實(shí)施例的一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法所制備的多孔硅樣品掃描電子顯微鏡表面形貌及截面形貌圖。通過(guò)電化學(xué)腐蝕法制備多孔硅樣品，采用的基底單晶Si材料為P型，晶向?yàn)?lt;100>，電阻率為0.03Ω·cm，厚度為400μm。所用電解液為體積比為1:1的氫氟酸(濃度為40%)和酒精（濃度≥99%）的混合液。

進(jìn)一步地，納米金溶液的具體制備方法包括：將2ml、0.1mmol/L氯金酸溶液加入100ml的水中加熱至沸騰，迅速的加入4ml、1.1mmol/L的檸檬酸三鈉溶液，10分鐘后，含納米金的溶液停止加熱并靜置1h。

進(jìn)一步地，將氨基化后的多孔硅樣品在納米金膠溶液中浸泡8h，浸泡過(guò)程中納米金顆?？芍饾u沉積在多孔硅樣品上。

進(jìn)一步地，將4μL 、0.4μmol/L的CdSe/ZnS量子點(diǎn)溶液滴定在氨基化的多孔硅樣品上常溫下放置6小時(shí)，使得 CdSe/ZnS量子點(diǎn)緩慢地沉積在多孔硅薄膜上，量子點(diǎn)和多孔硅的結(jié)合是通過(guò)多孔硅上氨基的單電子對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

制備的單層多孔硅樣品的腐蝕條件為Ι=105mA·cm-2，時(shí)間為4s；多層多孔硅樣品的腐蝕條件為IH=100mA·cm-2 、IL=20 mA·cm-2, 對(duì)應(yīng)的時(shí)間分別 1.6s 和 2.2s；

進(jìn)一步地，多層布拉格反射鏡（多層多孔硅）由低孔隙率層和高孔隙率層交替堆疊構(gòu)成，分別對(duì)應(yīng)于高折射率和低折射率的區(qū)域。布拉格反射鏡與缺陷層的光學(xué)厚度滿足以下關(guān)系：

其中m是整數(shù)， nL(nH)和 dL(dH) 分別對(duì)應(yīng)低（高）折射率層的折射率和厚度。λBragg 是中心禁帶位置處對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)。

進(jìn)一步地，折射率變化的量程范圍為0到0.01。

需要說(shuō)明地是，從嵌入量子點(diǎn)前后樣品反射譜圖及熒光譜圖的對(duì)比（圖6、圖7），我們可判斷氧化石墨烯量子點(diǎn)是否成功嵌入在于多孔硅薄膜上，如圖6，沉積量子點(diǎn)后的多孔硅反射譜圖與未附著之前（功能化后）相比有大概20nm左右的紅移，這是因?yàn)榱孔狱c(diǎn)滲透于多孔硅的孔洞中，導(dǎo)致有效折射率的增大，即光學(xué)厚度增加引起多孔硅Bragg結(jié)構(gòu)的反射譜紅移。又如圖7，嵌入CdSe/ZnS量子點(diǎn)前后多孔硅熒光強(qiáng)度反差強(qiáng)烈，這也進(jìn)一步說(shuō)明了量子點(diǎn)成功的嵌入在多孔硅薄膜上。

如圖8，我們們分別對(duì)單層多孔硅和多層含有布拉格結(jié)構(gòu)的多孔硅沉積量子點(diǎn)后的熒光性能進(jìn)行對(duì)比，所用單層的腐蝕條件與多層樣品的第一部分單層腐蝕條件相同,經(jīng)過(guò)對(duì)嵌入量子點(diǎn)前后的熒光對(duì)比，說(shuō)明嵌入量子點(diǎn)后的多層樣品的熒光相比嵌入后的單層樣品來(lái)說(shuō)，有顯著增強(qiáng)。這是因?yàn)槲覀儾捎玫募ぐl(fā)光為370nm,此波長(zhǎng)處于樣品禁帶位置之外，以致樣品對(duì)激發(fā)光的反射較低，而由于量子點(diǎn)熒光發(fā)光峰的位置位于多孔硅禁帶區(qū)域內(nèi)，致使樣品對(duì)熒光峰位置處的光反射較強(qiáng)從而增強(qiáng)了對(duì)表面向上的熒光，最終達(dá)到了較之單層熒光增強(qiáng)的效果。

如圖9，我們分別對(duì)用納米金修飾過(guò)的多孔硅襯底和未修飾過(guò)的多孔硅襯底上滲入量子點(diǎn)后的熒光進(jìn)行對(duì)比，,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明納米金的嵌入顯著增強(qiáng)了多孔硅中量子點(diǎn)的熒光強(qiáng)度，這是由于金納米顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)而引起的。當(dāng)入射光激發(fā)時(shí)，納米結(jié)構(gòu)的金屬表面產(chǎn)生了局域表面等離子體共振，這種共振激發(fā)使得金屬顆粒周圍的局域電磁場(chǎng)極大增強(qiáng)，這一增強(qiáng)的局域場(chǎng)使金屬顆粒表面附近的發(fā)光分子的激發(fā)速率得到增強(qiáng)，從而增強(qiáng)了熒光信號(hào)。當(dāng)然，當(dāng)金屬納米顆粒與熒光物質(zhì)之間的距離不同時(shí)，其熒光增強(qiáng)的效果也不相同。當(dāng)納米金顆粒與熒光物質(zhì)的距離小于2nm時(shí)，會(huì)發(fā)生熒光猝滅現(xiàn)象，而當(dāng)納米金顆粒與熒光物質(zhì)的距離在5nm-20nm之間時(shí)，熒光信號(hào)可得到增強(qiáng)。在我們的器件中，由于多孔硅的孔洞結(jié)構(gòu)，使得其中大部分的納米金顆粒與量子點(diǎn)間距滿足熒光增強(qiáng)的條件。此外，本研究中所用的CdSe/ZnS量子點(diǎn)的發(fā)射波長(zhǎng)為 620nm ,遠(yuǎn)離了Au膜的吸收波長(zhǎng)523nm，從而使由于共振能量轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的熒光湮滅不占主導(dǎo)因素 ，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)量子點(diǎn)熒光的增強(qiáng)。

由此可見，本發(fā)明公開了一種基于多孔硅的熒光生物傳感器基底材料的制備方法，利用多孔硅的布拉格結(jié)構(gòu)及納米金的等離子體效應(yīng)雙重增強(qiáng)嵌入多孔硅中的CdSe/ZnS量子點(diǎn)熒光的方法，成功制備了一種具有較強(qiáng)熒光信號(hào)及生物兼容性的QDs/Au/PSi(量子點(diǎn)嵌入納米金修飾的多孔硅)生物傳感器基底材料。

最后應(yīng)當(dāng)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)方案而非對(duì)其限制，盡管參照上述實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行修改或者等同替換，這些未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請(qǐng)待批的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。