一种液相纳米红外光谱等离激元共振增强基底及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种用作液相纳米红外光谱的等离激元共振增强基底。具体涉及一种采用物理沉积技术在可见‑红外区透明的光学晶片表面制备大面积高度规整有序的金属结构阵列的方法及其在液相纳米红外光谱中的应用。本发明专利技术将微球自组装于容器中的气/液界面，随后沉积至可见‑红外区透明的光学晶片表面，利用物理沉积技术在光学晶片表面制备得到金属纳米薄膜材料，经移除微球薄膜，可在可见‑红外区透明的光学晶片表面获得大面积高度规整有序的金属结构阵列；基于该方案制备的增强基底，可以通过其在中红外区的等离激元共振激发，实现液相纳米尺度红外光谱的分析，检测灵敏度可以达到单分子层量级，远高于常用的全内反射棱镜增强基底，因此，可作为新型的高性能的液相纳米红外光谱基底。

【技术实现步骤摘要】
一种液相纳米红外光谱等离激元共振增强基底及其制备方法和应用
本专利技术涉及一种用作液相纳米红外光谱的等离激元共振增强基底及其制备方法和应用，属于超分辨光谱领域。
技术介绍
红外吸收光谱及其成像技术是基于物质的电子跃迁、化学键振动与入射光相互作用，通过光谱和成像，分析物质性质及其变化的重要研究方法。在红外光谱范围内，实现纳米级别空间分辨率的吸收光谱采集和成像分析，可以在亚波长尺度下研究物质的物理和化学性质，揭示精细的结构与功能特征及关联。然而，受限于信号采集方法的不足，纳米尺度红外光谱和成像技术的研究仅限于对固/气界面一定厚度的高分子薄膜和生物大分子红外吸收信号的获取。如果将纳米红外技术推广至液相，在固/液，气/液，液/液界面等对物质传输、电子交换、能量转移和分子识别进行研究，对基于液相体系的生命科学、电化学能源储存与转化、传感与催化等领域具有重要的推动作用。使用全内反射光路激发，是目前主流的液相纳米红外光谱采集方案。该方案通过全内反射棱镜汇聚入射的红外激光，进而激发纳米红外检测器的探针，可以有效规避液相背景对于红外光的吸收干扰，同时，利用全内反射光路表面的电磁场本征增强，实现一定程度的纳米红外光谱信号放大。然而，内反射棱镜价格昂贵，构筑复杂，光路调节较为困难。同时，内反射技术仅能提供低于十倍的电磁场增强，分析效果不佳。目前的光路设计仅能用于数十纳米的高分子薄膜分析。因此，若能提供更优的红外增强光路设计，实现简单快捷低成本的近场信号放大和溶液背景信号屏蔽，则可以提高纳米红外光谱的检测灵敏度，同时拓宽其应用范围。在现有的电磁场增强技术中，使用等离激元共振结构是最优异、也最成熟的方法之一。等离激元共振结构是经过特殊设计的规整有序纳米结构阵列，可以对特定波长的入射光进行聚集，在其表面产生具有强电磁场的“热点”。位于“热点”内的分子会受到增益的光质相互作用，其红外吸收相对于全内反射棱镜可以得到显著提高。然而，现阶段尚未有能够应用于液相纳米红外光谱研究的等离激元结构的构筑方案及其应用。这种方案需要具备低成本，易于操作，可规模化制备等优势。
技术实现思路
为了开发新型的简单、有效制备液相纳米红外光谱适用的等离激元共振增强基底的新方法，本专利技术的技术目的在于提出一种低成本、可大面积制备高度规整的金属结构中红外增强基底，并将其切实应用于液相纳米红外光谱分析与成像。使得该增强基底具备简便易行、易于推广、且可以用于提高液相纳米红外光谱的增强效应并拓展纳米红外光谱检测的应用范围，从而利用该基底实现生命科学、电化学能源储存与转化、传感催化等领域的广泛应用。本专利技术的另一目的在于提供上述中红外区等离激元共振增强基底的制备方法。本专利技术的另一目的在于提供上述中红外区等离激元共振增强基底在液相纳米红外领域中的应用。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下的技术方案：本专利技术提供一种液相纳米红外光谱适用的中红外区等离激元共振增强基底，所述增强基底由光学晶片以及有序阵列金属纳米结构组成，其中，所述有序阵列金属纳米结构沉积在光学晶片表面，呈大面积规整有序的金属结构阵列。更进一步地说，所述光学晶片为抛光处理后的可见-红外区透明的光学晶片。更进一步地说，本专利技术所述的光学晶片的形状，包括但不仅限于平整窗片和半球形棱镜，其中，平整窗片的厚度包括但不限于0.1mm～2mm。更进一步地说，本专利技术所述的可见-红外区透明的光学晶片的材料种类包括但不仅限于硒化锌，氟化钙，硅，玻璃，和锗。更进一步地说，本专利技术所述的微球的直径为3μm～6μm。更进一步地说，本专利技术所述的微球的材料种类包括但不仅限于聚苯乙烯。本专利技术所述的金属沉积方法包括但不仅限于电子束蒸镀，磁控溅射和热蒸发。本专利技术所述的金属材料种类包括但不仅限于金、银、铜、铝。本专利技术将微球自组装于容器中的气/液界面形成致密有序的微球自组装单层，并将其转移至预先抛光处理后的可见-红外区透明的光学晶片表面，然后利用物理沉积在光学晶片表面制备得到金属纳米结构，进而移除微球，在可见-红外区透明的光学晶片表面制备大面积高度规整有序的金属结构阵列；通过改变物理沉积的金属种类、沉积时间以及改变微球的尺寸等实验条件，可以在光学晶片表面制备不同形貌和结构的大面积高度规整有序的金属纳米材料阵列；基于该方案制备的增强基底，可以通过基底的等离激元共振激发，实现液相纳米尺度红外光谱分析与成像。