一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片及其制備方法

一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域本創(chuàng)造屬于新冠病毒快速檢測領(lǐng)域，具體涉及一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片及其制備方法。背景技術(shù)目前，新冠病毒的實(shí)驗(yàn)室檢測主要基于實(shí)時(shí)熒光聚合酶鏈反響(RT-PCR)檢測病毒核酸，實(shí)驗(yàn)步驟較多，上機(jī)檢測與結(jié)果分析約需4個(gè)多小時(shí)，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)?？焖俸Y查。外表增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)技術(shù)可快速、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地識別和檢測特定病毒分子。SERS芯片是外表增強(qiáng)拉曼光譜檢測的核心技術(shù)，目前尚缺乏有效的用于新冠病毒快速檢測的SERS芯片。專利(CN111441022A)公開了一種SERS增強(qiáng)的新冠病毒檢測芯片的制備方法，但該SERS芯片主要用于檢測連接于納米金顆粒上的功能性熒光小分子的拉曼信號和熒光信號，而非直接檢測新冠病毒的拉曼信號，屬于一種間接檢測SERS芯片，難以保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。專利(CN111665356A)公開了一種基于SERS的病毒檢測方法及裝置，該SERS檢測方法主要基于具有SERS活性的金或銀溶膠-凝膠基底，采用濕法化學(xué)合成方法制備金、銀溶膠-凝膠納米顆粒，該SERS基底可直接檢測病毒，且納米顆粒外表修飾抗體，可實(shí)現(xiàn)病毒的特異性捕獲，但該基底制備過程繁瑣，且需要冷臧等特殊儲(chǔ)存及運(yùn)輸條件確?？贵w的生物活性，增加了使用本錢。專利(CN111879753A)公開了一種用于檢測新型冠狀病毒的貴金屬納米錐SERS襯底及制備方法，該SERS襯底采用聚苯乙烯微球作為模板，制備錐形的貴金屬納米陣列，可有效捕獲病毒顆粒，實(shí)現(xiàn)拉曼檢測，但聚苯乙烯自組裝往往存在較多缺陷，難以實(shí)現(xiàn)大面積均勻制備，同時(shí)自組裝過程將引入外表活性劑，外表活性劑的殘留將給病毒檢測帶來干擾。創(chuàng)造內(nèi)容針對現(xiàn)有技術(shù)的缺乏，本創(chuàng)造提供一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片及其制備方法，本創(chuàng)造具有制備簡單、本錢低廉、無需引入外表活化劑、可大面積均勻制備且能特異性捕獲病毒顆粒的特點(diǎn)。具體方案如下：一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片，所述SERS芯片包含基底及形成于基底外表的三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中，三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)體依次由粘附層、過渡層以及外表功能層組成，所述粘附層形成于基底外表，過渡層用于連接粘附層與外表功能層，外表功能層均勻分布有假設(shè)干尺寸可調(diào)的納米多孔金簇以及簇與簇之間的納米溝道，所述納米多孔金簇內(nèi)局部布有假設(shè)干孔隙，納米溝道尺寸與病毒顆粒尺寸相匹配；所述粘附層、過渡層和外表功能層的金含量逐漸減少，形成了從粘附層到過渡層再到外表功能層的金原子濃度梯度，使粘附層與過渡層界面以及過渡層與表面功能層界面處的金原子沿濃度梯度方向擴(kuò)散。進(jìn)一步，所述納米溝道尺寸范圍為60nm?1200nm。進(jìn)一步，所述孔隙尺寸為10?20納米。進(jìn)一步，所述粘附層厚度為20?50nm,包括銘薄膜層和金薄膜層，其中，銘薄膜層形成于基底外表，金薄膜層形成于銘薄膜層外表。進(jìn)一步，所述過渡層為厚度50?200nm的金含量較高的金銀合金薄膜，金含量為20?40at.%o進(jìn)一步，所述外表功能層為厚度100~5000nm的金含量較低的金銀合金，金含量為1-20at.%o一種如前述用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片的制備方法，該方法包含以下步驟：（1）采用磁控濺射技術(shù)首先在基底上沉積包含三明治前驅(qū)體的多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；（2）對三明治前驅(qū)體進(jìn)行去合金化處理，獲得SERS芯片。