一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法与流程
本发明属于微纳米结构制备技术领域，特别是涉及一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法。
背景技术：
由于表面增强拉曼光谱具有高灵敏度和独特的分子指纹谱信息，近年来已经开展了大量的相关研究。根据世界卫生组织的统计，截至2015年，造成死亡的十大原因包括神经系统疾病、糖尿病、心血管疾病、癌症和病毒性疾病等。大多数疾病都开始于细胞状态的微小变化，而其中发生变化的物质浓度非常低；基于此，表面增强拉曼在疾病的早期检测中具有巨大优势。
经过数十年的发展，表面增强拉曼散射(sers)技术在生物传感和疾病早期检测中的应用取得了长足的进步。通过检测相关的测试物，有望实现对神经系统疾病、糖尿病、心血管疾病、癌症和病毒感染性疾病的早期诊断；其中，测试物包括神经递质、葡萄糖、蛋白质和细胞。sers技术在生物检测中的发展得益于对sers衬底的研究，但同时也受到其限制，制备一种大面积均匀、高灵敏且通用型的sers衬底将极大地促进sers技术的实际应用。
在过去的几十年中，开发了许多方法用于制造包含各种纳米结构的sers衬底。对于基于固体表面的衬底，常用的制造方法可分为两种：在固体基底上直接合成金属纳米颗粒或将金属纳米颗粒固定在衬底上；通过微纳加工在固体基底上制备纳米结构。其中前一种方法主要包括化学湿法合成法，该方法能够大面积地制备由各种形状的纳米粒子组成的sers基底；微纳加工方法能制备更加规则的纳米结构，例如纳米孔、纳米盘、纳米三角形和纳米金字塔。对比上述两种方法，固体基底上的金属纳米颗粒具有成本低，易于大规模制备，灵敏度高等优点，但均匀性差，且需要对合成参数进行精确的控制。微纳加工方法能实现更好的均匀性，更规则的形状和更有序的阵列，进而提高sers的可重复性；但是仍然难以实现不同尺寸分析物的通用性测试。其中，纳米金字塔型sers衬底的开放型热点使其具有检测不同尺度分子的潜力，但是要实现大规模的均匀性同时保持低成本仍然具有很大难度。如果使用电子束光刻技术，会导致制备大面积衬底的成本非常高。对于非固体基底的sers衬底，如金属纳米颗粒分散液，存在热点稀疏且分布随机的缺点，并由此导致在高度稀释的溶液中，待测分子和热点恰好重合的概率很低。此外，基于有标签的间接sers方法存在不可避免的假阳性问题。
综上，亟需一种新的制备表面增强拉曼散射衬底的方法，以实现大面积结构、信号均匀，具有高灵敏性，对不同尺度的分子的通用性，以及无标签检测能力衬底的制备。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明方法制备的衬底具有大面积结构均匀的特点；具有高灵敏性；对不同尺度的分子具有通用性；具有无标签检测能力。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在sio2/si(001)衬底上制备密排纳米微球二维胶体晶体层，获得二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；
步骤2，将步骤1获得的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球的直径减小，获得处理后的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；
步骤3，将步骤2获得的处理后的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球作掩模，在衬底样品设置有纳米微球的一面沉积金属薄膜，获得二维胶体晶体-金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品；
步骤4，剥离步骤3获得的二维胶体晶体-金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球二维胶体晶体层，获得金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品；
步骤5，以步骤4获得的金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品中的金属薄膜作掩模，采用干法刻蚀sio2层，获得金属薄膜掩模-sio2掩模层-si(001)衬底样品；
步骤6，以步骤5获得的金属薄膜掩模-sio2掩模层-si(001)衬底样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底，形成倒金字塔结构，获得金属薄膜掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si(001)衬底样品；
步骤7，对步骤6获得的金属薄膜掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si(001)衬底样品，剥离sio2层和金属薄膜，获得带倒金字塔结构的si(001)衬底样品；
