專利名稱：基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光譜的分析檢測(cè)技術(shù)有關(guān)，特別涉及一種能夠利用干涉和衍射方式激發(fā) 和檢測(cè)表面增強(qiáng)拉曼光譜的技術(shù)，進(jìn)而提高表面增強(qiáng)拉曼散射信號(hào)的光譜檢測(cè)質(zhì)量、提高 分析檢測(cè)的靈敏度。
背景技術(shù)：
表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)(Surface-enhancedRaman Scattering, SERS)是指樣 品拉曼信號(hào)在金屬納米結(jié)構(gòu)與材料上可獲得達(dá)IO4 IOki的增強(qiáng)。表面增強(qiáng)拉曼光譜 (Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技術(shù)發(fā)展到今天經(jīng)歷多個(gè)階段。人們對(duì) 產(chǎn)生SERS的機(jī)理進(jìn)行了不斷的探討和爭(zhēng)論，先后提出了多種理論模型，但從總體上可分為 物理增強(qiáng)模型和化學(xué)增強(qiáng)模型。目前，被人們接受的物理增強(qiáng)模型之一是表面等離子體共 振(surface-plasmon resonance ；SPR)模型。良導(dǎo)體表面有自由活動(dòng)的電子可以形象地看 作電子氣，電子氣的集體激發(fā)稱作等離子體。如果激發(fā)只局限在表面區(qū)域，就叫做表面等離 激子。光與表面等離子體耦合并發(fā)生共振，從而使金屬表面的電場(chǎng)增強(qiáng)。當(dāng)探針分子位于 局域增強(qiáng)的電場(chǎng)下，分子就會(huì)被SI^R激發(fā)出超強(qiáng)的拉曼散射。通常用于增強(qiáng)拉曼的基底有 電化學(xué)活化電極、金屬溶膠、真空蒸鍍的金屬島膜、金屬納米粒子二維組裝膜等。但是這些 方法制備的SERS基底通常均為無序結(jié)構(gòu)。利用這些基底進(jìn)行SERS檢測(cè)時(shí)，其激發(fā)的方式 僅僅匹配了激發(fā)光波長(zhǎng)，在激發(fā)和信號(hào)收集的方向上沒有進(jìn)一步匹配。根據(jù)有關(guān)SPR的眾多報(bào)道，能實(shí)現(xiàn)sra需要入射光的能量和動(dòng)量與表面等離 子體激元的能量和動(dòng)量相匹配。將光波與表面等離子體子耦合并使其發(fā)生共振，必須 使用耦合器件。按其結(jié)構(gòu)可分為棱鏡耦合、光柵耦合、光波導(dǎo)耦合、近場(chǎng)耦合。關(guān)于棱 鏡型的耦合方式激發(fā)SERS的專利為“表面等離子體共振與表面增強(qiáng)拉曼聯(lián)合光譜測(cè)試 儀” ZL200510016622.4，發(fā)明人徐蔚青，趙冰，徐抒平，卜鳳泉，徐翔。而光波導(dǎo)型耦合型 的專利為“表面增強(qiáng)拉曼散射活性液芯光纖及其制作方法和應(yīng)用”，專利號(hào)=03111550. 0， 發(fā)明人徐蔚青，趙冰，徐抒平；“基于納米顆粒表面增強(qiáng)拉曼譜的光子晶體光纖微探針 傳感器，申請(qǐng)?zhí)?200610008177. 1，發(fā)明人楊昌喜，顧向光，陸思，閆賀，劉潔，金國(guó)藩。利 用近場(chǎng)耦合激發(fā)SERS的主要為廈門大學(xué)田中群和任斌進(jìn)行的針尖增強(qiáng)拉曼散射光譜 (Tip-enhanced Raman scattering ;TERS)。國(guó)內(nèi)公布的專利中沒有關(guān)于光柵耦合型SI3R激 發(fā)SERS的專利。從已經(jīng)公開的資料看，有兩個(gè)研究組已經(jīng)開始了一些與SERS基底相關(guān)的工作，“大 面積微納樹狀結(jié)構(gòu)陣列的表面增強(qiáng)拉曼活性基底的制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?00810100562. 8) 以及“有序可控的表面增強(qiáng)拉曼散射活性基底及其制備方法”(申請(qǐng)?zhí)?200910026881. 3)。 雖然這兩個(gè)專利申請(qǐng)中均提到了利用微納加工工藝制備有序的陣列結(jié)構(gòu)，但其結(jié)構(gòu)分別為 樹狀陣列和梅花狀排列，并且拉曼光譜檢測(cè)是使入射光垂直基底進(jìn)行的。本發(fā)明正是立足 于金屬周期陣列結(jié)構(gòu)的干涉現(xiàn)象，使得入射光及發(fā)射光與表面等離子體的波矢得以匹配， 從而獲得定向的高效耦合效率，提高SERS信號(hào)強(qiáng)度和檢測(cè)靈敏度，是基于干涉型sra增強(qiáng)SERS的一種新型激發(fā)和檢測(cè)方式。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，提供了一種利用干涉和衍射現(xiàn)象激發(fā)和檢測(cè)表面增 強(qiáng)拉曼的方法。在周期性基底的表面等離子體共振角度下激發(fā)樣品的表面增強(qiáng)拉曼光譜， 提高信號(hào)的強(qiáng)度；并且由于周期性基底的表面等離子體特性，所發(fā)出的表面增強(qiáng)拉曼信號(hào) 在空間上向其共振角度集中，從而提高信號(hào)的能量密度，進(jìn)而提高光信號(hào)的收集效率。具體技術(shù)方案1、制備一維、二維或三維周期性微納結(jié)構(gòu)，尺寸范圍在微米或亞微米范圍。