高性能三维纳米结构SERS芯片设计、批量制备与痕量汞离子检测

摘要

表面增强拉曼散射(SERS)是一种无损、高灵敏、快速检测痕量重金属离子的光谱技术.通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振(LSPR)与表面等离子体激元(SPP)的耦合以提升电磁场强度,是获得高性能SERS芯片的重要新途径.提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片.利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、批量制备.该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测.采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟,通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计.模拟结果表明,纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、低两个应力分区,其中,高应力区占图案～72％ 的面积,其应力均匀性比单层模板提升17％;低应力区分布在图案边缘～28％ 的区域,可有效减小脱模切应力.当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm,界面应力整体提升1～2个数量级,将显著提高压印成功率.使用不同横向尺寸的单、双层模板进行压印实验结果表明,尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备,这与模拟结果高度一致.在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片.此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10-12 mol·L-1,增强因子达3×108,检测均一性RSD为8.07％.该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10-11 mol·L-1),浓度线性工作范围为5.0×10-11～5.0×10-5 mol·L-1,跨度达6个数量级,呈现良好的线性关系(R2=0.966),在目前汞离子检测技术中具有显著优势.提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法.这种基于光学原理芯片"结构设计-批量制备-实际应用"的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点,推动其实际应用.