基于磁性诱导限域自组装的高性能SERS基底可控制备方法研究

SERS is a sensitive and label-free detection technique, which meets the needs of the rapid in-situ detection in the fields of antiterrorism, environment monitoring and food safety. The bottleneck of its wide-spread application is the large-area, uniform, and controllable SERS substrates fabrication. The SERS substrates fabricated by the micro/nano machining costs so much. And the hotspots of the metallic colloid particles are unrepeatable. Aiming at these fabrication problems, this project proposes a SERS substrate fabrication method based on the magnetic-induce area-confined self-assembly. Several small compartmentations are separated on a large-area substrate. The magnetic noble metal particles are assembled in these compartmentations to construct a uniform layer. It can not only meet the SERS measure requirements, but also lower the manufacturing difficulty. The confined area also combines with the magnetic-induce technique to improve the controllability of the particles self-assembly. The project pays attention to the electromagnetism field coupling and enhancement mechanism of the self-assembled substrate, cross-scale self-assembly, the controllability of the SERS substrate constructed by magnetic particles. In this project, the key problems in the high-performance SERS substrate fabrication process will be solved. These basic problems include: structure design, geometric parameters optimization, particles assembly, SERS characterization, and etc. This project will provide reliable detection proposal and key technique support for the SERS-based in-situ bio-chemical sensing.

SERS技术是一种高灵敏、非标记的检测手段，满足生化反恐、环境监测和食品安全等领域对现场快速检测手段的迫切需求。目前，制约SERS技术广泛应用的瓶颈在于大面积均匀SERS基底的可控制备。采用微纳加工方法制备的基底成本过高，而金属溶胶基底的热点难以重复。针对上述问题，项目提出一种基于磁性诱导限域自组装的SERS基底制备方法。在大面积基底上分隔出多个小区域，并在限定的小区域内进行自组装，构建均匀的颗粒排列。既能够满足SERS检测的要求，又可以降低颗粒自组装的工艺难度。同时，将限定区域与磁性诱导相结合，可以提高颗粒自组装的可控性。项目拟重点围绕颗粒自组装SERS基底的电磁场耦合与增强机理，跨尺度自组装，磁性颗粒自组装构建SERS基底可控性等科学问题展开研究。重点解决SERS基底的结构设计、参数优化、颗粒组装、测试表征等关键问题，为我国基于SERS技术的生化传感提供可靠检测方案和关键技术支撑。

1 近年来，重大传染疾病、环境污染、食品药品安全等问题日渐凸显，严重威胁人类的生命安全和身体健康，造成了极大的社会恐慌和难以估算的经济损失。及时有效的生化检测，可以为后续处理提供可靠的支撑，挽救人民的生命和财产安全，维持社会稳定，减少人员和经济的损失。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering，SERS）技术是一种新兴的光谱检测技术，能够表征物质的本征谱，检测灵敏度高，适用于现场实时生化检测。目前，制约SERS技术广泛应用的瓶颈是高性能SERS基底的可控制备。项目利用磁性诱导限域自组装制备高性能SERS基底，主要研究SERS基底的结构设计、参数优化、颗粒组装、测试表征等关键问题。项目利用电磁场仿真的方法分析了SERS热点的产生机理和位置分布，同时研究了颗粒尺寸、材质、入射光波长、排列方式等一系列参数对结构SERS性能的影响规律，为后续金属纳米结构等离子体特性研究提供了“手册”式支撑。项目改进了磁性纳米颗粒的合成方法，获得了分散性高、形貌可控、操控简单的磁性金属颗粒，并且利用外部磁力控制的方法诱导颗粒在限域坑内自组装构建SERS基底。在满足SERS检测要求的基础上（增强因子达到107），降低SERS基底制备的工艺难度，提高基底的均匀性和可重复性。在上述研究基础上，项目研究了颗粒自组装SERS基底的电磁场耦合与增强机理，跨尺度自组装，磁性颗粒自组装构建SERS基底可控性等科学问题。基于SERS的现场检测技术在多个领域都拥有广阔的应用前景，项目研究成果将在生化反恐、重大传染病检测、环境监测、食品安全等领域中发挥作用，对提升我国高灵敏生化检测技术水平具有重要意义。