基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子的方法

摘要

本发明公开了一种基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子的方法。该方法包括如下步骤：1)将除去表面氧化层的硅纳米线分散在CTAB的水溶液中，在搅拌条件下，向所述硅纳米线的分散液中加入含有金属银离子的溶液，反应一段时间后将产物离心，收集沉淀，将得到的表面负载银颗粒的硅纳米线分散于乙醇中；2)将硅纳米线的乙醇分散液滴于带有凹槽的载玻片的凹槽处，待乙醇挥发后，在凹槽处加入待测分子的水溶液，并用盖玻片将其密封，选用一定波长的激光对凹槽处的硅纳米线进行照射，并进行拉曼信号的收集，即实现对单分子的实时检测。该方法简单快捷，反应条件温和，制备的材料性能稳定，SERS响应很好，且实现了溶液体系中单个分子的检测，为研究溶液体系中单个分子的反应提供了良好的平台。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子的方法。

背景技术

单分子表面增强拉曼散射(surface enhanced raman scattering，SERS)结合单个分子指纹识别的灵敏性，而成为研究表面吸附的单个分子动力学甚至溶液中的单分子反应的有力工具。然而，要把单分子检测应用到实际中，需要一种简单便捷的制备具有单分子增强能力的检测基底的方法，在溶液情况下检测还要求基底具有一定的稳定性。到目前为止，理论上认为，尺寸在30-100nm范围内的银颗粒的聚集体，颗粒间结合间距在1-9nm范围的情况下可作为SERS检测的“热点”。人们普遍采用1982年Lee-Misel等人利用柠檬酸还原制备的银纳米颗粒作为检测基底，然而这种聚集的银纳米颗粒仅有不到1％的情况会检测出有效的SERS活性，进一步说，在溶液中检测时，由于银胶体颗粒的布朗运动以及其在检测体积内构型变化而难以获得单分子真实的信号。因而，发展制备一种简单、可靠、稳定具有单分子增强能力的可用于溶液中检测的基底变得至关重要。

硅纳米线最有可能作为一种集成模块材料与现有硅基半导体工艺结合而大范围应用。由于其自身特有的光学、电学性质以及高表面活性等特点，硅纳米线在纳米传感器、场发射显示器件等各种纳米器件方面已经被广泛研究。以硅纳米线作为SERS检测基底的文献鲜有报道，而达到单分子水平检测的文献更是没有报道。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子的方法。

本发明所提供的基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子的方法，包括如下步骤：

1)将除去表面氧化层的硅纳米线分散在十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的水溶液中，得到硅纳米线的分散液；在搅拌条件下，向所述硅纳米线的分散液中加入含有银离子的溶液进行反应，反应结束后，对反应液进行离心，收集沉淀，即得到表面负载银颗粒的硅纳米线，然后将所述表面负载银颗粒的硅纳米线依次用去离子水、无水乙醇冲洗，冲洗后将所述表面负载银颗粒的硅纳米线分散于乙醇中；

2)用内径为0.9-1.1mm的毛细管吸取少量上述表面负载银颗粒的硅纳米线的乙醇分散液滴于带有凹槽的载玻片的凹槽处，待乙醇挥发后，在凹槽处加入待测分子的水溶液，并用盖玻片将其密封，选用一定波长的激光对凹槽处的硅纳米线进行照射，并进行拉曼信号的收集，即实现对单分子的实时检测。

其中，步骤1)中所述十六烷基三甲基溴化铵的水溶液中十六烷基三甲基溴化铵的浓度为0.5-1.5mmol/L，优选为1mmol/L；所述硅纳米线分散液中硅纳米线的含量为0.2-0.5mg/ml。所述含银离子的溶液可为硝酸银溶液或醋酸银溶液等，当选用硝酸银溶液时，所述硝酸银溶液中硝酸银浓度为1-1.5mmol/L，优选为1mmol/L。

步骤1)所述反应的反应温度为15℃-25℃；反应时间为1min-5min，优选为2-3min；所述反应的反应体系中，CTAB与硝酸银的摩尔比为0.15-0.35。

本发明中所述除去表面氧化层的硅纳米线的直径为大于等于100nm，优选为100nm-500nm。

上述除去表面氧化层的硅纳米线是按照下述方法制备得到的：

1)以锡粉作催化剂，热蒸发SiO粉末制备得到的表面覆盖有氧化层的硅纳米线；

2)将所述表面覆盖有氧化层的硅纳米线浸泡在质量浓度为5％-15％的氢氟酸水溶液中，超声分散，放置10-30min后将溶液离心，分离出沉淀，并用去离子水冲洗，得到除去表面氧化层的硅纳米线。

本发明的步骤2)中所述待测分子的水溶液为罗丹明(R6G)水溶液时，所述罗丹明水溶液中罗丹明的浓度为5nmol/L，以保证检测体积内最多有1个分子。此时，所选用的激光波长为532nm，激光功率为0.05mW，激光聚焦点直径为0.5μm。