其中，通過調(diào)節(jié)三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中外表功能層的金含量調(diào)節(jié)納米溝道尺寸，或通過調(diào)節(jié)外表功能層厚度來調(diào)節(jié)納米溝道尺寸，所述納米溝道尺寸隨外表功能層金含量降低而增大，納米溝道尺寸隨外表功能層厚度的增加而增大。進(jìn)一步，步驟（1）中所述基底為硅片、石英片或ITO玻璃片中任意一種。進(jìn)一步，步驟（1）采用磁控濺射技術(shù)在基底上依次沉積粘附層、過渡層和外表功能層的三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，步驟（2）中采用自由腐蝕或電解腐蝕方法對三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去合金化處理。本創(chuàng)造SERS芯片可用于快速、直接檢測新冠病毒的拉曼信號，檢測結(jié)果準(zhǔn)確性高。該芯片制備簡單、本錢低廉、無需引入外表活化劑、可大面積均勻制備且能特異性捕獲病毒顆粒，本創(chuàng)造防止了合金體系在去合金化過程中宏觀結(jié)構(gòu)的坍塌，實(shí)現(xiàn)了以Au含量僅:L~5at.％的Au-Ag合金作為前驅(qū)體功能層，制備出具有不同溝道尺寸的SERS芯片。本創(chuàng)造可特異性捕獲病毒顆粒的金納米薄膜的結(jié)構(gòu)及制備方法應(yīng)用于新冠病毒的現(xiàn)場快速檢測領(lǐng)域。針對去合金化技術(shù)，當(dāng)前驅(qū)體Au含量低于20前?％時(shí)，合金體系將在腐蝕過程中發(fā)生宏觀幾何結(jié)構(gòu)的坍塌，無法成型。這一固有的物理特性極大地阻礙了去合金化技術(shù)在金納米結(jié)構(gòu)制備方面的應(yīng)用。為突破這一技術(shù)難點(diǎn)，本創(chuàng)造創(chuàng)造性地提出了三明治去合金化方法。附圖說明圖1為本創(chuàng)造SERS芯片結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，L基底層2.粘附層3.過渡層4.功能層5.病毒。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對本創(chuàng)造作進(jìn)一步詳細(xì)解釋。如圖1所示，一種用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片，所述SERS芯片包含基底1及形成于基底外表的三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中，三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)依次由粘附層2、過渡層3以及外表功能層4組成，所述粘附層2形成于基底外表，過渡層3用于連接粘附層與外表功能層，外表功能層4均勻分布有尺寸可調(diào)的納米多孔金簇以及簇與簇之間的納米溝道，所述納米多孔金簇內(nèi)部分布有假設(shè)干孔隙，可提供大量拉曼增強(qiáng)熱點(diǎn)；納米溝道尺寸與病毒顆粒5尺寸相匹配，以使病毒顆粒5嵌入納米溝道內(nèi)，而尺寸過大雜質(zhì)顆粒無法落入溝道，尺寸過小的雜質(zhì)顆粒將落入溝道底部，從而實(shí)現(xiàn)對新冠病毒顆粒的特異性捕獲，提高了對病毒拉曼信號的識別能力。粘附層2、過渡層3和外表功能層4三層結(jié)構(gòu)中金含量逐漸減少，形成了從粘附層到過渡層再到功能層的金原子濃度梯度，使粘附層與過渡層界面以及過渡層與功能層界面處的金原子沿濃度梯度方向擴(kuò)散，這種擴(kuò)散可形成界面處的原子釘扎效應(yīng)，從而大大增加了功能層與過渡層以及過渡層與粘附層之間的結(jié)合力，最終防止了在常規(guī)去合金化過程中當(dāng)金含量＜20at.％時(shí)，合金體系的結(jié)構(gòu)坍塌的問題。進(jìn)一步，納米溝道尺寸可通過制備條件加以調(diào)節(jié)，所述的納米溝道尺寸范圍為60nm"1000nmo進(jìn)一步，所述孔隙尺寸為10~20納米。進(jìn)一步，所述粘附層2厚度為20~50nm,包括銘薄膜層和金薄膜層，用于提高基片與前驅(qū)體薄膜之間的結(jié)合力，防止薄膜脫落。其中，銘薄膜和金薄膜同時(shí)存在，先鍍銘后鍍金，即銘薄膜層形成于基底外表，金薄膜層形成于銘薄膜層表面。進(jìn)一步，所述過渡層3為厚度50~200nm的金含量較高的金銀合金薄膜，其金含量為20~40at.％。該過渡層用于連接粘附層與功能層，防止功能層在去合金化過程中結(jié)構(gòu)坍塌。