一种用于新型冠状病毒检测的sers芯片及其制备方法
技术领域
[0001]
本发明属于新冠病毒快速检测领域，具体涉及一种用于新型冠状病毒检测的sers芯片及其制备方法。
背景技术：
[0002]
目前，新冠病毒的实验室检测主要基于实时荧光聚合酶链反应（rt-pcr）检测病毒核酸，实验步骤较多，上机检测与结果分析约需4个多小时，难以实现大规模快速筛查。
[0003]
表面增强拉曼光谱（sers）技术可快速、精准、实时地识别和检测特定病毒分子。sers芯片是表面增强拉曼光谱检测的核心技术，目前尚缺乏有效的用于新冠病毒快速检测的sers芯片。
[0004]
专利（cn111441022a）公开了一种sers增强的新冠病毒检测芯片的制备方法，但该sers芯片主要用于检测连接于纳米金颗粒上的功能性荧光小分子的拉曼信号和荧光信号，而非直接检测新冠病毒的拉曼信号，属于一种间接检测sers芯片，难以保证检测结果的准确性。专利（cn111665356a）公开了一种基于sers的病毒检测方法及装置，该sers检测方法主要基于具有sers活性的金或银溶胶-凝胶基底，采用湿法化学合成方法制备金、银溶胶-凝胶纳米颗粒，该sers基底可直接检测病毒，且纳米颗粒表面修饰抗体，可实现病毒的特异性捕获，但该基底制备过程繁琐，且需要冷藏等特殊储存及运输条件确保抗体的生物活性，增加了使用成本。专利（cn111879753a）公开了一种用于检测新型冠状病毒的贵金属纳米锥sers衬底及制备方法，该sers衬底采用聚苯乙烯微球作为模板，制备锥形的贵金属纳米阵列，可有效捕获病毒颗粒，实现拉曼检测，但聚苯乙烯自组装往往存在较多缺陷，难以实现大面积均匀制备，同时自组装过程将引入表面活性剂，表面活性剂的残留将给病毒检测带来干扰。
技术实现要素：
[0005]
针对现有技术的不足，本发明提供一种用于新型冠状病毒检测的sers芯片及其制备方法，本发明具有制备简单、成本低廉、无需引入表面活化剂、可大面积均匀制备且能特异性捕获病毒颗粒的特点。
[0006]
具体方案如下：一种用于新型冠状病毒检测的sers芯片，所述sers芯片包含基底及形成于基底表面的三明治前驱体多层增强结构，其中，三明治前驱体多层增强结构体依次由粘附层、过渡层以及表面功能层组成，所述粘附层形成于基底表面，过渡层用于连接粘附层与表面功能层，表面功能层均匀分布有若干尺寸可调的纳米多孔金簇以及簇与簇之间的纳米沟道，所述纳米多孔金簇内部分布有若干孔隙，纳米沟道尺寸可调且与病毒颗粒尺寸相匹配；所述粘附层、过渡层和表面功能层的金含量逐渐减少，形成了从粘附层到过渡层再到表面功能层的金原子浓度梯度，使粘附层与过渡层界面以及过渡层与表面功能层界面处的金原子沿浓度梯度方向扩散。
[0007]
进一步，所述纳米沟道尺寸范围为60nm~1200nm。
[0008]
进一步，所述孔隙尺寸为10~20纳米。
[0009]
进一步，所述粘附层厚度为20~50nm，包括铬薄膜层和金薄膜层，其中，铬薄膜层形成于基底表面，金薄膜层形成于铬薄膜层表面。
[0010]
进一步，所述过渡层为厚度50~200nm的金含量较高的金银合金薄膜，金含量为20~40 at.%。
[0011]
进一步，所述表面功能层为厚度100~5000nm的金含量较低的金银合金，金含量为1~20 at.%。
[0012]
一种如前述用于新型冠状病毒检测的sers芯片的制备方法，该方法包含以下步骤：（1）采用磁控溅射技术首先在基底上沉积包含三明治前驱体的多层增强结构；（2）对三明治前驱体进行去合金化处理，获得sers芯片。
[0013]
其中，通过调节三明治前驱体多层增强结构中表面功能层的金含量调节纳米沟道尺寸，或通过调节表面功能层厚度来调节纳米沟道尺寸，所述纳米沟道尺寸随表面功能层金含量降低而增大，纳米沟道尺寸随表面功能层厚度的增加而增大。
[0014]
进一步，步骤（1）中所述基底为硅片、石英片或ito玻璃片中任意一种。
[0015]
进一步，步骤（1）采用磁控溅射技术在基底上依次沉积粘附层、过渡层和表面功能层的三明治前驱体多层增强结构。
[0016]
进一步，步骤（2）中采用自由腐蚀或电解腐蚀方法对三明治前驱体多层增强结构进行去合金化处理。
[0017]
