本发明涉及表面增强拉曼(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)技术，特别是一种SERS芯片的制备方法。
背景技术：
拉曼光谱是一种散射光谱，拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。该技术因其快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析优势，而被广泛应用于化学、物理学、生物学和医学等各个领域，在纯定性分析、高度定量分析和测定分子结构方面也展现独特优势。SERS增强源包括贵金属溶胶和增强基底。
现有的SERS研究中，研究者都集中在制备可控的、可重复的、热点集中的金属纳米结构SERS基底。如专利号：201610658664.6，专利名称为：一种制备有序银纳米球阵列方法的发明专利，采用在有序的铝纳米碗OAB阵列模板样品的表面蒸镀一层10nm厚的银膜，之后OAB模板在500℃下真空退火1h，得到有序的银纳米阵列结构，该方法银纳米球高度有序，尺寸分布大小可调，但蒸镀及退火工艺繁琐，成本较高。专利号：201610327475.0，专利名称：一种大面积表面增强拉曼散射基底及其制备方法，先制备了三维微米结构的模板，蒸镀一层银，形成银纳米颗粒，之后蒸镀一层氧化物，再蒸镀一层银，得到大面积SERS基底，方法虽具有较高的SERS活性，但操作繁琐，不利于商业化生产。专利号：201610929950.1，专利名称：一种贵金属纳米粒子间距可控的SERS衬底制备方法，采用盐酸清洗AAO模板，后采用物理或化学方法获得贵金属纳米粒子团簇，并填满整个AAO模板孔。进一步将AAO模板导致在PMMA上，热处理，使得贵金属团簇浸入到PMMA中，通过盐酸清洗，除去AAO模板，干燥后得到贵金属纳米粒子规则分布的SERS衬底。该方法转移模板及盐酸清洗操作繁琐，将AAO转移到其他模板上很难实现大面积制备，且成本高。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种成本低廉、高度重现、高SERS活性、极佳的均匀性和批次重现性的SERS芯片以及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个目的在于提供一种SERS芯片，所述SERS芯片包括表面具有多个凹坑的衬底和设置在所述凹坑内的纳米结构单元，所述纳米结构单元包括一个或多个金属纳米棒，所述金属纳米棒上部伸出所述凹坑。
纳米棒可以是纳米柱、纳米线、纳米针、纳米锥等呈长条形的纳米结构。
本发明中，所述凹坑在所述衬底的整个表面上间隔分布，即凹坑与凹坑之间形成有间隙，而非连接成一体。
本发明中，表面具有多个凹坑的衬底可以是具有相同规格的凹坑或不同规格的凹坑的衬底，优选采用具有多种规格的凹坑的衬底。
其中，所述凹坑的规格由所述凹坑周向的轮廓形状、凹坑的体积、凹坑的开口面积限定，当二个凹坑的周向的轮廓形状、凹坑的体积、凹坑的开口面积三个中的任意一个不同时，视为二种规格。
进一步优选地，设每平方厘米的面积内所述凹坑的个数为N个，该N个凹坑至少具有N/10种规格，再进一步优选至少具有N/8种规格，更优选至少具有N/6种规格，最优选至少N/3种规格。
本发明，优选地，凹坑在衬底表面上阵列排布，由于凹坑具有多种规格，使得SERS芯片在微观下呈现出微观无序的形态，这突破了人们对优秀SERS基底的常规认识。前文可知，由于SERS基底性能与结构密切相关，因此研究者在追求可重复的SERS基底时，一贯致力于获得均一的纳米结构J.Phys.Chem.C111,6720；ACS Appl.Mater.Interfaces 3,1033。诚然，均一的纳米结构可确保获得良好的重现性，但本案发明人在长期研究和大量实践中发现，结构相似的纳米结构单元之间极易发生能量共振，将聚集在纳米粒子间隙处(“热点”)的能量发散出去，导致“热点”处的SERS活性大大下降。可能正是基于此因素，使得现有技术中一些结构相似性太高的SERS基底的SERS活性并不突出。本案发明人通过使多个凹坑的规格有所差异，并尽量使凹坑的规格尽可能多，可以使被限制于其中的多个纳米结构单元的尺寸和/或形状也不完全相同，如此可以避免因相同结构的纳米结构单元之间产生相互作用，消除其对于等离子体局域化的不利影响，大幅增强SERS单元作为SERS基底应用时的SERS活性。另一方面，从统计角度，大面积范围内(1μm2)的纳米结构单元(约100个或更多)总体性能却十分接近，因而具有宏观均一的特征，使得所述SERS芯片十分均匀，进而可以保障SERS测试结果的可靠性，使之可以很好的应用于定量检测。
