一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法
阅读：764发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本文公开了一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法。首先在 硅 片 或者 石墨 片的表面形成不同形貌和尺寸的狭槽，然后将微纳结构衬底置于金或 银 纳米溶胶当中，高度汇聚的 激光束 聚集在微纳硅基衬底的狭槽内，金 纳米粒子 会在狭槽内部产生聚集，形成金纳米粒子聚集体，得到高灵敏度的SERS基底。本 发明 利用光 辐射 压 力 大于梯度力的特性，提高SERS了探测的灵敏度；操控金纳米粒子的光束和SERS探测光束是同一束光，简化了实验探测的装置，更有利于实现SERS发挥其现场实时检测的优点；制备的微纳硅基衬底清洗后可重复使用，降低检测成本，提高资源利用率。，下面是一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法专利的具体信息内容。
1.一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，具体步骤如下：
步骤一，制备纳米溶胶，其中包括纳米粒子的粒径范围在30nm 65nm之间；
~
步骤二，制备微纳结构衬底，在基片表面形成狭槽，狭槽线宽在70μm 100μm之间，深度~
在20μm 30μm之间，对该微纳结构衬底进行清洗后备用；
~
步骤三，待测物的测量，取探测物溶液与步骤一制备的溶胶溶液按一定比例混合于比色皿中，并将其混合均匀，将步骤二制备的微纳结构衬底置于比色皿中，并放置在探测系统中，进行SERS探测，激光束聚焦在微纳结构衬底表面的狭槽内，纳米溶胶中的纳米粒子会在激光束的照射下，在所述微纳结构衬底表面的所述狭槽内形成纳米粒子聚集体，吸附在纳米粒子聚集体上的待测物的拉曼信号会得到提升；
所述步骤一和步骤二的顺序可互换。
2.如权利要求1中所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，步骤一种所述的纳米溶胶为金纳米溶胶或银纳米溶胶，其中金纳米粒子的粒径范围在30nm
60nm之间，银纳米粒子的粒径范围在35nm 65nm之间。
~ ~
3.如权利要求2中所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，SERS探测和操控金纳米粒子的光是同一束激光，所述激光的波长为785nm，激发光的激光功率为160mW，激发光通过拉曼光纤探头聚焦到微纳结构衬底表面的狭槽内，直到粒子在狭槽内的聚集个数达到饱和。
4.如权利要求1-3中所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，所述基片为硅片或者石墨片。
5.如权利要求1-4中任一项所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，激光束的传播方向和微纳结构衬底的表面垂直，高度汇聚的激光束的焦点聚集在微纳结构衬底表面的狭缝内，光操控过程利用光辐射压力大于光梯度力的特性，合力沿光束的传播方向，利用沿光束传播方向的合力将金纳米粒子推向狭槽内，在狭槽内形成金纳米粒子聚集体。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，微纳结构衬底的制备采用飞秒激光刻蚀技术，采用飞秒激光刻蚀技术，控制脉冲激光的功率，焦点处聚焦光斑的大小，扫描速度以及扫描的次数，在基片表面刻蚀不同尺寸及形状的狭槽；基片表面刻蚀的狭槽表面形貌是单个十字架型、直线条纹线阵列或十字架阵列；该基片表面刻蚀狭槽的截面为矩形槽、不同底角的V型槽或者梯形槽。
7.如权利要求1-6中任一项所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，所述待测物为多环芳烃或农药。
