技术领域：
本发明涉及石墨烯及拉曼增强衬底领域，具体为一种基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底及制备方法，适于染料分子快速拉曼检测。
背景技术：
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表面增强拉曼散射(surfaceenhancedramanscattering，sers)技术是一种表征分子振动能级的分析技术。sers具有分析速度快(仅需几秒到几分钟)，分析灵敏度高的特点，在物理学、化学、生物学中具有重要的地位，在小分子探测、表面科学研究、生物分子检测，食品安全等领域具有重要应用。sers的产生在大多数情况下必须使用贵金属(通常是au,ag等)纳米材料作为信号增强衬底。贵金属纳米材料不仅价格昂贵之外，而且制作程序比较复杂，不同贵金属拉曼增强衬底的增强效率差别比较大。同时，金属纳米颗粒制备及后续处理过程会污染环境及对人类和其它生物健康造成潜在威胁。因此，寻找性能更佳，环境友好，成本低廉的表面拉曼增强衬底材料至关重要。
2004年，英国曼彻斯特大学科学家首次从高定向热解石墨中通过机械剥离的方法获得了具有单原子层厚度的石墨片，即石墨烯。2011年，北京大学的团队以机械剥离的单晶石墨烯作为表面拉曼增强的衬底材料，成功的探测到荧光分子的拉曼峰，说明石墨烯可以应用在拉曼增强方面。然而，机械剥离法制备的石墨烯面积比较小，层数不易控制，且拉曼增强效率仍待提高。纳米晶石墨烯薄膜层数均一，尺寸及形状可控，更为重要的是纳米晶石墨烯薄膜存在高密度晶界，使其具有极强吸附能力，有望进一步提高石墨烯与探测分子的相互作用，从而提升拉曼增强效率。实验结果也进一步证明，纳米晶石墨烯拉曼增强衬底探测极限更高，而且这种基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底更易制作，成本远低于贵金属拉曼增强衬底。
技术实现要素：
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本发明的目的在于提供一种基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底及制备方法，解决目前研究中拉曼增强衬底成本高，制作程序比较复杂，增强效率低和差别大的问题。
本发明的技术方案是：
一种基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底，衬底为纳米晶石墨烯置于基底表面形成的复合衬底，衬底与基底靠范德华力结合，纳米晶石墨烯层数为1～10层，晶畴尺寸为1nm～100nm。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，衬底具体制备步骤如下：
(1)清洗基底，去除基底表面的杂质和有机物；
(2)将纳米晶石墨烯置于基底表面，获得纳米晶石墨烯拉曼增强衬底；
(3)将纳米晶石墨烯拉曼增强衬底浸入需要探测分子的溶液一段时间后取出，在温和保护性气体吹干；
(4)对步骤(3)中的样品做拉曼表征。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，位于纳米晶石墨烯下面的基底为无机衬底，具体为：sio2/si基底、二氧化硅、蓝宝石、玻璃中的任意一种。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(1)中，清洗方法为等离子清洗或使用食人鱼溶液清洗。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(2)中，在对纳米晶石墨烯操作时采用高分子聚合物作为保护层，转移完后用有机溶剂将保护层去除，高分子聚合物为松香、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上，有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(3)中，温和保护性气体为氮气、惰性气体或二者混合气体。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(3)中，需要探测分子为荧光染料分子，具体为rhb、mb、r6g、cupc、ppp、cvr分子中的一种或两种以上，需要探测分子配成摩尔浓度为10-5～10-11m的水溶液。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(3)中，浸入需要探测分子溶液的时间为5分钟至3小时。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，步骤(4)中，拉曼表征所用激光波长为532nm、633nm或785nm，激光功率为0.1～1mw。