步骤8，将步骤7获得的带倒金字塔结构的si(001)衬底样品作为表面增强拉曼散射衬底的si模板；在si(001)模板上制备贵金属薄膜，得到带金字塔结构的贵金属膜-si(001)模板；
步骤9，使用胶黏剂，将步骤8中得到的贵金属膜转移到新的si衬底上；其中，金字塔结构外露，得到带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底样品；
步骤10，在贵金属金字塔结构表面转移一层石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底，完成制备。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，制备密排纳米微球二维胶体晶体层的方法包括：旋涂法、滴涂法、浸涂法、电泳沉积法以及气液界面自组装法；其中，气液界面自组装法包括langmuir-blodgett膜法；
制备密排纳米微球二维胶体晶体层时，使用的单分散纳米微球为分散液形式；纳米微球的材质为聚合物材质；纳米微球的直径分布范围为50nm～10μm。
本发明的进一步改进在于，步骤2中，所述将步骤1获得的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球的直径减小的步骤具体包括：使用等离子体刻蚀的方法减小纳米微球的直径。
本发明的进一步改进在于，步骤2中，所述使用等离子体刻蚀时采用的设备包括：感应耦合等离子体刻蚀机、反应离子刻蚀机或等离子体去胶机。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，所述在衬底样品设置有纳米微球的一面沉积金属薄膜的步骤具体包括：使用电子束蒸镀方法进行金属薄膜的生长；所述金属薄膜的金属材料为cr、ti、ni、fe、cu、au或pt。
本发明的进一步改进在于，步骤4中，剥离纳米微球二维胶体晶体层的步骤包括：二维胶体晶体层使用氧等离子体清洗，并在有机溶剂中超声、溶解；其中，有机溶剂为丙酮、、二氯苯、二氯甲烷、甲苯或二甲苯。
本发明的进一步改进在于，步骤5具体包括：使用单向性反应刻蚀方法刻蚀sio2层；其中，使用的反应性气体为cf4、chf3、sf6、nf3、bcl3或cl2。
本发明的进一步改进在于，步骤6具体包括：使用koh溶液对si(001)衬底进行湿法腐蚀，形成倒金字塔结构；其中，使用的koh溶液浓度为质量分数5％～64％；刻蚀过程中对反应溶液进行搅拌。
本发明的进一步改进在于，步骤8中，在si(001)模板上制备贵金属薄膜的方法包括但不限于：物理气相沉积和化学气相沉积；所述物理气相沉积包括磁控溅射、电子束蒸镀；所述化学气相沉积包括原子层沉积；制备的贵金属为au、ag、cu。
本发明的进一步改进在于，步骤10中，选用的石墨烯是使用化学气相沉积方法生长于铜上的单层石墨烯。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的方法能够制备低成本、晶圆尺度、纳米结构和sers信号均匀，具有高灵敏性和通用性且能进行无标签测试的sers衬底。
本发明方法中，在金字塔表面转移的一层石墨烯具有重要作用，包括：石墨烯的拉曼峰可以作为近场电磁场强度的度量，从而可以实现对目标分子的定量测量；作为一种环保材料，用作生物分子的支撑层，并提高衬底的生物相容性；进一步提高sers衬底的整体增强能力；有效减缓纳米颗粒的氧化速度，保持sers衬底的长期增强能力。本发明所制备的大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底，不仅能在生物传感与疾病早期检测中发挥重要作用，同时也可广泛应用于化学传感，食品安全检测，以及环境监测领域。
本发明使用了胶体光刻和微纳加工两种方法，成功实现了金字塔型sers衬底的制备；所制备的衬底实现了大尺度范围内的纳米金字塔结构的均匀性，具有高灵敏性，能够测试不同尺度的测试物，典型的如纳米尺度、微米尺度的测试分子/颗粒。本发明使用多种方式制备高覆盖率的二维胶体晶体，后续使用胶体光刻的方法显著降低了大面积制备纳米结构的成本。本发明使用一系列的微纳加工方法实现了将每一个胶体微球转变为了每一个纳米金字塔结构，作为表面增强拉曼散射衬底的特征结构。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中，制备的晶圆级si模板在制备200nm金膜后的示意图；
图3是本发明实施例中，剥离到新si衬底上的au金字塔的sem图；
图4是本发明实施例中，在au金字塔上转移石墨烯后的sem图；
图5是本发明实施例中，在au金字塔上和平坦金膜上使用相同参数测得的石墨烯的拉曼光谱；
图6是本发明实施例中，在sers衬底上测试不同浓度的亚甲基蓝(单个分子处于纳米尺度)得到的拉曼光谱；
图7是本发明实施例中，在sers衬底上测试脑脊液中的淋巴细胞(单个细胞处于微米尺度)得到的拉曼光谱；