8.如权利要求1-7中任一项所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，所述步骤三中，比色皿中的所述待测溶液和所述纳米溶胶的体积比是3:1。
9.如权利要求1-8中任一项所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，将所述微纳基片置于比色皿中，所述基片表面距离比色皿的前表面的距离为比色皿厚度的三分之一。
10.如权利要求1-9所述的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，其特征在于，所述飞秒激光刻蚀技术中脉冲激光功率为2mW，扫描速度为100μm/s，脉冲重复频率为
1000Hz，焦点直径约4μm，通过控制扫描次数，来获得不同尺寸的狭槽。
一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法
技术领域
[0001] 本发明涉及表面增强拉曼光谱技术领域，具体涉及到一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，实现了待测分子在金纳米溶胶（SERS）基底的基础上，灵敏度提升了两个数量级的痕量检测，具有广泛的应用前景。
背景技术
[0002] 表面增强拉曼光谱（Surface enhanced Raman spectroscopy，SERS）是一种与粗糙金属材料（如金、银等）相关的表面增强效应。SERS检测灵敏度高，特异性强，能够获得被测物的指纹光谱，是一种优良的分析工具，在光谱分析、生物传感等领域有广泛应用。SERS信号的强度很大程度上取决于SERS基底的形状、尺寸以及待测分子与基底的吸附特性，在纳米粒子的间隙位置局域增强可达1014倍，因此制备具有高增强效果、高稳定性以及容易制备的活性SERS基底一直是 SERS 领域研究的热点之一。目前常见的SERS基底有：溶液中的金属纳米粒子基底、金属岛膜活性基底和有序金属纳米粒子自组装阵列基底、化学刻蚀和化学沉积的活性基底、双金属纳米粒子活性基底等。
[0003] 金属纳米颗粒在入射光电场的作用下，由于其表面等离子体共振效应引起电场相互叠加，造成探测分子周围电磁场的增强，从而增加拉曼信号的强度，增强的活性位点区域就是人们通常认为的“热点”，可以实现低浓度拉曼光谱的检测。研究发现表面等离子体激元纳米颗粒聚集体具有独特的光学性质，因为聚集体系中的纳米粒子间距靠近纳米量级时，纳米间隙会产生极大的电磁场增强，热点的增强强度和纳米粒子之间的聚集程度有关，金属纳米粒子聚集体表现出了增强的局域电磁场有助于SERS的振动光谱的高灵敏度分析。
[0004] 光镊技术是捕获和操控微纳颗粒的重要技术手段，利用光镊技术制备金属纳米粒子聚集体是SERS领域研究的热点，研究发现聚集体中相邻金属纳米颗粒的纳米尺度间隙处（nanogap）存在强度非常大的局域电磁场，单位探测体积内的金纳米颗粒密度大大增加，从而形成更多的拉曼信号“热点”，利用热点对分子的吸附作用可以实现低浓度的SERS探测，提高SERS灵敏度。
[0005] 目前，基于光镊的SERS技术大多是基于光捕获金属纳米粒子的研究，该方法利用光梯度力大于光辐射压力的特性，可以直接捕获粒子，然而捕获粒子数有限，形成的“热点”个数也受到限制，且光捕获所用实验装置复杂，通常需要捕获光、探测光、监控光三束激光完成所需操作，所以需要一种捕获效率高、操纵方法简单的金纳米粒子聚集体SERS基底的制备方法。
发明内容
[0006] 本发明针对上述现有技术中存在的问题，提供了一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，本发明通过微纳结构衬底将光操控和SERS技术相结合，来提高SERS检测灵敏度，该技术相比于传统的金银纳米溶胶SERS基底，在灵敏度上提高了两个数量级；本发明制备的微纳结构衬底在SERS应用中具有很好的重复性，经过清洗以后可以反复使用；该技术操作简单，适用于多种探测物，有非常广泛的应用前景。