本发明利用氢氟酸处理后的硅纳米线表面具有还原性，能够将溶液中的金属离子还原成单质而沉积在硅纳米线表面。本发明制备方法简单快捷，设备廉价，在室温下即可进行，可大量制备，且制备的材料可以满足理论上计算的单分子SERS“热点”所需要的颗粒尺寸和间距。试验证明，以本发明中制备的硅纳米线作为SERS检测基底，实现了溶液中单分子水平检测。

附图说明

图1为实施例1制备的表面负载有银纳米颗粒的硅纳米线的SEM和TEM照片。

图2为实施例2中Raman检测体系的简化图。

图3为实施例2中单根硅纳米线的光学照片。

图4为实施例2中不同照射点的拉曼光谱信号的平均值。

图5为实施例3中单个照射点的拉曼光谱随时间的波动图。

具体实施方式

为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。但是本发明的保护范围并不局限于实施例所表述的范围。

下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例中所使用的硝酸银，氢氟酸(质量浓度为40％)，均购于北京化学试剂公司；CTAB(纯度99％)购于Alfa公司，罗丹明6G(分析级)购于百灵威公司，使用前均未作进一步处理。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和生物材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

实施例1、制备表面均匀负载银纳米颗粒的硅纳米线

本实施例中所使用的硅纳米线是采用现有的方法：以锡粉作为催化剂，热蒸发SiO粉末制备得到的；具体如下：称取3.0gSiO粉末和0.5gSn粉，放置在瓷舟中混合均匀，将瓷舟放于真空管式炉的高温区，封闭真空管式炉；抽气至炉腔内压强至5×10^-2mbar后，通入氩气和氢气的混合气至炉内压强在350mbar后，以40℃/min的速度将炉内高温区加热到1360℃，保温7-8h后，冷却至室温。制备的硅纳米线直径约为100-500纳米，表面包覆一层硅的氧化层。实验制备的硅纳米线粗产品先在乙醇溶液中超声分散，过滤后才能使用。

称取约2.5mg上述硅纳米线放于塑料管中，向其中加入2-5ml质量分数为5％的氢氟酸溶液，超声分散后，静置20分钟除去表面氧化层，离心分离，得到除去表面氧化层的硅纳米线。

将除去表面氧化层的硅纳米线超声分散在5ml浓度为1mM的CTAB的水溶液中，硅纳米线在其中能较好的分散。取该分散液1ml，在室温条件下搅拌均匀后，向其中迅速加入3mL浓度为1mM的AgNO₃溶液，室温条件下反应3min，反应结束后将最终溶液在8000r/min转速下离心2min，使产品从溶液体系中分离出来。然后将产品依次用去离子水、无水乙醇超声冲洗3次，每次冲洗后溶液均在8000r/min转速下离心5min，最后将制备的表面负载银颗粒的硅纳米线分散在无水乙醇中待用。

将产品的乙醇分散液滴在硅片上，待乙醇蒸发后在扫描电镜(SEM，HitachiS-4300)下观察其形貌，表面负载有银纳米颗粒的硅纳米线的形貌如图1a所示。右图1a可知大量硅纳米线表面包覆有均匀分布的银纳米颗粒。该样品的透射电镜(TEM)照片如图1b所示，由图1b可知银纳米颗粒的平均粒径约为34nm，相邻颗粒的间距为1-7nm。

实施例2、基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子

用毛细管吸取少量实施例1中制备得到的样品的分散液滴在带有凹槽的载玻片上，待乙醇挥发后，硅纳米线吸附在玻璃表面，然后向凹槽处滴加5nM的R6G的水溶液，表面盖上盖玻片防止溶液挥发。采用renishaw confocal laser ramanspectroscopy收集单根硅纳米线检测单分子的光谱，该检测体系的简化图如图2所示，检测单根硅纳米线的光学照片如图3所示。选用放大倍数为100倍的物镜(数值孔径NA＝0.85，激光点直径为0.5μm，景深为2μm，经过计算在检测体积内不会超过1个分子)，激发波长为532nm，功率约为50μW的激光对单根硅纳米线上不同的点进行照射，收集30个光谱，其中每个光谱收集时间为10s，累积次数为1，取其平均值，拉曼光谱如图4所示。由图4可知样品具有很好的单分子增强能力。

实施例3、基于表面增强拉曼效应的单根硅纳米线实时检测单分子

按照实施例2的方法，收集单根硅纳米线在溶液中检测单分子的信号，不同之处在于本实施例中是选取单根硅纳米线上同一个点采用连续激光照射，收集100个光谱，光谱时间间隔为1s，获取的拉曼光谱的随时间变化图如图5所示。由图5可知，光谱随时间出现明显的明灭现象，这是单分子拉曼光谱所特有的现象，进一步证明样品能够实现溶液体系中实时检测单分子。