進(jìn)一步，所述外表功能層4為厚度100^5000nm的金含量較低的金銀合金，其金含量為1-20at.%,該外表功能層用于形成納米多孔金簇結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)病毒的特異性捕獲及SERS檢測。一種如前述用于新型冠狀病毒檢測的SERS芯片的制備方法，該方法包含以下步驟：（1）采用磁控濺射技術(shù)首先在基底上沉積三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)；（2）對三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去合金化處理，獲得SERS芯片；其中，具體通過調(diào)節(jié)外表功能層中金的含量調(diào)節(jié)溝道尺寸，或通過調(diào)節(jié)外表功能層厚度來調(diào)節(jié)溝道尺寸，所述納米溝道尺寸隨外表功能層金含量降低而增大，納米溝道尺寸隨外表功能層厚度的增加而增大。進(jìn)一步，步驟（1）中所述的基底為硅片、石英片或ITO玻璃片等。進(jìn)一步，步驟（1）采用磁控濺射技術(shù)在基底上依次沉積粘附層，過渡層和外表功能層三層結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步，步驟（2）中采用自由腐蝕或電解腐蝕方法對三明治前驅(qū)體多層增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行去合金化處理。具體去合金化過程如下:關(guān)于步驟（2）針對傳統(tǒng)的新冠病毒檢測芯片，在去合金化中只有功能層一層結(jié)構(gòu)，當(dāng)該結(jié)構(gòu)中Au含量低于20at.％時(shí)，合金體系將在腐蝕過程中發(fā)生宏觀幾何結(jié)構(gòu)的坍塌，無法成型。因此，在現(xiàn)有技術(shù)中去合金化只能用來制備Au含量高于20at.%的納米金結(jié)構(gòu)，而本創(chuàng)造通過引入三明治結(jié)構(gòu)，即引入粘附層、過渡層和功能層三層結(jié)構(gòu)，利用三層結(jié)構(gòu)之間的金原子濃度差異構(gòu)建界面金原子濃度梯度，使金原子沿界面定向擴(kuò)散，形成界面釘扎效應(yīng)，使Au含量極低的功能層（Au含量僅為l~20at?％）與過渡層形成牢固結(jié)合，防止了合金體系在去合金化過程中整體結(jié)構(gòu)的坍塌，突破了該技術(shù)的制備極限，成功地以Au含量僅l~20at.％的Au-Ag合金作為前驅(qū)體功能層，制備出具有不同溝道尺寸的SERS芯片。實(shí)施例1（1）制備三明治前驅(qū)體:將硅片置于磁控濺射真空室中。抽真空至＜5x10-4Pa,通入氤氣，調(diào)節(jié)氣壓至0.5Pa。首先，沉積lOnmCr和lOnmAu薄膜作為粘附層。隨后，共沉積50nmAu25Ag75金銀合金作為過渡層。最后，沉積lOOnmAi117Ag83金銀合金作為功能層（金含量為17at.％）。濺射完畢后，冷卻lh,取出樣品。（2）去合金化處理：將上述三明治前驅(qū)體樣品置于50%HN03溶液中腐蝕90min,取出腐蝕后樣品，用去離子水浸泡lOmin使酸溶液完全洗凈。然后在氮?dú)鈿饬髦辛栏刹⒈４妗Ｋ频玫腟ERS芯片具有約60nm的均勻分布的納米溝道結(jié)構(gòu)。實(shí)施例2（1）制備三明治前驅(qū)體：將ITO玻璃片置于磁控濺射真空室中。抽真空至<5x10-4Pa,通入氤氣，調(diào)節(jié)氣壓至0.5Pa。首先，沉積20nmer和20nmAu薄膜作為粘附層。隨后，共沉積100nmAu25Ag75金銀合金作為過渡層。最后，沉積lOOOnmAuiAg99金銀合金作為功能層（金含量為lat.%）。濺射完畢后，冷卻lh,取出樣品。（2）去合金化處理：將上述三明治前驅(qū)體樣品置于三電極電解池中，采用IMHCICU溶液作為電解液，采用Ag/AgCI電極作為參比電極，Pt片電極作為輔助電極。在0.68V電勢下進(jìn)行電解腐蝕，待電流<IOhA停止腐蝕，取出腐蝕后樣品，用去離子水浸泡lOmin使電解液完全洗凈。然后在氮?dú)鈿饬髦辛栏刹⒈４?。所制得的SERS芯片具有約500nm的均勻分布的納米溝道結(jié)構(gòu)。實(shí)施例3（1）制備三明治前驅(qū)體：將石英片置于磁控濺射真空室中。抽真空至<5x10-4Pa,通入氤氣，調(diào)節(jié)氣壓至0.5Pa。首先，沉積25nmer和25nmAu薄膜作為粘附層。隨后，共沉積200nmAi125Ag75金銀合金作為過渡層。最后，沉積5000nmAu5Ag95金銀合金作為功能層（金含量為5at.%）□濺射完畢后，冷卻lh,取出樣品。（2）去合金化處理：將上述三明治前驅(qū)體樣品置于50%HN03溶液中腐蝕150min,取出腐蝕后樣品，用去離子水浸泡lOmin