[0007] 本发明采用农药、多环芳烃作为探针分子，在传统金银纳米溶胶的基础上，利用微纳结构衬底的辅助作用，结合光操控技术，实现在微纳结构衬底表面金属纳米粒子聚集体的制备过程，研究表明该方法在微纳结构衬底表面形成的金属纳米粒子聚集体对探针分子的表面增强拉曼散射信号有很显著的增强效果，更多的拉曼信号“热点”的形成。可以实现低浓度的探针分子的SERS探测，从而提高探针分子检测灵敏度。
[0008] 本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，包括如下步骤：一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，具体步骤如下：
步骤一，制备纳米溶胶，其中包括纳米粒子的粒径范围在30nm 65nm之间；
~
步骤二，制备微纳结构衬底，在基片表面形成狭槽，狭槽线宽在70μm 100μm之间，深度~
在20μm 30μm之间，对该微纳结构衬底进行清洗后备用；
~
步骤三，待测物的测量，取探测物溶液与步骤一制备的溶胶溶液按一定比例混合于比
色皿中，并将其混合均匀，将步骤二制备的微纳结构衬底置于比色皿中，并放置在探测系统中，进行SERS探测，激光束聚焦在微纳结构衬底表面的狭槽内，纳米溶胶中的纳米粒子会在激光束的照射下，在所述微纳结构衬底表面的所述狭槽内形成纳米粒子聚集体，吸附在纳米粒子聚集体上的待测物的拉曼信号会得到提升；
所述步骤一和步骤二的顺序可互换。
步骤一，制备纳米溶胶，其中包括纳米粒子的粒径范围在30nm 65nm之间；
~
步骤二，制备微纳结构衬底，在基片表面形成狭槽，狭槽线宽在70μm 100μm之间，深度~
在20μm 30μm之间，对该微纳结构衬底进行清洗后备用；
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步骤三，待测物的测量，取探测物溶液与步骤一制备的溶胶溶液按一定比例混合于比
色皿中，并将其混合均匀，将步骤二制备的微纳结构衬底置于比色皿中，并放置在探测系统中，进行SERS探测，激光束聚焦在微纳结构衬底表面的狭槽内，纳米溶胶中的纳米粒子会在激光束的照射下，在所述微纳结构衬底表面的所述狭槽内形成纳米粒子聚集体，吸附在纳米粒子聚集体上的待测物的拉曼信号会得到提升；
所述步骤一和步骤二的顺序可互换。
[0009] 优选的，步骤一种所述的纳米溶胶为金纳米溶胶或银纳米溶胶，其中金纳米粒子的粒径范围在30nm 60nm之间，银纳米粒子的粒径范围在35nm 65nm之间。~ ~
[0010] 优选的，SERS探测和操控金纳米粒子的光是同一束激光，所述激光的波长为785nm，激发光的激光功率为160mw，激发光通过拉曼光纤探头聚焦到微纳结构衬底表面的狭槽内，直到粒子在狭槽内的聚集个数达到饱和。
[0012] 优选的，激光束的传播方向和微纳结构衬底的表面垂直，高度汇聚的激光束的焦点聚集在微纳结构衬底表面的狭缝内，光操控过程利用光辐射压力大于光梯度力的特性，合力沿光束的传播方向，利用沿光束传播方向的合力将金纳米粒子推向狭槽内，在狭槽内形成金纳米粒子聚集体。
[0013] 优选的，微纳结构衬底的制备采用飞秒激光刻蚀技术，采用飞秒激光刻蚀技术，控制脉冲激光的功率，焦点处聚焦光斑的大小，扫描速度以及扫描的次数，在基片表面刻蚀不同尺寸及形状的狭槽；基片表面刻蚀的狭槽表面形貌是单个十字架型、直线条纹线阵列或十字架阵列；该基片表面刻蚀狭槽的截面为矩形槽、不同底角的V型槽或者梯形槽。
[0014] 优选的，所述待测物为多环芳烃或农药。
[0015] 优选的，所述步骤三中，所述步骤三中，比色皿中的所述待测溶液和所述纳米溶胶的体积比是3:1。
[0016] 优选的，将所述微纳基片置于比色皿中，所述基片表面距离比色皿的前表面的距离为比色皿厚度的三分之一。
