本发明涉及一种表面原位生长金属纳米粒子的钛基底及其应用，属于增强拉曼基底制备技术及检测领域。
背景技术：
自1974年发现表面增强拉曼散射现象以来，拉曼检测在超灵敏检测领域逐渐成为了一种最具有吸引力的分析工具。在小分子检测方面，表面增强拉曼技术也被认为是最有前途的研究方向之一。通过使用表面增强拉曼成像技术，还可以获得具有更高空间分辨率的多目标分析和生物图像信号，能够实现不同掺杂材料分布区域的可视化。在分析各种生物样品时，同样可以实现无标记检测。随着电磁场理论引入表面增强拉曼基底研究后，人们发现电磁效应和化学效应两个因素是拉曼增强的最重要增强机制。一些研究人员认为，通过电磁场表面共振激发，拉曼信号可以增强至少8-10倍，而化学增强因子可以提高1-2个数量级。
研究者们结合时域有限差分法来估计电磁场的分布和增强，发现不仅只有三种金属(金、银、铜)可以激发强烈的表面等离子共振实现较大的拉曼信号增强，某些其他材料也可以用于增强拉曼，如铂、氧化锌/四氧化三铁复合物、钴/氧化锡复合物。银因其具有较高的等离子体活性，适当的介电功能和低成本的特征，引起了大量相关研究者投入研究。
最近的许多增强拉曼研究结果与银纳米颗粒的应用有关。制备基底的方式也大多是把制备好的银纳米粒子负载到基材上，这样制备的增强拉曼基底十分不均匀，且表面金属纳米颗粒容易脱落，直接影响所检测到的拉曼信号。因此，寻找一种信号稳定且均匀、不易脱落的增强拉曼基底十分有必要。
技术实现要素：
针对传统方法制备的增强拉曼基底表面会有不同程度的金属纳米粒子分布不均匀，纳米粒子易脱落，制备过程繁琐，且无法大批量使用等问题，本发明提供了一种采用原位化学沉积的方法，在溶液相中通过一锅还原反应直接得到金属纳米粒子/钛表面增强拉曼基底，改善了以上提到的传统方法存在的四大劣势。
本发明的第一个目的是提供一种制备表面原位生长金属纳米粒子的钛基底的方法，包括如下步骤：将经过预处理的钛基底浸入化学沉积液中沉积一段时间，取出后清洗、干燥即可制备得到表面原位生长金属纳米粒子的钛基底，其中，所述化学沉积液的组分包括5～40g/l氟化铵、1～50g/l金属盐、5～30g/l柠檬酸和0.1～1vol％的强酸。
在本发明的一种实施方式中，化学沉积的时间为30s～2h。
在本发明的一种实施方式中，化学沉积的温度为0～60℃，优选温度在35～50℃。
在本发明的一种实施方式中，所述金属盐包括金、银、铜的硝酸盐、氯化物、硫酸盐中的一种或几种。
在本发明的一种实施方式中，所述强酸包括盐酸、硫酸或硝酸中的任一种或几种。
在本发明的一种实施方式中，所述经过预处理的钛基底，具体预处理的方式包括：将钛板在碱性溶液中除油；取出进行清洗后，再浸入在草酸溶液中蚀刻。
在本发明的一种实施方式中，所述蚀刻是在60～100℃下蚀刻3～8h。
在本发明的一种实施方式中，所述草酸的浓度为10～25wt％。
在本发明的一种实施方式中，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液中的一种或两种。
在本发明的一种实施方式中，所述氢氧化钠溶液浓度优选1wt％～10wt％，所述碳酸钠溶液优选1wt％～30wt％。
在本发明的一种实施方式中，所述除油过程可以在超声下进行，超声处理20～100min。
在本发明的一种实施方式中，所述钛基底和化学沉积液的质量体积比为0～0.05g/ml，优选质量体积比为0.03g/l。
本发明的第二个目的是提高上述方法制备得到的表面原位生长金属纳米粒子的钛基底。
本发明的第三个目的是上述表面原位生长金属纳米粒子的钛基底在增强拉曼基底以及物质检测领域中的应用。
本发明的第四个目的是提供一种利用拉曼光谱检测物质的方法，所述方法利用上述表面原位生长金属纳米粒子的钛基底进行检测。
在本发明的一种实施方式中，所述物质为任一能够产生拉曼光谱的物质，包括有机物和无机物。
在本发明的一种实施方式中，优选的，所述物质包括对氨基苯硫酚、对巯苯甲酸、罗丹明6g、尿酸或苦味酸中任一种。
有益效果：
(1)本发明通过化学沉积实现钛基表面更紧密的、无死角的纳米粒子层，通过对基底表面粒子蚀刻速率和三价钛离子的扩散速度进行调控，使得金属粒子还原反应在基底表面附近溶液发生，金属纳米粒子在溶液中聚集生长在钛表面的蚀刻点处，实现了金属元素以纳米粒子的形式负载在钛基底表面，极大改善了表面增强拉曼的效果，得到了信号更稳定、拉曼增强效果更优异的增强拉曼基底，本发明方法具有简单迅速，无需复杂实验设备的优势，能够实现大批量生产，并试纸化使用。
(2)本发明制备的表面原位生长金属纳米粒子的钛基底具有很高的拉曼检测限，对罗丹明6g的检出限达到1×10-10m、苦味酸检测限也达到了1×10-14m以上、尿酸分子的检测限也达到了1×10-6m以上，基底制备操作简单迅速，纳米粒子与基底结合牢固，化学稳定性良好，，有望将制备得到的应用于气相分子的高分辨检测中。
附图说明
图1为实施例1的铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜(sem)照片。