图1中，1、langmuir-blodgett膜分析仪；2、纳米微球；3、sio2层；4、si层；5、金属薄膜；6、贵金属薄膜；7、贵金属纳米金字塔结构；8、胶黏剂；9、si衬底；10、石墨烯。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术效果及技术方案更加清楚，下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例。基于本发明公开的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它实施例，都应属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，在4英寸的sio2/si(001)衬底上制备密排单层纳米微球的二维胶体晶体，得到二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；sio2/si(001)衬底包括si层4，以及在其表面设置的sio2层3。
步骤2，使用等离子体刻蚀的方法减小纳米微球2的直径，得到刻蚀后的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；
步骤3，以步骤2样品刻蚀后的微球作掩模，在衬底上沉积一层金属薄膜5作为掩模，得到刻蚀后二维胶体晶体-金属薄膜掩模-sio2/si(001)衬底样品；
步骤4，剥离步骤3样品中的微球二维胶体晶体层，得到金属薄膜掩模-sio2/si(001)衬底样品；
步骤5，以步骤4样品中的金属薄膜5作掩模，采用干法刻蚀sio2层3，得到金属薄膜掩模-sio2掩模层-si(001)衬底样品；
步骤6，以步骤5样品中的sio2层3作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底，形成倒金字塔结构，得到金属薄膜掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si(001)衬底样品；
步骤7，使用腐蚀溶液剥离sio2层和金属薄膜，得到带倒金字塔结构的si(001)衬底样品，作为表面增强拉曼散射衬底的si(001)模板；
步骤8，在步骤7得到的si(001)模板上溅射贵金属薄膜6，获得贵金属纳米金字塔结构7，得到带金字塔结构的贵金属膜-si(001)模板；
步骤9，使用胶黏剂8，通过剥离的方法将步骤8中得到的贵金属膜转移到新的si衬底9上。其中金字塔结构外露，得到带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底样品；
步骤10，在贵金属金字塔结构表面转移一层石墨烯10，得到石墨烯-带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底。
至此，一种表面增强拉曼散射衬底制备完成；所制备的衬底在大面积内均匀，具有高灵敏性，对于不同尺度的测试物具有通用性，且具有无标签检测能力。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，所用si衬底表面的氧化硅层厚度为10nm～10μm；在使用前对衬底表面进行亲水处理。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，所使用的单分散纳米微球为分散液形式，微球材质为聚合物材质，包括但不限于：聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、水凝胶微球。微球的直径分布从50nm～10μm。
本发明的进一步改进在于，步骤1中，制备单层二维胶体晶体的方法包括但不限于：旋涂法，滴涂法，浸涂法，电泳沉积法，以及气液界面自组装法。特别地，气液界面自组装法包括langmuir-blodgett膜法。langmuir-blodgett膜法采用langmuir-blodgett膜分析仪1。
本发明的进一步改进在于，步骤2中，刻蚀纳米微球采用等离子体，可以进行该实验的设备包括但不限于：icp刻蚀机、rie机、等离子体去胶机。
本发明的进一步改进在于，步骤3中，使用电子束蒸镀方法进行金属薄膜的生长。可以生长作为掩模的金属包括但不限于：cr、ti、ni、fe、cu、au、pt。
本发明的进一步改进在于，步骤4中，剥离二维胶体晶体层使用氧等离子体清洗并在有机溶剂中超声或在有机溶剂中溶解的方法。其中氧等离子体清洗使用的设备包括但不限于：icp刻蚀机、rie机、等离子体去胶机。可使用的有机溶剂包括但不限于：丙酮、、二氯苯、二氯甲烷、甲苯、二甲苯。其中使用有机溶剂溶解均在超声状态下进行。
本发明的进一步改进在于，步骤5中，使用单向性反应刻蚀方法刻蚀sio2层；使用的反应性气体包括但不限于：cf4、chf3、sf6、nf3、bcl3、cl2。
本发明的进一步改进在于，步骤6中，使用koh溶液对si(001)衬底进行湿法腐蚀，形成倒金字塔结构。所使用的koh溶液浓度为质量分数5％～64％；刻蚀温度为0℃～100℃；刻蚀过程中对反应溶液进行搅拌。