[0017] 优选的，所述飞秒激光刻蚀技术中脉冲激光功率为2mw，扫描速度为100μm/s，脉冲重复频率为1000hz，焦点直径约4μm，通过控制扫描次数，来获得不同尺寸的狭槽。
[0018] 较现有技术，本发明具有以下优点：1)本发明提供的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法相比金纳米溶胶体系
有效缩小了颗粒间距，可以为探针分子提供更多的拉曼活性“热点”，从而提高SERS探测灵敏度，实现了待测分子在金纳米溶胶（SERS）基底的基础上，灵敏度提升了两个数量级的痕量检测。
有效缩小了颗粒间距，可以为探针分子提供更多的拉曼活性“热点”，从而提高SERS探测灵敏度，实现了待测分子在金纳米溶胶（SERS）基底的基础上，灵敏度提升了两个数量级的痕量检测。
[0019] 2)本发明提供的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法在实验探测的过程中，操控金纳米粒子的光束和SERS探测光束是同一束光，简化了实验探测的装置，更有利于实现SERS发挥其现场实时检测的优点，具有广泛的应用前景。
[0020] 3)本发明提供的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，光操控过程利用光辐射压力大于光梯度力的特性，可以操控更多的金纳米粒子。4)本发明提供的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，微纳结构衬底清洗以
后可以重复使用，即便放置很长时间也不会减小对SERS的增强效果，具有很好的重复性和稳定性，可以有效的降低探测成本，利用相同的基片的重复测量，可以有效的提高探测的稳定性。
附图说明
后可以重复使用，即便放置很长时间也不会减小对SERS的增强效果，具有很好的重复性和稳定性，可以有效的降低探测成本，利用相同的基片的重复测量，可以有效的提高探测的稳定性。
附图说明
[0021] 图1为使用脉冲激光在硅片衬底表面加工直线条纹阵列图形示意图；图2为基于微纳结构衬底的SERS探测原理图，BP:带通滤波片，LP:长通滤波片
DM: 二向色片，M: 高反镜。附图为金溶胶中的金纳米粒子在微纳结构衬底的狭槽内
富集过程示意图；
图3 为芘（5×10-7 mol/L）在不同狭槽尺度微纳结构的SERS光谱图，截面积(宽度×深
度)为（a）：10μm×7μm2，（b）：30×12μm2，（c）60×15μm2，（d）：70×20μm2，（e）：90×25μm2；
图4 为芘（5×10-7 mol/L）在588 cm-1和1234 cm-1处的SERS信号强度与狭槽尺度的
关系曲线；
图5为两种不同基底下，芘溶液（5×10-7 mol/L）的SERS光谱图：(a)金纳米溶胶基底；
（b）基于光操控技术结合硅基（直线条纹阵列）微纳结构衬底的SERS基底；
图6 不同浓度芘溶液在拉曼频移588cm-1和1234 cm-1处的SERS特征峰峰强与浓度的
关系曲线（图内插图为低浓度范围时的线性拟合）。
DM: 二向色片，M: 高反镜。附图为金溶胶中的金纳米粒子在微纳结构衬底的狭槽内
富集过程示意图；
图3 为芘（5×10-7 mol/L）在不同狭槽尺度微纳结构的SERS光谱图，截面积(宽度×深
度)为（a）：10μm×7μm2，（b）：30×12μm2，（c）60×15μm2，（d）：70×20μm2，（e）：90×25μm2；
图4 为芘（5×10-7 mol/L）在588 cm-1和1234 cm-1处的SERS信号强度与狭槽尺度的
关系曲线；
图5为两种不同基底下，芘溶液（5×10-7 mol/L）的SERS光谱图：(a)金纳米溶胶基底；
（b）基于光操控技术结合硅基（直线条纹阵列）微纳结构衬底的SERS基底；
图6 不同浓度芘溶液在拉曼频移588cm-1和1234 cm-1处的SERS特征峰峰强与浓度的
关系曲线（图内插图为低浓度范围时的线性拟合）。