图2为实施例1～3制备得到的增强拉曼基底测定1×10-5m的罗丹明6g溶液的拉曼光谱光谱(进行基线校正后)，其中cu、au和ag分别代表实施例1的铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底、实施例2的金纳米花负载的钛基增强拉曼基底和实施例3的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
图3为实施例2的金纳米花负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜(sem)照片。
图4为实施例3的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜(sem)照片。
图5为实施例3中制备的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底对不同浓度r6g的拉曼光谱信号响应情况(进行基线校正后)。
图6为实施例3中15个不同测试点进行基底拉曼光谱信号响应情况(进行基线校正后)。
图7为实施例4中0℃下不同沉积时间(30s、3min、10min)得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底以罗丹明6g(r6g)作为目标分子的拉曼光谱信号比较。
图8为实施例5中20℃下不同沉积时间(30s、3min、10min)得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底以罗丹明6g(r6g)作为目标分子的拉曼光谱信号比较。
图9为实施例6中50℃下不同沉积时间(30s、3min、10min)得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底以罗丹明6g(r6g)作为目标分子的拉曼光谱信号比较。
图10为实施例6实施例6中50℃下沉积10min得到的银纳米球增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜(sem)照片。
图11为实施例11的铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底的测定1×10-5m的罗丹明6g溶液的拉曼光谱。
图12为实施例6制备得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底测定1×10-8m的对氨基苯硫酚溶液的拉曼光谱。
图13为实施例6制备得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底测定1×10-8m对巯苯甲酸溶液的拉曼光谱。
图14为实施例6制备得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底测定1×10-6m尿酸溶液的拉曼光谱(进行基线校正后)。
图15为实施例6制备得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底测定1×10-14m苦味酸溶液的拉曼光谱(进行基线校正后)。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步的描述，但本发明的实施方式不限于此。
测试方法：
冷场扫描电子显微镜：s-4800,japan；
激光共聚焦拉曼光谱仪：invia；
实施例4中苦味酸溶液理论计算模拟采用gaussion03软件。
实施例1
碱性除油：配置naoh(4wt％)、na2co3(2wt％)的溶液的100ml溶液，将一批1cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，53khz、250w下超声30min。
草酸蚀刻：将除油后钛板清水冲洗干净浸入20wt％草酸溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻5h后取出清洗干净备用。
化学生长铜纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、五水硫酸铜(20g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.8vol％)，20℃下沉积3分钟，取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
图1是制备得到的铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜照片，可见，形成了铜纳米球，且分布均匀。
测试过程：将罗丹明6g配置成1×10-5m溶液放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干，在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图2，可见，当铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底作为基底时，罗丹明6g的拉曼散射光强度较强，即该基底能够用于测定1×10-5m的罗丹明6g溶液。