本发明的进一步改进在于，步骤7中，所使用的腐蚀性溶液以作为主要的蚀刻液，包括但不限于：水溶液、缓冲氧化物刻蚀液。
本发明的进一步改进在于，步骤8中，制备的贵金属包括：au、ag、cu；制备方法包括但不限于：物理气相沉积和化学气相沉积。其中物理气相沉积包括但不限于磁控溅射，电子束蒸镀；化学气相沉积包括但不限于原子层沉积。
本发明的进一步改进在于，步骤9中，剥离带金字塔结构的贵金属膜的胶黏剂包括但不限于：有机胶黏剂如环氧树脂、ab胶、胶带；无机胶黏剂如水玻璃。
本发明的进一步改进在于，步骤10中，选用的石墨烯是使用化学气相沉积方法生长于铜上的单层石墨烯。
本发明使用了胶体光刻和微纳加工两种方法，成功实现了金字塔型sers衬底的制备。所制备的衬底实现了大尺度范围内的金字塔结构和sers信号的均匀性，具有高灵敏性，能够测试不同尺度的测试物，典型的如纳米尺度、微米尺度的测试分子/颗粒。在金字塔表面转移的一层石墨烯具有重要作用，包括：石墨烯的拉曼峰可以作为近场电磁场强度的度量，从而可以实现对目标分子的定量测量；作为一种环保材料，用作生物分子的支撑层，并提高衬底的生物相容性；进一步提高sers衬底的整体增强能力；有效减缓纳米颗粒的氧化速度，保持sers衬底的长期增强能力。所制备的大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底，不仅能在生物传感与疾病早期检测中发挥重要作用，同时也可广泛应用于化学传感，食品安全检测，以及环境监测领域。本发明使用多种方式制备高覆盖率的二维胶体晶体，后续使用胶体光刻的方法显著降低了大面积制备纳米结构的成本。本发明使用一系列的微纳加工方法实现了将每一个胶体微球转变为了每一个纳米金字塔结构，作为表面增强拉曼散射衬底的特征结构。
实施例1
本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用langmuir-blodgett方法在50nmsio2/si(001)衬底上制备大面积的密排单层500nm聚苯乙烯(ps)微球的二维胶体晶体，得到ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品；其中si衬底表面预先进行亲水处理。
步骤2，使用o2作为反应气体，使用icp刻蚀的方法减小ps微球的直径至250nm，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品。
步骤3，以步骤2样品刻蚀后的ps微球作掩模，使用电子束蒸镀方法在衬底上沉积一层cr作为掩模，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-cr掩模-sio2/si衬底样品。
步骤4，剥离步骤3样品中的微球二维胶体晶体层：使用氧离子去胶机清洗ps微球，之后将样品在丙酮中超声清洗20分钟，得到cr掩模-sio2/si衬底样品。
步骤5，以步骤4样品中的cr薄膜作掩模，采用icp干法刻蚀sio2层，使用chf3气体作为反应气体。得到cr掩模-sio2掩模层-si衬底样品。
步骤6，以步骤5样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底。使用浓度40％wt的koh溶液，在20℃下进行刻蚀反应，过程中不断对反应溶液进行搅拌，形成倒金字塔结构。得到cr掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si衬底样品。
步骤7，使用水溶液剥离sio2层和cr掩模层，得到带倒金字塔结构的si衬底样品，作为表面增强拉曼散射衬底的si模板。
步骤8，在步骤7得到的si模板上使用磁控溅射制备一层au薄膜，得到带金字塔结构的au膜-si模板；
步骤9，使用环氧树脂，通过剥离、转移的方法将步骤8中得到的au膜转移到新的si衬底上。其中金字塔结构外露，得到带金字塔结构的au膜-环氧树脂-si衬底样品；
步骤10，在au金字塔结构表面转移一层cvd生长的铜上石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的au膜-环氧树脂-si衬底。至此，一种大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底制备完成。
请参阅图2至图4。本发明实施例的方法中，图2对应于图1中步骤八后的样品；图3对应于图1中步骤九后的样品；图4对应于图1中步骤十后的样品。在图2中，渐变的结构反映了纳米金字塔结构在4英寸的si衬底上分布均匀；从图3中可以看出，制备的金字塔结构形状规则，排列整齐、均匀；从图4可以看出，石墨烯成功地转移到了金字塔表面。
请参阅5至图7。图5显示了单层石墨烯在平坦au膜和带金字塔结构的au膜上的拉曼光谱，考虑到带金字塔结构的au膜上的信号面积远远小于平坦au膜上的面积，金字塔结构对石墨烯峰的增强因子达106，具有高灵敏性。图6和图7显示了所制备的表面增强拉曼散射衬底对不同尺度的测试物具有通用性和无标签检测能力。其中图6显示了表面增强拉曼散射衬底对纳米尺度的亚甲基蓝具有灵敏的检测能力，检测浓度低至10-12m(mole/l)。图7显示了表面增强拉曼散射衬底对微米尺度的淋巴细胞的检测能力。