[0022] 图7 为基于微纳结构衬底，芘在588 cm-1、1234 cm-1处SERS特征峰峰强分布，图中误差条为随机选取的8个探测点在微纳结构衬底上检测结果的标准偏差；图8为两种不同基底下，芘溶液（5×10-7 mol/L）的SERS光谱图：(a)金纳米溶胶基底；
（b）基于光操控技术结合石墨（单个十字架型狭槽）微纳结构衬底的SERS基底。
（b）基于光操控技术结合石墨（单个十字架型狭槽）微纳结构衬底的SERS基底。
具体实施方式
[0023] 以下是对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0024] 本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法，包括如下步骤：（1）SERS基底的制备：
SERS基底可以选自现有的纳米溶胶类型，例如金纳米溶胶、银纳米溶胶等，针对不同待测物，不同的溶胶类型和纳米颗粒的大小，其灵敏度存在一定的差异。
SERS基底可以选自现有的纳米溶胶类型，例如金纳米溶胶、银纳米溶胶等，针对不同待测物，不同的溶胶类型和纳米颗粒的大小，其灵敏度存在一定的差异。
[0025] 具体的，纳米溶胶可采用以下方法形成： 1）金纳米溶胶的制备：氯金酸置于磁力搅拌器上加热至沸腾，配置金纳米溶胶所用还原剂为柠檬酸钠溶液，将其缓慢加入到沸腾的氯金酸溶液中，倾倒时间35s 50s之间，持续~
搅拌加热反应10 20分钟，待溶液变色以后，调节磁力搅拌器温度和转速，反应一段时间，~
待反应完全，关掉磁力搅拌器，溶液自然冷却到室温，倾倒时间和持续搅拌时间会影响导致粒径尺寸不同，最终得到粒径为30 60nm的颜色不同的金纳米颗粒，优选金纳米颗粒的尺寸~
为35nm 65nm，47 55nm，更优选的，其尺寸在50nm左右，该方法所用还原剂柠檬酸钠还有防~ ~
止金纳米颗粒聚沉的作用。
2) 银纳米溶胶的制备：将150mL、体积分数为0.02%的硝酸银溶液放入微波炉中加热。
待溶液沸腾以后放入热水浴中，900r/min搅拌，向其中加入4mL、体积分数为1%的柠檬酸钠溶液，反应一段时间以后，继续放入微波炉中加热9min，得到灰绿色的银胶，其中银纳米粒子的粒径范围在35nm 65nm之间，冷却备用。
~
搅拌加热反应10 20分钟，待溶液变色以后，调节磁力搅拌器温度和转速，反应一段时间，~
待反应完全，关掉磁力搅拌器，溶液自然冷却到室温，倾倒时间和持续搅拌时间会影响导致粒径尺寸不同，最终得到粒径为30 60nm的颜色不同的金纳米颗粒，优选金纳米颗粒的尺寸~
为35nm 65nm，47 55nm，更优选的，其尺寸在50nm左右，该方法所用还原剂柠檬酸钠还有防~ ~
止金纳米颗粒聚沉的作用。
2) 银纳米溶胶的制备：将150mL、体积分数为0.02%的硝酸银溶液放入微波炉中加热。
待溶液沸腾以后放入热水浴中，900r/min搅拌，向其中加入4mL、体积分数为1%的柠檬酸钠溶液，反应一段时间以后，继续放入微波炉中加热9min，得到灰绿色的银胶，其中银纳米粒子的粒径范围在35nm 65nm之间，冷却备用。
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[0026] （2）微纳结构衬底的制备：实验前先将基片的表面进行抛光处理，获得厚度均匀性较好的基片，在基片的一侧表面形成狭槽，对微纳结构衬底进行清洗，清理掉狭槽内残留，备用。
[0027] 其中，该基片可以用硅片或者石墨片。
[0028] 其中，狭槽优选采用飞秒激光刻蚀技术形成，具体地，控制脉冲激光的功率、焦点处聚焦光斑的大小、扫描速度以及扫描的次数，在基片表面刻蚀不同形貌的狭槽，采用飞秒激光刻蚀技术，其形成狭槽的效率高，且具备较高的重复性和稳定性，但本发明并不排除采用其他技术形成狭槽。从基片的上表面观察，基片表面刻蚀的狭槽表面形貌可以是单个十字架型、直线条纹线阵列、十字架阵列，从平行于基片的厚度的方向观察，即从基片的侧面观察，狭槽的截面可以是矩形槽、不同底角的V型槽、梯形槽。狭槽线宽在10μm 160μum之间，~深度在10μm 40μm之间，V型槽的底角范围是90°120°之间，参考图1为使用脉冲激光在硅片~ ~