本发明sers芯片可用于快速、直接检测新冠病毒的拉曼信号，检测结果准确性高。该芯片制备简单、成本低廉、无需引入表面活化剂、可大面积均匀制备且能特异性捕获病毒颗粒，本发明避免了合金体系在去合金化过程中宏观结构的坍塌，实现了以au含量仅1~5at.%的au-ag合金作为前驱体功能层，制备出具有不同沟道尺寸的sers芯片。本发明可特异性捕获病毒颗粒的金纳米薄膜的结构及制备方法应用于新冠病毒的现场快速检测领域。
[0018]
针对去合金化技术，当前驱体au含量低于20at.%时，合金体系将在腐蚀过程中发生宏观几何结构的坍塌，无法成型。这一固有的物理特性极大地阻碍了去合金化技术在金纳米结构制备方面的应用。为突破这一技术难点，本发明创造性地提出了三明治去合金化方法。
附图说明
[0019]
图1为本发明sers芯片结构示意图；图中，1.基底层
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2.粘附层
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3.过渡层
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4.功能层
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5.病毒。
具体实施方式
[0020]
下面结合附图及实施例对本发明作进一步详细解释。
[0021]
如图1所示，一种用于新型冠状病毒检测的sers芯片，所述sers芯片包含基底1及形成于基底表面的三明治前驱体多层增强结构，其中，三明治前驱体多层增强结构依次由粘附层2、过渡层3以及表面功能层4组成，所述粘附层2形成于基底表面，过渡层3用于连接
粘附层与表面功能层，表面功能层4均匀分布有尺寸可调的纳米多孔金簇以及簇与簇之间的纳米沟道，所述纳米多孔金簇内部分布有若干孔隙，可提供大量拉曼增强热点；纳米沟道尺寸可调且与病毒颗粒5尺寸相匹配，以使病毒颗粒5嵌入纳米沟道内，而尺寸过大杂质颗粒无法落入沟道，尺寸过小的杂质颗粒将落入沟道底部，从而实现对新冠病毒颗粒的特异性捕获，提高了对病毒拉曼信号的识别能力。
[0022]
粘附层2、过渡层3和表面功能层4三层结构中金含量逐渐减少，形成了从粘附层到过渡层再到功能层的金原子浓度梯度，使粘附层与过渡层界面以及过渡层与功能层界面处的金原子沿浓度梯度方向扩散，这种扩散可形成界面处的原子钉扎效应，从而大大增加了功能层与过渡层以及过渡层与粘附层之间的结合力，最终避免了在常规去合金化过程中当金含量<20at.%时，合金体系的结构坍塌的问题。
[0023]
进一步，纳米沟道尺寸可通过制备条件加以调节，所述的纳米沟道尺寸范围为60nm~1000nm。
[0024]
进一步，所述孔隙尺寸为10~20纳米。
[0025]
进一步，所述粘附层2厚度为20~50nm，包括铬薄膜层和金薄膜层，用于提高基片与前驱体薄膜之间的结合力，避免薄膜脱落。其中，铬薄膜和金薄膜同时存在，先镀铬后镀金，即铬薄膜层形成于基底表面，金薄膜层形成于铬薄膜层表面。
[0026]
进一步，所述过渡层3为厚度50~200nm的金含量较高的金银合金薄膜，其金含量为20~40 at.%。该过渡层用于连接粘附层与功能层，避免功能层在去合金化过程中结构坍塌。
[0027]
进一步，所述表面功能层4为厚度100~5000nm的金含量较低的金银合金，其金含量为1~20 at.%，该表面功能层用于形成纳米多孔金簇结构，实现病毒的特异性捕获及sers检测。
[0028]
一种如前述用于新型冠状病毒检测的sers芯片的制备方法，该方法包含以下步骤：（1）采用磁控溅射技术首先在基底上沉积三明治前驱体多层增强结构；（2）对三明治前驱体多层增强结构进行去合金化处理，获得sers芯片；其中，具体通过调节表面功能层中金的含量调节沟道尺寸，或通过调节表面功能层厚度来调节沟道尺寸，所述纳米沟道尺寸随表面功能层金含量降低而增大，纳米沟道尺寸随表面功能层厚度的增加而增大。
[0029]
进一步，步骤（1）中所述的基底为硅片、石英片或ito玻璃片等。
[0030]
进一步，步骤（1）采用磁控溅射技术在基底上依次沉积粘附层，过渡层和表面功能层三层结构。