所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，纳米晶石墨烯与基体之间靠范德华力结合，构成拉曼增强衬底。
本发明的设计思想是：
石墨烯晶界由5、7元环为代表的拓扑缺陷组成，其活性高、易于吸附。而纳米晶石墨烯具有极高的晶界密度，更易吸附小分子。因此，基于纳米晶石墨烯拉曼增强衬底，相比于其它石墨烯基拉曼增强衬底具有更高的探测极限。
本发明的优点及有益效果是：
1.本发明提出一种新的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底，对于荧光染料的最高探测极限可达10-11m，性能优于目前大多数拉曼增强衬底。
2.本发明提出的基于纳米晶石墨烯拉曼增强衬底制作简单，成本低，可批量生产。
3.本发明提出的基于纳米晶石墨烯拉曼增强衬底制作过程无需纳米颗粒，不会破坏环境或对生物造成潜在健康威胁。
附图说明：
图1为基于纳米晶石墨烯拉曼增强衬底在不同浓度rhb溶液浸泡3h后的拉曼增强信号曲线。图中，横坐标ramanshift代表拉曼位移(cm-1)，纵坐标intensity代表相对强度(a.u.)。
图2：a图为基于纳米晶石墨烯拉曼增强衬底在浓度为10-7m的rhb溶液浸泡1h后的拉曼增强信号曲线。b图为a图样品放置10天后的拉曼增强信号曲线。c图为a图样品放置2月后的拉曼增强信号曲线。图中，横坐标ramanshift代表拉曼位移(cm-1)，纵坐标intensity代表相对强度(a.u.)。
具体实施方式：
在具体实施过程中，本发明将纳米晶石墨烯薄膜与基底复合，得到一种拉曼增强衬底，将所制备的拉曼增强衬底浸泡于需要检测分子的溶液中一段时间，取出并用温和保护性气体吹干，通过激光拉曼仪器，可以测得被检测分子的拉曼增强信号。该方法的具体步骤如下：
(1)清洗基底，去除基底表面的杂质和有机物；
采用的清洗方法可以为等离子清洗或使用食人鱼溶液(piranha溶液)清洗。采用的基底为无机衬底，具体为：sio2/si基底、二氧化硅、蓝宝石或玻璃中的任意一种。
(2)采用高分子聚合物作为保护层，将纳米晶石墨烯放置到基底上，然后采用有机溶剂去除高分子聚合物保护层，获得纳米晶石墨烯拉曼增强衬底；
所述高分子聚合物为松香、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上。所述去除高分子聚合物保护层的有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
(3)将纳米晶石墨烯拉曼增强衬底浸入需要探测分子的溶液5分钟至3小时后取出，在温和保护性气体吹干；
采用的温和保护性气体为氮气或惰性气体或二者混合气体。需要探测分子为荧光染料分子，具体为rhb(罗丹明b)、mb(亚甲基蓝或甲基蓝)、r6g(罗丹明6g)、cupc(酞菁铜)、ppp(原卟啉)、cvr(结晶紫)分子中的一种或两种以上。
(4)对步骤(3)中的样品做拉曼表征；
拉曼表征所用激光波长为532nm、633nm或785nm，激光功率为0.1～1mw。
本发明得到的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底，纳米晶石墨烯层数为1～10层，晶畴尺寸为1nm～100nm，成分均一。
下面，通过实施例和附图进一步详述本发明。
实施例1
选取sio2/si作为基底，使用食人鱼溶液清洗基底，去除基底表面的杂质和有机物。用旋涂法在纳米晶石墨烯表面涂覆聚甲基丙烯酸甲酯保护层，厚度200nm，将该聚甲基丙烯酸甲酯保护层/纳米晶石墨烯复合膜放置到基底上，然后使用丙酮在50℃条件下去除纳米晶石墨烯薄膜表面的聚甲基丙烯酸甲酯保护层，获得纳米晶石墨烯拉曼增强衬底。将获得的纳米晶石墨烯拉曼增强衬底浸入r6g分子的水溶液(摩尔浓度为10-9m)1h后取出，在温和氮气气氛吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw，选择50倍物镜，在拉曼光谱中可以看到明显的r6g分子信号。
实施例2
按照实施例1制作拉曼增强衬底，之后取rhb分子，在水中溶解，配成三种不同摩尔浓度(10-5,10-7,10-9m)的水溶液，将纳米晶石墨烯拉曼衬底增强浸入水溶液中1h，之后取出在温和氮气气流中吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw。选择50倍物镜，比较不同浓度的rhb水溶液拉曼增强效果，随着浓度的降低，对rhb分子的探测灵敏度会降低。
实施例3