优选地，所述凹坑的密度为108～1010个/cm2衬底。
优选地，相邻二个所述凹坑之间的最小间隔距离为1～50nm，进一步优选为5～50nm，更优选为10～30nm。
本发明中，相邻二个凹坑之间的最小间隔距离指的是一个凹坑的上边缘上的任意点与相邻的一个凹坑的上边缘上的任意点之间的多个距离中最小的距离。
优选地，所述凹坑的深度范围为30nm～300nm，优选为40nm～300nm，更优选为50nm～200nm。
本发明中，凹坑的深度指的是凹坑的上边缘所在面至凹坑底面的最大距离。
优选地，所述凹坑的口部直径范围为30nm～4μm，优选为40nm～800nm，更优选为40nm～200nm。
本发明中，凹坑的口部直径指的是凹坑上边缘上的任意两点之间的多个距离中的最大的距离，当凹坑的上边缘围成的面呈圆形时，凹坑的直径为该圆形的直径；当凹坑的上边缘围成的面呈方形时，凹坑的直径为该方形的对角线；当凹坑的上边缘围成的面为三角形时，凹坑的直径为该三角形的最长边；当凹坑的上边缘围成的面呈椭圆形时，凹坑的直径为该椭圆的长轴。
本发明通过控制凹坑之间的最小距离和/或凹坑的密度和/或凹坑的口部直径，可以实现纳米结构单元的高密度堆积，利于进一步加强SERS效应。进一步的，本发明可以做到凹坑和金属纳米棒的直径尽可能小，优选地，每个所述凹坑内包含1～10个金属纳米棒，更优选为3～6个，从而使得芯片的活性更好，稳定性、均匀性和可重复性更佳。
优选地，所述的凹坑通过等离子刻蚀、紫外刻蚀、化学刻蚀、激光刻蚀、机械钻孔、机械冲压、纳米球印刷术或电化学法制得。
进一步优选地，通过控制制备参数使所述多个凹坑具有多种规格。
例如，前述的表面具有多个凹坑的衬底可以通过纳米球印刷术或电化学法等工艺制备，具体可参考但不限于如下文献2：J.Am.Chem.Soc.127，3710；Chem.Commun.53,7949。
其中，电化学法制备具有纳米孔洞的基材的过程是十分容易的，并已商业化(例如AAO模板)。而纳米球印刷相对可控性更强，可制备更多的孔道结构参数。这两种方法相对其它纳米结构加工方法(例如EBL、纳米压印等)，具有分辨率高，操作性强，成本低廉的优势，十分适合本发明衬底的制备。
优选地，所述的衬底包括无机基材、有机基材或者无机/有机复合基材，例如金属或金属氧化物基材(如氧化铝模板)、半导体材料、高分子模板、单晶硅、石英片、玻璃片、聚四氟乙烯、塑料等等，且不限于此；进一步优选地，所述的衬底选择铝纳米碗、刻蚀的单晶硅、纳米压印制备的有序的凹坑。
本发明中，每个所述凹坑内装填的金属纳米棒的根数取决于凹坑的直径，以及金属纳米棒的底端直径。
优选地，所述纳米棒的长度大于所述凹坑的深度。
优选地，所述金属纳米棒上部伸出所述凹坑的部分，占所述纳米棒长度的比例不超过50％，进一步优选为不超过40％，再优选不超过30％，更为优选不超过20％，最优选不超过10％。
优选地，每个所述凹坑内包含3～6个金属纳米棒，以取得更为良好的SERS效应。
金属纳米棒在凹坑中可以倾斜设置，也可以竖直设置，金属纳米棒之间通过自组装会自发形成肩并肩结构，因此，当每个凹坑中的金属纳米棒的根数增加时，多个金属纳米棒趋向于竖直设置在凹坑中。
优选地，所述的纳米结构单元中金属纳米棒的材质包括金、银、铜、铂、铝中的一种或多种，或者，所述的纳米结构单元中金属纳米棒为合金结构或者核壳结构。
优选地，所述的金属纳米棒为Au、Ag、Cu中的一种，所述的金属纳米棒的合金结构为AuAg、AgCu、AuC、AuPt、AgPt中的一种，所述的金属纳米棒的核壳结构Au@Ag，Ag@Au，Au@Pt，Fe3O4@Au，Fe3O4@Ag中的一种,其中@前面的物质为核，后面的物质为壳。
本发明通过将各纳米结构单元限制于与之相应的凹坑中，还可以在SERS芯片使用的过程中，减少或避免纳米结构单元在液流的剪切力或者其它物理、化学作用下发生位移或者形状、结构的改变，进而有利于获得稳定、准确的检测结果。
本发明中，金属纳米棒的粒径可以根据凹坑的规格以及限制于该凹坑内的纳米结构单元的体积和/或金属纳米棒的数量进行调节。
本发明中，含有金属纳米棒的分散液可以是金属纳米棒溶胶。金属纳米棒可以通过湿法工艺合成，其形貌、尺寸亦可以是被方便的调控的，相应的工艺过程及条件可以参考但不限于如下文献1：Angew.Chem.Int.Ed.45,3414。