实施例2
碱性除油：配置naoh(10wt％)的溶液的100ml溶液，将一批1cm×1cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，53khz、250w下超声1小时。
草酸蚀刻：将除油后钛板清水冲洗干净浸入草酸(15wt％)溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻3h后取出清洗干净备用。
化学生长金纳米花：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(10g/l)、氯金酸(1g/l)、柠檬酸(20g/l)、盐酸(0.4vol％)，20℃溶液中下沉积2分钟后取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到金纳米花负载的钛基增强拉曼基底。
图3是制备得到的金纳米花负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜照片，可见，形成了金纳米花，且分布均匀。
测试过程：将罗丹明6g配置成1×10-5m溶液放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的金纳米花负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图2。
实施例3
碱性除油：配置na2co3(5wt％)的溶液的100ml溶液，将一批3cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，超声60min。
草酸蚀刻：将除油后钛板用清水冲洗干净浸入草酸(10wt％)溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻8h后取出清洗干净备用。
化学生长银纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、硝酸银(10g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.4vol％)，20℃下沉积3分钟，取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
图4是制备得到的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底的冷场扫描电子显微镜照片，可见，形成了银纳米球，且分布均匀，无团聚。
测试过程：将1×10-6m罗丹明6g(r6g)溶液配置好放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为532nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图2。可见，通过和实施例1～2制备得到拉曼增强基底相比，银纳米球负载的钛基增强拉曼基底的拉曼散射强度高于后两者。
改变r6g的浓度，并按照上述测试过程测定其拉曼散射光谱，结果见图5，表明r6g分子的信号峰强度随着浓度降低而规律性的减弱，最低可以检测到浓度为1×10-10m的r6g的拉曼强度。
检测测定浓度为1×10-6m时的罗丹明6g溶液时的拉曼基底的15个不同测试点的基底信号响应情况，结果见图6，可以看出，不同测试点的拉曼散射相应强度变化不大，说明银纳米球在钛基底上分布均匀，拉曼信号具有良好的重现性和均匀分布效果。
实施例4
碱性除油：配置na2co3(5wt％)的溶液的100ml溶液，将一批3cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，超声60min。
草酸蚀刻：将除油后钛板用清水冲洗干净浸入草酸(10wt％)溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻8h后取出清洗干净备用。
化学生长银纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、硝酸银(10g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.4vol％)，0℃下分别沉积30秒、3分钟和10分钟，取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
测试过程：将1×10-6mr6g溶液配置好放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图7，表明随着沉积时间的增长，测定过程逐渐出现拉曼信号，但是有杂峰(类荧光峰)出现。
实施例5
碱性除油：配置na2co3(5wt％)的溶液的100ml溶液，将一批3cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，超声60min。