按照实施例1制作拉曼增强衬底，之后取rhb分子，在水中溶解，配成摩尔浓度为10-7m的水溶液，将纳米晶石墨烯拉曼增强浸入水溶液中3h，之后取出在温和氮气气流中吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw。选择50倍物镜，在当天、10天后、2月后进行拉曼表征，均能探测到明显的rhb拉曼信号，证明纳米晶石墨烯拉曼衬底具有良好的稳定性。
实施例4
按照实施例1制作拉曼增强衬底，之后取mb分子，在水中溶解，配成摩尔浓度为10-7m的水溶液，将纳米晶石墨烯拉曼增强浸入水溶液中1h，之后取出在温和氮气气流中吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw，选择50倍物镜，在拉曼光谱中可以看到明显的mb分子信号。
实施例5
按照实施例1制作拉曼增强衬底，之后取ppp分子，在水中溶解，配成摩尔浓度为10-7m的水溶液，将纳米晶石墨烯拉曼增强浸入水溶液中1h，之后取出在温和氮气气流中吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw，选择50倍物镜，在拉曼光谱中可以看到明显的ppp分子信号。
实施例6
按照实施例1制作拉曼增强衬底，之后取rhb分子，在水中溶解，配成摩尔浓度为10-11m的水溶液，将纳米晶石墨烯拉曼增强浸入水溶液中3h，之后取出在温和氮气气流中吹干。将拉曼增强衬底进行拉曼表征，激光波长选取532nm，激光功率为0.2mw，选择50倍物镜，在拉曼光谱中可以看到明显的rhb分子信号。
如图1所示，本发明探测rhb分子信号时，随着rhb水溶液浓度降低，对rhb分子的探测灵敏度会降低。
如图2所示，在当天，10天后，2月后进行拉曼表征，均能探测到明显拉曼信号，证明纳米晶石墨烯拉曼衬底具有良好的稳定性。
上述结果表明，本发明具有制作工艺简单，容易实现，灵敏度高，成本低，可批量化生产，制作过程的环境友好、无需纳米颗粒，不会破坏环境或对生物造成潜在健康威胁等特点。从而，在小分子探测、表面科学研究、生物分子检测、食品安全等领域具有重要应用。
1.一种基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底，其特征在于，衬底为纳米晶石墨烯置于基底表面形成的复合衬底，纳米晶石墨烯层数为1～10层，晶畴尺寸为1nm～100nm。
2.根据权利要求1所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，衬底具体制备步骤如下：
(1)清洗基底，去除基底表面的杂质和有机物；
(2)将纳米晶石墨烯置于基底表面，获得纳米晶石墨烯拉曼增强衬底；
(3)将纳米晶石墨烯拉曼增强衬底浸入需要探测分子的溶液一段时间后取出，在温和保护性气体吹干；
(4)对步骤(3)中的样品做拉曼表征。
3.根据权利要求1所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，位于纳米晶石墨烯下面的基底为无机衬底，具体为：sio2/si基底、二氧化硅、蓝宝石、玻璃中的任意一种。
4.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，清洗方法为等离子清洗或使用食人鱼溶液清洗。
5.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，在对纳米晶石墨烯操作时采用高分子聚合物作为保护层，转移完后用有机溶剂将保护层去除，高分子聚合物为松香、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯之一种或两种以上，有机溶剂为酮类、氯代烃、卤代烃、芳烃类试剂之一种或两种以上。
6.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，温和保护性气体为氮气、惰性气体或二者混合气体。
7.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，需要探测分子为荧光染料分子，具体为rhb、mb、r6g、cupc、ppp、cvr分子中的一种或两种以上，需要探测分子配成摩尔浓度为10-5～10-11m的水溶液。
8.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，浸入需要探测分子溶液的时间为5分钟至3小时。
9.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，步骤(4)中，拉曼表征所用激光波长为532nm、633nm或785nm，激光功率为0.1～1mw。
10.根据权利要求2所述的基于纳米晶石墨烯的拉曼增强衬底的制备方法，其特征在于，纳米晶石墨烯与基体之间靠范德华力结合，构成拉曼增强衬底。
技术总结