实施例2
本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用旋涂法法在10nmsio2/si(001)衬底上制备大面积的密排单层1μm聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球的二维胶体晶体，得到pmma微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品；其中si衬底表面预先进行亲水处理。
步骤2，使用o2作为反应气体，使用rie刻蚀的方法减小ps微球的直径至800nm，得到刻蚀后pmma微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品。
步骤3，以步骤2样品刻蚀后的pmma微球作掩模，使用电子束蒸镀方法在衬底上沉积一层ni作为掩模，得到刻蚀后pmma微球二维胶体晶体-ni掩模-sio2/si衬底样品。
步骤4，将样品在中超声清洗20分钟，剥离步骤3样品中的pmma微球二维胶体晶体层。得到ni掩模-sio2/si衬底样品。
步骤5，以步骤4样品中的ni薄膜作掩模，采用rie干法刻蚀sio2层，使用cf4气体作为反应气体。得到ni掩模-sio2掩模层-si衬底样品。
步骤6，以步骤5样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底。使用浓度60％wt的koh溶液，在60℃下进行刻蚀反应，过程中不断对反应溶液进行搅拌，形成倒金字塔结构。得到ni掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si衬底样品。
步骤7，使用缓冲氧化物刻蚀液剥离sio2层和cr掩模层，得到带倒金字塔结构的si衬底样品，作为表面增强拉曼散射衬底的si模板。
步骤8，在步骤7得到的si模板上使用电子束蒸镀制备一层ag薄膜，得到带金字塔结构的ag膜-si模板；
步骤9，使用胶带，通过剥离、转移的方法将步骤8中得到的ag膜转移到新的si衬底上。其中金字塔结构外露，得到带金字塔结构的ag膜-环氧树脂-si衬底样品；
步骤10，在ag金字塔结构表面转移一层cvd生长的铜上石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的ag膜-环氧树脂-si衬底。至此，一种大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底制备完成。
实施例3
本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用langmuir-blodgett方法在10nmsio2/si(001)衬底上制备大面积的密排单层50nm聚苯乙烯(ps)微球的二维胶体晶体，得到ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品；其中si衬底表面预先进行亲水处理。
步骤2，使用o2作为反应气体，使用icp刻蚀的方法减小ps微球的直径至25nm，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品。其中，采用的设备为感应耦合等离子体刻蚀机。
步骤3，以步骤2样品刻蚀后的ps微球作掩模，使用电子束蒸镀方法在衬底上沉积一层ti作为掩模，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-ti掩模-sio2/si衬底样品。
步骤4，剥离步骤3样品中的微球二维胶体晶体层：使用氧离子去胶机清洗ps微球，之后将样品在二氯苯中超声清洗20分钟，得到ti掩模-sio2/si衬底样品。
步骤5，以步骤4样品中的ti薄膜作掩模，采用icp干法刻蚀sio2层，使用bcl3气体作为反应气体。得到ti掩模-sio2掩模层-si衬底样品。
步骤6，以步骤5样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底。使用浓度64％wt的koh溶液，在100℃下进行刻蚀反应，过程中不断对反应溶液进行搅拌，形成倒金字塔结构。得到ti掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si衬底样品。
步骤7，使用水溶液剥离sio2层和ti掩模层，得到带倒金字塔结构的si衬底样品，作为表面增强拉曼散射衬底的si模板。
步骤8，在步骤7得到的si模板上使用磁控溅射制备一层cu薄膜，得到带金字塔结构的cu膜-si模板；
步骤9，使用环氧树脂，通过剥离、转移的方法将步骤8中得到的cu膜转移到新的si衬底上。其中金字塔结构外露，得到带金字塔结构的cu膜-环氧树脂-si衬底样品；
