一种曲面金属纳米复合结构的SERS基底

本技术涉及一种表面增强拉曼检测技术，具体的是一种曲面金属纳米复合结构的sers基底。

背景技术：

1、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raman所发现的拉曼散射效应衍生的光谱检测方法。对于某一特定分子，不同频率的光子与其作用时，散射光子的频率也会发生变化，但是它们与入射光子的频率差值是固定的，差值的大小取决于分子本身的结构。基于这一特性，每一种物质有自己的特征拉曼信号。因此，拉曼光谱是分子独有的化学“指纹”，能够用于确认化学品种类。表面增强拉曼散射(surface enhancedraman scattering，sers)检测技术由于其高灵敏度、高精度、检测速度快等优点而被广泛应用于食品安全、生物制药、医疗检查和环境保护等领域的痕量检测中。拉曼光谱技术是一种简单且便捷的污水危害物检测方法，它的灵敏性和稳定性使污水危害物检测变得有效且快速。在进行有机污染物检测时，传统的检测方法一般不能吸附有机成分，因此检测能力有限，而拉曼光谱却能对有机污染物元素进行表面增强，从而使拉曼光谱能与其产生作用，实用性强。

2、目前sers技术应用于污水中有机氮化物的检测存在灵敏度低、效果差的问题，比如纳米粒子检测法，由于纳米粒子的制作工艺不完备，不能在低浓度的污水样本中准确检测出分子结构；比如乙酰胆碱酯酶检测法，对不同样本浓度的检测结果差异很大，无法完全确定危害物就是有机氮化物。为了更好地提高拉曼光谱检测系统的有机氮化物检测效果，一个重要的需求是设计灵敏度高、稳定性强的sers基底。现有的sers基底，具有时效性低、灵敏度弱以及结构单一等缺点，增强的电场所导致的sers强度十分有限，难以满足更低浓度检测的需求。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是提供一种曲面金属纳米复合结构的sers基底，对传统sers基底改进，从而实现污水中有机氮化物的检测，并且提高检测极限和稳定性。

2、为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

3、一种曲面金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述的基底包括：曲面支撑衬底；钛薄膜，设置在所述曲面支撑衬底的一侧；金属薄膜层，设置在所述钛薄膜远离支撑衬底的一侧；掺杂了介电增强材料的pmma薄膜层，设置在所述金属薄膜层远离所述钛薄膜的一侧；金属纳米立方体颗粒，设置在所述pmma薄膜层远离所述金属薄膜层的一侧。

4、进一步，所述的曲面支撑衬底的材料是硅基材料，所述硅基材料包括单晶硅、多晶硅、二氧化硅或硅基复合材料。硅含量非常丰富，因此硅基材料成本低廉；硅基材料具有高透过率和低吸收率的特点，能够传递光线并减少能量损失。

5、进一步，所述的钛薄膜的厚度为10-50nm，用于提高金属薄膜与支撑衬底间的粘合度。

6、进一步，所述的金属薄膜层的厚度为20-100nm，材料是ag或au。两种贵金属的介电损耗小，其纳米颗粒可以产生较强的表面等离子体共振效应，进一步提高该sers基底的电场增强效应，提高检测拉曼光谱的灵敏度。

7、进一步，所述的pmma薄膜层的厚度为20-100nm，光入射时会激发金属薄膜与pmma薄膜层分界面的传播表面等离激元。

8、进一步，所述的pmma层上的介电增强材料为mgo陶瓷材料，热学稳定性和化学稳定性优越，具有很高的熔点并且不易侵蚀；并且具有较高的介电常数，从而提高了折射率。

9、进一步，所述的金属纳米立方体颗粒的大小为2-10nm，采用热蒸发的方法在pmma薄膜层上沉积不同大小的金属纳米立方体颗粒，通过调整沉积时间可以调整金属纳米立方体颗粒的大小，沉积时间在5-15min之间。

10、本实用新型的原理在于：当tm偏振光正入射pmma间隔的金属纳米立方体颗粒与金属薄膜复合结构表面时，将激发金属纳米立方体颗粒周围的局域表面等离子体，局域表面等离子体散射到金属薄膜上，从而激发pmma薄膜和金属薄膜界面的传播表面等离子体，传播表面等离子与局域表面等离子体相互作用，可以增强光与物质的相互作用。同时由于sers基底的曲面特殊结构，曲面结构表面的顶部和边缘处形成的局部电场比较强，可以增强金属纳米颗粒之间的相互作用；曲面结构表面还可以产生更多的“热点”区域，这些“热点”可以在sers测量中起到局部电磁场增强的作用，进而提高sers信号的灵敏度。因此，曲面金属纳米复合结构的sers基底可以产生很强的sers信号，提高检测极限，实现污水中特定物质的检测。

11、本实用新型的一种曲面金属纳米复合结构的sers基底，优点如下：

12、(1)高灵敏：曲面金属纳米复合结构的sers基底，由于局域表面等离子体和传播表面等离子体的激发和强共振耦合，加上曲面的特殊结构产生的表面积增大和局域电场增强，导致了很高的电场增强，可以用于污水中有机氮化物的低浓度检测。

13、(2)易操作:曲面金属纳米复合结构的sers基底，采用磁控溅射法制备钛薄膜和金属薄膜，采用低压化学沉积的方法制备pmma薄膜，采用热蒸发的方法制备金属纳米立方体颗粒。

技术特征：

1.一种金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述sers基底包括：曲面支撑衬底；钛薄膜，设置在所述曲面支撑衬底的一侧；金属薄膜层，设置在所述钛薄膜远离支撑衬底的一侧；掺杂介电增强材料的pmma薄膜层，设置在所述金属薄膜层远离所述钛薄膜的一侧；金属纳米立方体颗粒，设置在所述pmma薄膜层远离所述金属薄膜层的一侧。

2.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述的支撑衬底的材料是硅基材料，所述硅基材料包括单晶硅、多晶硅、二氧化硅或硅基复合材料。

3.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述的钛薄膜的厚度为10-50nm。

4.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述金属薄膜层的厚度为20-100nm。

5.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述金属薄膜层的材料是au或ag。

6.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述pmma薄膜层的厚度为20-80nm。

7.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述pmma薄膜层中掺杂的所述介电增强材料为mgo陶瓷材料。

8.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述的金属纳米立方体颗粒的金属元素是ag或au。

9.根据权利要求1所述的金属纳米复合结构的sers基底，其特征在于，所述的金属纳米立方体颗粒的粒径为2-10nm。

技术总结
本技术涉及一种金属纳米复合结构的SERS基底。本技术SERS基底包括曲面支撑衬底；钛薄膜，设置在曲面支撑衬底的一侧；金属薄膜层，设置在钛薄膜远离支撑衬底的一侧；掺杂了介电增强材料的PMMA薄膜层，设置在金属薄膜层远离钛薄膜的一侧；金属纳米立方体颗粒，设置在PMMA薄膜层远离金属薄膜层的一侧。金属纳米立方体颗粒与金属薄膜由于局域传播等离子体和传播表面等离子体的共振耦合，可以增强光与物质的相互作用，同时曲面结构可以增大表面积并增强纳米颗粒之间的相互作用，提高光与被探测物质的相互作用效率，改善光谱信号。本技术具有稳定性高、检测极限高等优势，可以广泛应用于污水中有机氮化物的低浓度检测。

技术研发人员：金晶,程旭东,周云
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：20230404
技术公布日：2024/1/15