本专利技术所述的增强基底结构简单，制备方法成本低、易于控制，不需要专用的仪器设备且可实现大面积制备，该制备技术具有高度的普适性和前沿性，同时极易推广使用。本专利技术还提供一种液相纳米红外光谱等离激元共振增强基底的制备方法，其特征在于：将微球自组装于预先抛光处理后的可见-红外区透明的光学晶片表面，然后利用物理沉积在光学晶片表面制备得到金属纳米薄膜材料，进而移除微球，在可见-红外区透明的光学晶片表面制备大面积高度规整有序的金属结构阵列。其中，本专利技术所述的制备方法包括微球自组装的方案，具体采用聚乙烯容器进行自组装。其中，本专利技术所述的可见-红外区透明的光学晶片的形状包括但不仅限于平整窗片和半球形棱镜，其中，平整窗片的厚度包括但不限于0.1mm～2mm。本专利技术所述的可见-红外区透明的光学晶片的材料种类包括但不仅限于硒化锌，氟化钙，硅，玻璃，和锗。本专利技术所述的微球的尺寸包括但不限于为直径3μm～6μm。本专利技术所述的微球的材料种类包括但不仅限于聚苯乙烯。本专利技术所述的金属沉积方法包括但不仅限于电子束蒸镀，磁控溅射和热蒸发。本专利技术所述的金属材料种类包括但不仅限于金、银、铜、铝。更进一步地说，改变金属材料的种类，微球的材料种类，光学晶片的种类，微球的尺寸，金属沉积厚度，光学晶片的厚度等实验参数，在可见-红外区透明的光学晶片表面直接制备不同形貌和结构的不同金属的有序纳米结构阵列，获得具有高效红外增强效应的基底：具体来说，通过条件，使用直径3μm的聚苯乙烯微球，光学晶片为厚度为0.3mm的硅片，向表面通过真空蒸镀方法沉积厚度为50nm的金，可以得到波数在4000-700cm-1内的红外增强基底。具体来说，通过条件，使用直径5μm的聚苯乙烯微球，光学晶片为厚度为0.3mm的硅片，向表面通过真空蒸镀方法沉积厚度为50nm的银和铜，可以得到波数在4000-700cm-1内的红外增强基底。具体来说，通过条件，使用直径3～5μm的聚苯乙烯微球，光学晶片为厚度为0.3mm的硅片，向表面通过真空蒸镀方法沉积厚度为50nm的金，可以得到波数在4000-700cm-1内的红外增强基底。具体来说，通过条件，使用直径5μm的聚苯乙烯微球，光学晶片为厚度为0.1mm、0.5mm和1mm的玻璃片，向表面通过磁控溅射方法沉积厚度为50nm的金，可以得到波数在4000-700cm-1内的红外增强基底。具体来说，通过条件，使用直径5μm的聚苯乙烯微球，光学晶片为厚度为0.5mm的玻璃片，向表面通过真空蒸镀方法和磁本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种液相纳米红外光谱等离激元共振增强基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n微球自组装：将微球自组装于容器中的气/液界面形成密堆积自组装微球单层，随后将其转移至预先抛光处理后的可见-红外区透明的光学晶片表面；/n制备金属纳米结构：利用物理沉积，在表面覆盖有所述微球单层的可见-红外区透明的光学晶片表面，制备得到纳米金属结构；/n移除微球；移除所述微球单层，用水清洗后吹干，在可见-红外区透明的光学晶片表面制备大面积高度规整的金属结构阵列，所述纳米金属结构阵列为大面积规整的金属结构阵列。/n

【技术特征摘要】
1.一种液相纳米红外光谱等离激元共振增强基底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
微球自组装：将微球自组装于容器中的气/液界面形成密堆积自组装微球单层，随后将其转移至预先抛光处理后的可见-红外区透明的光学晶片表面；
制备金属纳米结构：利用物理沉积，在表面覆盖有所述微球单层的可见-红外区透明的光学晶片表面，制备得到纳米金属结构；
移除微球；移除所述微球单层，用水清洗后吹干，在可见-红外区透明的光学晶片表面制备大面积高度规整的金属结构阵列，所述纳米金属结构阵列为大面积规整的金属结构阵列。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述微球自组装具体为，向容器中注入去离子水，在液面下方放置可见-红外区透明的光学晶片；待水面平稳，在容器中滴加微球溶液，在气液界面进行自组装，制备微球单层。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，光学晶片的形状，包括平整窗片和半球形棱镜，其中，平整窗片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏兴华，李剑，李今，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32