衬底表面加工直线条纹阵列图形示意图。各种狭槽的表面形貌和截面可以相互组合，示例的，当其为十字架阵列时，其截面可以为矩形槽、不同底角的V型槽、梯形槽中的任意一个。
衬底表面加工直线条纹阵列图形示意图。各种狭槽的表面形貌和截面可以相互组合，示例的，当其为十字架阵列时，其截面可以为矩形槽、不同底角的V型槽、梯形槽中的任意一个。
[0029] （3）探针分子的检测：本发明中操控纳米粒子的光束和SERS探测光束是同一束激光，所以探针分子的SERS探测和光操控及纳米溶胶中的纳米粒子产生聚集是并行的。具体地，将步骤（1）中制备的SERS基底与探测溶液注入石英比色皿当中，以一定的比例混合均匀。将步骤（2）制备的微纳结置于比色皿中，并放置在探测系统中，图2为基于微纳结构衬底的SERS探测原理图，保持微纳结构衬底的表面和激光光束的传播方向垂直，调整激光光束的位置，使其焦点位置聚焦在微纳结构衬底表面的狭槽内，金属纳米粒子对激光有高反射高吸收的特性，所以光辐射压力大于光梯度力，其合力沿着光束的传播方向，溶液中的金纳米颗粒会在狭槽内产生聚集，研究表明吸附在金纳米颗粒表面的探针分子的SERS信号会有显著的提升，极大的增强了探测分子的检测灵敏度。
[0030] 其中，优选硅片表面距离比色皿的前表面一定的距离，更优选的，基片表面距离比色皿的前表面的距离为比色皿厚度的三分之一，该距离的设置，既可以避免激光光束聚焦在比色皿上，对探测SERS信号产生较大的干扰，比色皿因激光聚焦产生损伤，又可以避免该距离过大，使得入射激光和回收的拉曼散射光在溶液中损耗较大，使得探测灵敏度降低。
[0031] 本发明采用的比色皿优选为：红外光学石英比色皿，其体积12mm*12mm*40mm，容量为4mL，适用波段为260-3500nm，适用于超声清洗，为实现基底的吸附，优选比色皿的体积为4mL。
[0032] (4) 微纳结构衬底的清洗：将微纳结构衬底放有机溶剂无水乙醇中，放在超声仪中进行超声震荡清洗，超声10min，然后再放在干净的超纯水中进行超声震荡10min，清洗完毕，将其放入干净的培养皿中，用干净的封口膜密封培养皿，可用于后续检测。
[0033] 本实验所用光谱仪是Ocean Optics 公司的便携式QE65000系列拉曼光谱仪，分辨率为6 cm-1，光谱范围0-1800 cm-1；上海熙隆光电科技有限公司生产的FC-785-500-MM型窄线宽半导体激光器，激发波长为785 nm，激光器耦合入光纤的功率可调，最大为500 mW；InPhotonics公司生产的785 nm RPB型号的Y形反射式光纤探头。
[0034] 为了解微纳结构衬底表面狭槽尺寸对SERS增强的影响，以5×10-7 mol/L芘溶液作为探测分子，分别用截面积(宽度×深度)为10μm×7μm2，30×12μm2，60×15μm2，70×20μm2，90×25μm2的硅基微纳结构衬底进行了实验，得到了不同参数衬底获得的稳定后的SERS谱。
图3为5×10-7 mol/L芘在不同尺寸微纳硅基衬底上的SERS谱。图4为5×10-7 mol/L芘的SERS信号强度与尺寸的关系曲线。结果表明，相比金溶胶体系，采用微纳结构衬底的SERS基底，芘位于588 cm-1、1060 cm-1、1234 cm-1、1400 cm-1等处特征峰的SERS信号强度皆有明显增强，以狭槽截面积（宽×深）：70×20 μm2的微纳结构衬底为例，588 cm-1处特征峰的SERS信号强度提高幅度约两个数量级。从图4可以看出随着狭槽尺度的增加，SERS信号逐渐增强，狭槽宽度为70 μm时达到最强，超过70 μm时开始降低。分析其原因可能是，尺度较小时，深度相对较浅，不利于金纳米颗粒和探测物的聚集，随着宽度的增加，粒子聚集更多，而且三维结构效应更强，使得SERS效应逐渐增强。当狭槽宽度继续增加时，粒子聚集空间更大，超出了光操控的范围，狭槽内的金纳米颗粒处于不稳定状态，对SERS探测造成不利的影响。