步骤10，在au金字塔结构表面转移一层cvd生长的铜上石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的cu膜-环氧树脂-si衬底。至此，一种大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底制备完成。
实施例4
本发明实施例的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括以下步骤：
步骤1，使用langmuir-blodgett方法在10μmsio2/si(001)衬底上制备大面积的密排单层10μm聚苯乙烯(ps)微球的二维胶体晶体，得到ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品；其中si衬底表面预先进行亲水处理。
步骤2，使用o2作为反应气体，使用icp刻蚀的方法减小ps微球的直径至5μm，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-sio2/si衬底样品。
步骤3，以步骤2样品刻蚀后的ps微球作掩模，使用电子束蒸镀方法在衬底上沉积一层cr作为掩模，得到刻蚀后ps微球二维胶体晶体-cr掩模-sio2/si衬底样品。
步骤4，剥离步骤3样品中的微球二维胶体晶体层：使用氧离子去胶机清洗ps微球，之后将样品在丙酮中超声清洗20分钟，得到cr掩模-sio2/si衬底样品。
步骤5，以步骤4样品中的cr薄膜作掩模，采用icp干法刻蚀sio2层，使用chf3气体作为反应气体。得到cr掩模-sio2掩模层-si衬底样品。
步骤6，以步骤5样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底。使用浓度5％wt的koh溶液，在0℃下进行刻蚀反应，过程中不断对反应溶液进行搅拌，形成倒金字塔结构。得到cr掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si衬底样品。
步骤7，使用水溶液剥离sio2层和cr掩模层，得到带倒金字塔结构的si衬底样品，作为表面增强拉曼散射衬底的si模板。
步骤8，在步骤7得到的si模板上使用磁控溅射制备一层au薄膜，得到带金字塔结构的au膜-si模板；
步骤9，使用环氧树脂，通过剥离、转移的方法将步骤8中得到的au膜转移到新的si衬底上。其中金字塔结构外露，得到带金字塔结构的au膜-环氧树脂-si衬底样品；
步骤10，在au金字塔结构表面转移一层cvd生长的铜上石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的au膜-环氧树脂-si衬底。至此，一种大面积均匀、高灵敏且通用型的无标签检测表面增强拉曼散射衬底制备完成。
综上所述，本发明公开了一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，主要包括以下步骤：在sio2/si(001)衬底上制备密排单层纳米微球二维胶体晶体层；使用等离子体刻蚀的方法减小纳米微球的直径；在样品表面沉积一层金属薄膜；剥离微球二维胶体晶体层；采用干法刻蚀sio2层；采用湿法刻蚀si(001)衬底，形成倒金字塔结构；使用腐蚀溶液剥离sio2层和金属掩模层，得到带倒金字塔结构的si模板；在si模板上溅射贵金属薄膜；使用胶黏剂将贵金属膜转移到新衬底上，其中金字塔结构外露；在贵金属金字塔表面转移一层石墨烯。本方法使用了胶体光刻和微纳加工两种方法，成功实现了金字塔型sers衬底的制备。所制备的衬底实现了大尺度范围内的金字塔结构和sers信号的均匀性，同时具有高灵敏性和通用性。该衬底不仅能在生物传感与疾病早期检测中发挥重要作用，同时也可广泛应用于化学传感，食品安全检测，以及环境监测领域。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。
技术特征：
1.一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，在sio2/si(001)衬底上制备密排纳米微球二维胶体晶体层，获得二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；
步骤2，将步骤1获得的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球的直径减小，获得处理后的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品；
步骤3，将步骤2获得的处理后的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球作掩模，在衬底样品设置有纳米微球的一面沉积金属薄膜，获得二维胶体晶体-金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品；
步骤4，剥离步骤3获得的二维胶体晶体-金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球二维胶体晶体层，获得金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品；