优选地，所述的分散液中金属纳米棒的浓度为1×109个/mL～1×1011个/mL。
本发明中，可以通过添加溶剂的方法来调节金属纳米棒的浓度，而采用的溶剂可以是本领域的常规溶剂。
本发明的第二个目的在于提供所述的SERS芯片的制备方法，将所述的表面具有多个凹坑的衬底表面浸入含有所述金属纳米棒的分散液中，通过挥发去除所述分散液的溶剂，使所述金属纳米棒自组装在所述衬底的凹坑内且使所述金属纳米棒上部伸出所述凹坑制得。
上述浸入的方式有多种，例如，将衬底全部浸入分散液中，取出衬底进行溶剂的挥发；或者，将衬底的表面浸入分散液中，取出衬底进行溶剂的挥发；或者，在衬底表面滴加一层分散液，然后进行溶剂的挥发。
本发明的第三个目的在于提供一种所述的SERS芯片的制备方法，将含有金属纳米棒的分散液旋涂或打印在所述的表面具有多个凹坑的衬底表面，通过挥发去除所述分散液的溶剂，使所述金属纳米棒自组装在所述衬底的凹坑内且使所述金属纳米棒上部伸出所述凹坑制得。
上述旋涂指的是通过设备将分散液旋转涂抹在衬底表面。上述打印可以是喷墨打印、超声喷涂等方式将分散液打印到衬底表面。
具体地，所述的制备方法还包括对所述的衬底或所述金属纳米棒进行疏水修饰的步骤。
本发明中，疏水修饰可以采用本领域常用的疏水修饰方法。
当凹坑的间隔距离较大时，优选进行疏水修饰，以使金属纳米棒更方便进入凹坑。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明通过使金属纳米棒的一端露出凹坑，裸露在外面的SERS活性物质具有高的均匀性和稳定性，本发明的制备方法简单、效率高、成本低、能大规模地生产高性能SERS芯片，能很好的满足商业化的需求。本发明制得的SERS芯片，可重复性高，热点均匀，性质稳定，可大面积生长，灵敏度高。
附图说明
图1为本发明SERS的衬底的示意图；
图2为本发明SERS芯片的示意图；
图3为实施例3的SERS谱图；
图4为实施例4的SERS谱图。
具体实施方式
为了使本发明更加清楚，结合附图和实施例对本发明做进一步说明，应当理解，本实施例并不用于限定本发明的保护范围。本发明中未详细描述的方法和条件为本领域的常规条件。
实施例1
(1)将氯金酸水溶液(0.01M，0.5ml)与十二烷基三甲基氯化铵溶液(0.1M，19ml)混合均匀。取新配制硼氢化钠水溶液(0.01M，1mL)快速注入上述溶液中，剧烈震荡5min。室温放置2h后使用。
(2)取十六烷基三甲基溴化铵CTAB溶液(0.1M，4mL)，缓慢加入十二烷基苯磺酸溶液(0.05M，4mL)，加入氯金酸溶液(0.01M，2mL)，加入硝酸银溶液(0.01M，0.4mL)，之后加入盐酸溶液(1M)调节溶液pH至1.9，加入抗坏血酸溶液(0.1M，0.32mL)，在室温下稳定一定时间得到无色溶液。最后将陈化2h的步骤(1)制得的金种液0.1mL快速注入生长液中，在20℃下生长24h，得到金纳米棒，20*80nm。
(3)将纳米压印制备的模板(孔径50nm，孔深70nm，蜂窝状构型)切割成5mm*5mm，浸泡在金纳米棒溶胶中，3h。超声一下之后，取出，用水冲洗，氮气吹干，获得SERS基底。
实施例2
将25mM的氯金酸水溶液0.1ml与0.1M的十二烷基三甲基溴化铵溶液10ml混合均匀。取新配制硼氢化钠水溶液，0.01M，0.6mL快速注入上述溶液中，剧烈震荡2min。室温放置2h后使用。
取0.6g的十二烷基三甲基氯化铵溶于25ml水中。恒温30摄氏度。注入10mM的硝酸银溶液0.5ml，加入1ml，25mM的氯金酸溶液，加入24ml水，30摄氏度搅拌15min。加入适当的HCl调节PH到2。剧烈搅拌下加入1M的抗坏血酸，80微升，搅拌30s后。快速注入上述种子溶液，80微升。搅拌30s后。静止12h。得到80*38nm的纳米棒。
将纳米压印制备的模板(孔径50nm，孔深70nm，蜂窝状构型)切割成5mm*5mm，浸泡在金纳米棒溶胶中，3h。超声一下之后，取出，用水冲洗，氮气吹干。获得SERS基底。
实施例3
实施例1得到的SERS基底浸泡在10-4mol/L的吡啶溶液中30min，取出晾干。对基底的不同点进行测试，得到了下图的吡啶的SERS谱图。
实施例4
实施例2得到的SERS基底浸泡在10-5mol/L的苯硫酚溶液中30min，取出晾干。对基底的不同点进行测试，得到了下图的苯硫酚的SERS谱图。