图3为5×10-7 mol/L芘在不同尺寸微纳硅基衬底上的SERS谱。图4为5×10-7 mol/L芘的SERS信号强度与尺寸的关系曲线。结果表明，相比金溶胶体系，采用微纳结构衬底的SERS基底，芘位于588 cm-1、1060 cm-1、1234 cm-1、1400 cm-1等处特征峰的SERS信号强度皆有明显增强，以狭槽截面积（宽×深）：70×20 μm2的微纳结构衬底为例，588 cm-1处特征峰的SERS信号强度提高幅度约两个数量级。从图4可以看出随着狭槽尺度的增加，SERS信号逐渐增强，狭槽宽度为70 μm时达到最强，超过70 μm时开始降低。分析其原因可能是，尺度较小时，深度相对较浅，不利于金纳米颗粒和探测物的聚集，随着宽度的增加，粒子聚集更多，而且三维结构效应更强，使得SERS效应逐渐增强。当狭槽宽度继续增加时，粒子聚集空间更大，超出了光操控的范围，狭槽内的金纳米颗粒处于不稳定状态，对SERS探测造成不利的影响。
[0035] 以下将会以具体的待测物及各种优化参数来详细描述本发明具体实施方法。
[0036] 实施例1：一种基于硅基（直线条纹阵列）微纳结构衬底的光操控结合SERS方法在检测多环芳烃芘分子中的应用，包括如下步骤：(1)金纳米溶胶的制备：将30mL、体积分数为1 %的氯金酸溶液放于磁力搅拌器上，温度调至190度，至沸腾。将沸腾后的氯金酸调温至完全无气泡，再将转速调到600 r/min，沿锥形瓶的内壁不断流的倾倒10 mL、5.8mM柠檬酸三钠溶液，时间掌控在42秒，倾倒完成以后，溶液变色，调温190度，十分钟以后，将温度调至140度，转速360r/min，50min后结束，最终得到金纳米粒子的粒径约为50nm左右，金纳米溶胶的颜色为紫红色，该粒径相对较小，在光操控的过程中，可以在狭槽内聚集更多的金纳米粒子，形成更多的热点，增强待测分子拉曼散射信号强度。
[0037] (2)硅基微纳结构衬底的制备：使用脉冲激光，激光功率2mw，扫描速度100μm/s，脉冲重复频率1000hz，焦点直径约4μm，通过控制扫描次数，在硅片表面的5 mm×5 mm范围内刻蚀截面积（宽×深）：70×20 μm2的线状狭槽线阵，条纹和条纹之间留有一定的距离，参考图1为使用脉冲激光在硅片衬底表面加工直线条纹阵列图形示意图。
[0038] (3)探针分子芘的检测过程：探测过程如图2，取500nM探测物溶液与粒径为50nm的金溶胶溶液按一定比例混合于比色皿中，优选比例为3：1，使探针分子芘与金纳米颗粒充分吸附。将硅基微纳结构衬底置于比色皿中，硅片表面距离比色皿的前表面一定的距离处，优选比色皿厚度的三分子一处，并将其放置在探测系统中。激发光通过拉曼光纤探头聚焦到微纳结构衬底表面的狭槽内，对溶液中的金纳米粒子进行操控，激光到达样品的功率为160 mW，金纳米粒子在狭槽内逐渐形成金纳米粒子聚集体，聚集体中相邻金属纳米颗粒的纳米尺度间隙处（nanogap）存在强度非常大的局域电磁场，单位探测体积内的金纳米颗粒密度大大增加，促使更多“热点”的形成，增强探测分子的拉曼信号。如图5所示，使用了传统金纳米溶胶进行SERS探测时，5×10-7 mol/L的芘的特征峰不明显，但在使用微纳结构衬底进行探测时，能够明显的检测到芘的特征峰，且信号增强了100多倍。
[0039] 1)为了探究该方法的检测灵敏度，配置5×10-7 mol/L-5×10-9 mol/L的芘溶液，微纳结构衬底优选表面狭槽截面积（宽×深）：70×20 μm2，硅基（条纹阵列）微纳结构衬底对浓度低至5×10-9 mol/L的芘仍能探测到588 cm-1处的拉曼信号，低于5×10-9 mol/L时探测-1 -1不到芘的SERS信号。对芘进行定量分析，图6所示为芘位于588 cm 、1234cm 处特征峰强与浓度的关系曲线，在低浓度范围内（5×10-9 -100×10-9 mol/L），对其特征峰强度与浓度关系进行线性拟合，呈现较好的线性相关性。