草酸蚀刻：将除油后钛板用清水冲洗干净浸入草酸(10wt％)溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻8h后取出清洗干净备用。
化学生长银纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、硝酸银(10g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.4vol％)，20℃下分别沉积30秒、3分钟和10分钟，取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
测试过程：将1×10-6mr6g溶液配置好放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图8，表明沉积时间增长，拉曼信号增强，但信号区分度不令人满意。
实施例6
碱性除油：配置na2co3(5wt％)的溶液的100ml溶液，将一批3cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，超声60min。
草酸蚀刻：将除油后钛板用清水冲洗干净浸入草酸(10wt％)溶液中控制溶液温度为98℃，蚀刻8h后取出清洗干净备用。
化学生长银纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、硝酸银(10g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.4vol％)，50℃下分别沉积30秒、3分钟和10分钟，取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
测试过程：将1×10-6mr6g溶液配置好放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的银纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，结果见图9，表明沉积时间增长，拉曼信号增强。沉积10分钟得到的钛基底表面微观形貌见图10，银呈纳米球状均匀分布在钛基底上。
实施例7
碱性除油：配置na2co3(5wt％)的溶液的100ml溶液，将一批3cm×3cm×0.5cm钛基板浸入溶液中，超声60min。
草酸蚀刻：将除油后钛板用清水冲洗干净浸入草酸(10wt％)溶液中控制溶液温度到98℃蚀刻8h后取出清洗干净备用。
化学生长金银纳米球：将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(8g/l)、硝酸银(10g/l)、氯金酸(1g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.4vol％)，20℃下沉积3分钟后取出清洗干净，氮气吹干，即制备得到金银纳米球负载的钛基增强拉曼基底。
测试过程：将1×10-6mr6g溶液配置好放置均匀后，取少量培养皿中，将制备好的金银纳米球负载的钛基增强拉曼基底放入培养皿中，静置30分钟后取出放干。在波长为785nm的激光下进行拉曼散射光谱的呈现，同样能够获得r6g的拉曼增强信号。
实施例8
钛板在质量浓度5％的氢氧化钠溶液中浸泡2h，取出冲洗干净，放入质量浓度20％的草酸溶液中，98℃反应5h，取出冲洗干净备用。
将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(40g/l)、硝酸铜(50g/l)、柠檬酸(30g/l)、硝酸(0.1vol％)，60℃下沉积30s，取出清洗干净，氮气吹干待用，即制备得到铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底，经过sem和同实施例1对r6g的测定发现，铜纳米球均匀分布在钛基底上，且能够实现拉曼光谱增强。
实施例9
钛板在质量浓度4％的氢氧化钠及2％碳酸钠混合溶液中浸泡4h，取出冲洗干净，放入质量浓度25％的草酸溶液中，98℃反应5h，取出冲洗干净备用。
将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(30g/l)、硝酸银(20g/l)、柠檬酸(1g/l)、盐酸(1vol％)，0℃下沉积2h，取出清洗干净，氮气吹干待用，即制备得到银纳米球负载的钛基增强拉曼基底，经过sem和同实施例1对r6g的测定发现，银纳米球均匀分布在钛基底上，且能够实现拉曼光谱增强。
实施例10
钛板在质量浓度4％的氢氧化钠及4％碳酸钠混合溶液中超声浸泡30min，取出冲洗干净，放入质量浓度15％的草酸溶液中，98℃反应4h，取出冲洗干净备用。