步骤5，以步骤4获得的金属薄膜-sio2/si(001)衬底样品中的金属薄膜作掩模，采用干法刻蚀sio2层，获得金属薄膜掩模-sio2掩模层-si(001)衬底样品；
步骤6，以步骤5获得的金属薄膜掩模-sio2掩模层-si(001)衬底样品中的sio2层作掩模，采用湿法刻蚀si(001)衬底，形成倒金字塔结构，获得金属薄膜掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si(001)衬底样品；
步骤7，对步骤6获得的金属薄膜掩模-sio2掩模层-带倒金字塔结构的si(001)衬底样品，剥离sio2层和金属薄膜，获得带倒金字塔结构的si(001)衬底样品；
步骤8，将步骤7获得的带倒金字塔结构的si(001)衬底样品作为表面增强拉曼散射衬底的si模板；在si(001)模板上制备贵金属薄膜，得到带金字塔结构的贵金属膜-si(001)模板；
步骤9，使用胶黏剂，将步骤8中得到的贵金属膜转移到新的si衬底上；其中，金字塔结构外露，得到带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底样品；
步骤10，在贵金属金字塔结构表面转移一层石墨烯，得到石墨烯-带金字塔结构的贵金属膜-胶黏剂-si衬底，完成制备。
2.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤1中，制备密排纳米微球二维胶体晶体层的方法包括：旋涂法、滴涂法、浸涂法、电泳沉积法以及气液界面自组装法；其中，气液界面自组装法包括langmuir-blodgett膜法；
制备密排纳米微球二维胶体晶体层时，使用的单分散纳米微球为分散液形式；纳米微球的材质为聚合物材质；纳米微球的直径分布范围为50nm～10μm。
3.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述将步骤1获得的二维胶体晶体-sio2/si(001)衬底样品中的纳米微球的直径减小的步骤具体包括：使用等离子体刻蚀的方法减小纳米微球的直径。
4.根据权利要求3所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤2中，使用等离子体刻蚀时，采用的设备包括：感应耦合等离子体刻蚀机、反应离子刻蚀机或等离子体去胶机。
5.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述在衬底样品设置有纳米微球的一面沉积金属薄膜的步骤具体包括：使用电子束蒸镀方法进行金属薄膜的生长；所述金属薄膜的金属材料为cr、ti、ni、fe、cu、au或pt。
6.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤4中，剥离纳米微球二维胶体晶体层的步骤包括：
二维胶体晶体层使用氧等离子体清洗，并在有机溶剂中超声、溶解；
其中，有机溶剂为丙酮、、二氯苯、二氯甲烷、甲苯或二甲苯。
7.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤5具体包括：使用单向性反应刻蚀方法刻蚀sio2层；其中，使用的反应性气体为cf4、chf3、sf6、nf3、bcl3或cl2。
8.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤6具体包括：使用koh溶液对si(001)衬底进行湿法腐蚀，形成倒金字塔结构；其中，使用的koh溶液浓度为质量分数5％～64％；刻蚀过程中对反应溶液进行搅拌。
9.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤8中，在si(001)模板上制备贵金属薄膜的方法包括但不限于：物理气相沉积和化学气相沉积；所述物理气相沉积包括磁控溅射、电子束蒸镀；所述化学气相沉积包括原子层沉积；
制备的贵金属为au、ag、cu。
10.根据权利要求1所述的一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，其特征在于，步骤10中，选用的石墨烯是使用化学气相沉积方法生长于铜上的单层石墨烯。
技术总结
本发明公开了一种表面增强拉曼散射衬底的制备方法，包括：在SiO2/Si(001)衬底上制备密排单层纳米微球二维胶体晶体层；减小纳米微球的直径；在样品表面沉积一层金属薄膜；剥离微球二维胶体晶体层；采用干法刻蚀SiO2层；采用湿法刻蚀Si(001)衬底，形成倒金字塔结构；使用腐蚀溶液剥离SiO2和金属掩模层，得到带倒金字塔结构的Si模板；在Si模板上制备贵金属薄膜；使用胶黏剂将贵金属薄膜转移到新衬底上，金字塔结构外露；在贵金属金字塔表面转移一层石墨烯。本发明的方法使用了胶体光刻和微纳加工两种方法，成功制备了金字塔型SERS衬底；所制备的衬底在大尺度范围内纳米金字塔结构分布均匀，同时具有高灵敏性和通用性。