[0040] 2)为了对微纳结构衬底的重复性进行分析，对表面狭槽截面积（宽×深）：70×20μ2
m的微纳衬底进行了多次实验，每完成一次实验，关掉激光器，光力消失，狭槽内的聚集的金纳米粒子重新分散在溶液中。实验的过程中随机选取微纳结构衬底的不同位置，重复8次实验，如图7所示，其中虚线为8组探测结果的平均值。以芘溶液最明显的特征峰588cm-1，
1234 cm-1为例，不同探测点峰强的相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）在
2.0%-9.9%范围内。由此可见，基于微纳结构衬底的SERS基底上的RSD比较低，说明其对SERS探测具有较好的重复性。另外，衬底经清洗之后可以重复使用。
m的微纳衬底进行了多次实验，每完成一次实验，关掉激光器，光力消失，狭槽内的聚集的金纳米粒子重新分散在溶液中。实验的过程中随机选取微纳结构衬底的不同位置，重复8次实验，如图7所示，其中虚线为8组探测结果的平均值。以芘溶液最明显的特征峰588cm-1，
1234 cm-1为例，不同探测点峰强的相对标准偏差（Relative Standard Deviation, RSD）在
2.0%-9.9%范围内。由此可见，基于微纳结构衬底的SERS基底上的RSD比较低，说明其对SERS探测具有较好的重复性。另外，衬底经清洗之后可以重复使用。
[0041] (4)微纳结构衬底清洗：光操控过程会使微纳结构衬底的狭槽内留有金纳米粒子的残留，清洗时将其放有机溶剂无水乙醇中，放在超声仪中进行超声震荡清洗，超声10min，然后再放在干净的超纯水中进行超声震荡10min，清洗完毕，将其放入干净的培养皿中，用干净的封口膜密封培养皿，可用于后续检测。
[0042] 实施例2：一种基于石墨（单个十字架型狭槽）微纳结构衬底的光操控结合SERS方法在检测多环芳烃芘分子中的应用，包括如下步骤：（1）金纳米溶胶的制备：将30mL、体积分数为1 %的氯金酸溶液放于磁力搅拌器上，温度调至190度，至沸腾。将沸腾后的氯金酸调温至完全无气泡，再将转速调到600 r/min，沿锥形瓶的内壁不断流的倾倒10 mL、 5.8mM柠檬酸三钠溶液，时间掌控在42秒，倾倒完成以后，溶液变色，调温190度，十分钟以后，将温度调至140度，转速360r/min，50min后结束，最终得到金纳米粒子的粒径约为50nm左右。
[0043] （2）石墨微纳结构衬底的制备：使用脉冲激光，激光功率2mw，扫描速度100μm/s，脉冲重复频率1000hz，焦点直径约4μm，通过控制扫描次数，在尺寸为2×5mm石墨片的表面刻蚀不同尺寸的“十字架”形状的狭槽，优选十字花尺寸宽度为80μm、深度为20μm。
[0044] 探针分子芘的探测过程：取500nM的探测物芘与金纳米溶胶3：1注入比色皿中，将石墨片放置在比色皿中，并将其放置在探测系统中，保持激光光束的传播方向和石墨片表面垂直，使用仪器是Ocean Optics公司生产的兼顾探测灵敏度和尺寸小型化的QE65000型便携式拉曼探测系统，将激光的焦点聚焦在十字花的中心处，研究表明十字花狭槽宽度为80μm、深度为20μm的石墨片对探测物芘有很好的增强效果，增强效果如图8。
[0045] 可以理解的，上述两个实施例中所针对的探测物芘，还可以是其他的农药或多环芳烃，该不同的待测物对应于不同的特征波长，将上述光操控结合SERS方法应用于其他待测物，这是本领域技术人员能够做到的。
[0046] 本发明提供的一种基于微纳结构衬底的光操控结合SERS方法相比于现有技术而言，具有操作简单，捕获粒子个数多的优点，从而提高SERS探测灵敏度。利用该增强基底，实现了待测分子在传统金纳米溶胶SERS基底的基础上提升了两个数量级的痕量检测，此外微纳结构衬底具有很好的重复性、稳定性，降低了检测成本，提高了资源利用率。
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