将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(40g/l)、氯金酸(1g/l)、柠檬酸(20g/l)、硫酸(0.1vol％)，0摄氏度沉积30s，取出清洗干净，氮气吹干待用，即制备得到金纳米粒子负载的钛基增强拉曼基底，经过sem和同实施例1对r6g的测定发现，金纳米粒子均匀分布在钛基底上，且能够实现拉曼增强。
实施例11
碱性除油和草酸蚀刻步骤同实施例2；
将前处理好的钛板浸没于配置好的化学沉积液中，其中包括氟化铵(20g/l)、无水硫酸铜(20g/l)、柠檬酸(30g/l)、硫酸(0.3vol％)，0℃下沉积2h，取出清洗干净，氮气吹干待用，即制备得到铜纳米球负载的钛基增强拉曼基底。按照实施例1的测定方法发现，铜纳米球均匀分布在钛基底上，且能够实现拉曼增强，拉曼强度信号见图11。
经过大量的实验表明，当化学沉积液组成包括5～40g/l氟化铵、1～50g/l金属盐、5～30g/l柠檬酸和0.1～1vol％的强酸时，0～60℃下沉积30s～2h，能够调控基底表面粒子蚀刻速率和三价钛离子的扩散速度，进而使得金属粒子还原反应在基底表面附近溶液发生，最终金属纳米粒子在溶液中聚集生长在钛表面的蚀刻点处，实现了金属元素以纳米粒子的形式负载在钛基底表面。
实施例12
采用实施例6中沉积时间为10分钟制备的拉曼基底进行测试。将拉曼基底分别放入承装有配置好的1×10-8m的对氨基苯硫酚溶液、1×10-8m的对巯苯甲酸溶液、1×10-6m的尿酸和溶液1×10-14m的苦味酸溶液中静置30分钟后取出，放干后进行拉曼信号测试，测量结果见图12～15。可见，均具有良好的拉曼信号，即可以通过该基底对这类物质进行检测。
通过大量实验发现，本发明制备得到的钛基底能够实现对多种物质的检测，包括任一种能够产生拉曼散射光谱的物质。
对照例1
当化学沉积液中无氟化铵时，其他操作参数和实施例3一致，结果发现无法实现化学沉积作用，得不到金属纳米粒子负载的钛基底。
当化学沉积液中无柠檬酸时，其他操作参数和实施例3一致，结果发现，沉积出的银颗粒分布不均匀，且形状非纳米球体。经过测试发现，在基底上取不同点对1×10-6mr6g分子进行拉曼检测，发现仅有少数位点可以呈现出较高的拉曼信号效果，而多数测试点无法呈现分子的拉曼谱图。
对照例2
当化学沉积液中氟化铵的浓度大于40g/l，其他操作参数和实施例3一致，结果发现，蚀刻反应过快，导致金属粒子过速沉积在基底表面，沉积效果不够牢固且金属纳米粒子分布不够致密，经过简单冲洗即可脱落。稳定性极差。而本发明方法通过对基底表面粒子蚀刻速率和三价钛离子的扩散速度进行调控(通过控制化学沉积液中各组分浓度以及沉积温度时间等)，使得金属粒子还原反应在基底表面附近溶液发生，金属纳米粒子在溶液中聚集生长在钛表面的蚀刻点处，实现了金属元素以纳米粒子(例如纳米球、纳米花)的形式负载在钛基底表面，极大改善了表面增强拉曼的效果，得到了信号更稳定、拉曼增强效果更优异的增强拉曼基底。纳米粒子与钛基底连接更加牢固，简单冲洗无法洗去。
当强酸浓度大于1vol％时，其他操作参数和实施例3一致，过量强酸会导致化学蚀刻作为主导的反应，而无法实现化学沉积，金属颗粒全部在溶液中被还原，溶液颜色变为浑浊，且悬浊液并逐渐聚集沉积，无法制备得到能够有效实现拉曼散射增强的基底。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
1.一种制备表面原位生长金属纳米粒子的钛基底的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：将经过预处理的钛基底浸入化学沉积液中沉积一段时间，取出后清洗、干燥即可制备得到表面原位生长金属纳米粒子的钛基底，其中，所述化学沉积液的组分包括5～40g/l氟化铵、1～50g/l金属盐、5～30g/l柠檬酸和0.1～1vol％的强酸，其中，所述金属盐包括金、银、铜的硝酸盐、氯化物、硫酸盐中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述化学沉积的温度为0～60℃，时间为30s～2h。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述强酸包括盐酸、硫酸或硝酸中的任一种或几种。
4.根据权利要求1～3任一所述的方法，其特征在于，所述经过预处理的钛基底的预处理的方式包括：将钛板在碱性溶液中除油，取出进行清洗后，再浸入在草酸溶液中蚀刻。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碱性溶液包括氢氧化钠溶液或碳酸钠溶液中的一种或两种。
6.根据权利要求4或55所述的方法，其特征在于，所述蚀刻是在60～100℃下蚀刻3～8h。
7.权利要求1～6任一所述的方法制备得到的表面原位生长金属纳米粒子的钛基底。
8.权利要求7所述的表面原位生长金属纳米粒子的钛基底或权利要求1～6任一所述的方法在物质检测领域的应用。
9.一种利用拉曼光谱检测物质的方法，其特征在于，所述方法利用权利要求7所述的表面原位生长金属纳米粒子的钛基底进行检测。
10.根据权利要求10所述的检测有机物的方法，其特征在于，所述物质包括对氨基苯硫酚、对巯苯甲酸、罗丹明6g、尿酸或苦味酸中任一种。
技术总结