[0031]
进一步，步骤（2）中采用自由腐蚀或电解腐蚀方法对三明治前驱体多层增强结构进行去合金化处理。
[0032]
具体去合金化过程如下:关于步骤（2）针对传统的新冠病毒检测芯片，在去合金化中只有功能层一层结构，当该结构中au含量低于20at.%时，合金体系将在腐蚀过程中发生宏观几何结构的坍塌，无法成型。因此，在现有技术中去合金化只能用来制备au含量高于20at.%的纳米金结构，而本发明通过引入三明治结构，即引入粘附层、过渡层和功能层三层结构，利用三层结构之间的金原子浓度差异构建界面金原子浓度梯度，使金原子沿界面定向扩散，形成界面钉扎效应，使au含量极低的功能层（au含量仅为1~20at.%）与过渡层形成
牢固结合，避免了合金体系在去合金化过程中整体结构的坍塌，突破了该技术的制备极限，成功地以au含量仅1~20at.%的au-ag合金作为前驱体功能层，制备出具有不同沟道尺寸的sers芯片。
[0033]
实施例1（1）制备三明治前驱体：将硅片置于磁控溅射真空室中。抽真空至<5
×
10-4
pa，通入氩气，调节气压至0.5pa。首先，沉积10nmcr和10nmau薄膜作为粘附层。随后，共沉积50nm au
25
ag
75
金银合金作为过渡层。最后，沉积100nm au
17
ag
83
金银合金作为功能层（金含量为17at.%）。溅射完毕后，冷却1h，取出样品。
[0034]
（2）去合金化处理：将上述三明治前驱体样品置于50% hno3溶液中腐蚀90min，取出腐蚀后样品，用去离子水浸泡10min使酸溶液完全洗净。然后在氮气气流中晾干并保存。所制得的sers芯片具有约60nm的均匀分布的纳米沟道结构。
[0035]
实施例2（1）制备三明治前驱体：将ito玻璃片置于磁控溅射真空室中。抽真空至<5
×
10-4
pa，通入氩气，调节气压至0.5pa。首先，沉积20nmcr和20nmau薄膜作为粘附层。随后，共沉积100nm au
25
ag
75
金银合金作为过渡层。最后，沉积1000nm au1ag
99
金银合金作为功能层（金含量为1at.%）。溅射完毕后，冷却1h，取出样品。
[0036]
（2）去合金化处理：将上述三明治前驱体样品置于三电极电解池中，采用1m hclo4溶液作为电解液，采用ag/agcl电极作为参比电极，pt片电极作为辅助电极。在0.68 v电势下进行电解腐蚀，待电流< 10μa停止腐蚀，取出腐蚀后样品，用去离子水浸泡10min使电解液完全洗净。然后在氮气气流中晾干并保存。所制得的sers芯片具有约500nm的均匀分布的纳米沟道结构。
[0037]
实施例3（1）制备三明治前驱体：将石英片置于磁控溅射真空室中。抽真空至<5
×
10-4
pa，通入氩气，调节气压至0.5pa。首先，沉积25nmcr和25nmau薄膜作为粘附层。随后，共沉积200nm au
25
ag
75
金银合金作为过渡层。最后，沉积5000nm au5ag
95
金银合金作为功能层（金含量为5at.%）。溅射完毕后，冷却1h，取出样品。
[0038]
（2）去合金化处理：将上述三明治前驱体样品置于50% hno3溶液中腐蚀150min，取出腐蚀后样品，用去离子水浸泡10min使酸溶液完全洗净。然后在氮气气流中晾干并保存。所制得的sers芯片具有约1200 nm的均匀分布的纳米沟道结构。
[0039]
实施例4（1）制备三明治前驱体：将硅片置于磁控溅射真空室中。抽真空至<5
×
10-4
pa，通入氩气，调节气压至0.5pa。首先，沉积10nmcr和10nmau薄膜作为粘附层。随后，共沉积50nm au
25
ag
75
金银合金作为过渡层。最后，沉积100nm au
13
ag
87
金银合金作为功能层（金含量为13at.%）。溅射完毕后，冷却1h，取出样品。
[0040]
（2）去合金化处理：将上述三明治前驱体样品置于50% hno3溶液中腐蚀90min，取出腐蚀后样品，用去离子水浸泡10min使酸溶液完全洗净。然后在氮气气流中晾干并保存。所制得的sers芯片具有约80nm的均匀分布的纳米沟道结构。
[0041]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。