制備的 周期性微結(jié)構(gòu)金屬層的方法為微加工技術(shù)，包括模板法(例如以不同尺度的多孔氧化鋁模 板、多孔硅模板、以及膠體晶體等為模板)、壓印技術(shù)、電子束曝光技術(shù)、金屬剝離技術(shù)、干法 刻蝕技術(shù)等。2、在該一維、二維或三維周期性結(jié)構(gòu)用物理或化學(xué)的方法修飾金屬材料的膜層或 是金屬或者半導(dǎo)體材料等納米粒子，制備表面增強(qiáng)拉曼散射的基底。金屬指金、銀、銅、鋁等 貴金屬或過渡金屬。3、測(cè)量所述基底的變角反射光譜，確定其表面等離子體入射共振角。可以采用的 方法一用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)相同的激光在不同角度下入射到基底上，測(cè)量其 反射率，反射率低的角度為此基底在該波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角。方法二 用寬譜 帶的白光在不同角度下入射到基底上，測(cè)量其反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)作圖，確定反 射率低的角度，即為此基底在該波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角。4、用P偏振的激光在基底的入射共振角度下入射。此時(shí)可以有效地激發(fā)表面等離 子體波，表面等離子體波增強(qiáng)的電磁場(chǎng)會(huì)極大的提高表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)的強(qiáng)度。5、在基底的反射共振角度附近接收拉曼信號(hào)，反射共振角度與入射共振角大致相 同。由于表面等離子體波會(huì)耦合成遠(yuǎn)場(chǎng)光并向共振角度下集中，提高了 了信號(hào)的能量密度， 因此提高了表面增強(qiáng)拉曼的收集效率。6、表面增強(qiáng)拉曼散射光譜質(zhì)量被有效提升。上述的入射共振角是激發(fā)光反射率極小值時(shí)激發(fā)光與基底的法線之間的夾角。反 射共振角是檢測(cè)拉曼光對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)反射率極小值時(shí)檢測(cè)信號(hào)方向與基底的法線之間的夾角， 反射共振角大致與入射共振角相等。本發(fā)明的具體檢測(cè)過程敘述如下。一種基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法，使用具有周期性微結(jié)構(gòu) 的表面增強(qiáng)拉曼散射基底，周期尺寸范圍在微米或亞微米，最好在0. 05 50微米范圍；首先，用基底的變角反射光譜確定表面等離子體入射共振角用P偏振的與激發(fā) 拉曼所用波長(zhǎng)相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測(cè)量激光反射率，低 反射率對(duì)應(yīng)的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角；或者用寬譜帶 的白光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測(cè)量白光反射率，選取激發(fā)拉曼所用波 長(zhǎng)作圖，確定低反射率的角度為基底在激發(fā)拉曼波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角；其次，在吸附了樣品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振 角方向上接收拉曼信號(hào)。
所述的具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射基底，是金屬條帶光柵結(jié)構(gòu)、金屬 環(huán)狀結(jié)構(gòu)、金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)或聚苯乙烯微球有序排列的鍍有金屬的陣列結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明是一種新的表面增強(qiáng)拉曼光譜的激發(fā)和檢測(cè)方式，是利用了光的干涉和衍 射現(xiàn)象使得入射光及發(fā)射光與基底的表面等離子體的波矢相匹配，從而更加有效的激發(fā)和 檢測(cè)表面增強(qiáng)拉曼光譜的方式。與已有的在無序基底上激勵(lì)SERS的方式相比，這種可控周期的陣列金屬結(jié)構(gòu)在 共振角度下可以更加有效的激發(fā)表面等離子體，提高SERS信號(hào)的發(fā)射強(qiáng)度，并且使SERS信 號(hào)在共振角度下集中發(fā)射，又提高了信號(hào)的收集效率，總體效果使得SERS光譜質(zhì)量被有效 提尚。


圖1是本發(fā)明的幾種干涉型激發(fā)SERS的周期性金屬陣列結(jié)構(gòu)基底示意圖。圖2是本發(fā)明設(shè)計(jì)的干涉型激發(fā)和檢測(cè)SERS的裝置示意圖。圖3是本發(fā)明的聚苯乙烯微球有序排列的二維陣列結(jié)構(gòu)的掃描電鏡照片。圖4是本發(fā)明聚苯乙烯微球的表面蒸鍍金屬前后對(duì)比的原子力顯微鏡照片。圖5是本發(fā)明金屬條帶光柵結(jié)構(gòu)基底的光學(xué)照片。圖6是鍍銀光柵結(jié)構(gòu)基底在785nm波長(zhǎng)下不同角度入射的反射率曲線。圖7是羅丹明6G分子在鍍銀光柵結(jié)構(gòu)基底上不同收集角度下的SERS光譜。圖8是本發(fā)明的鍍銀光柵結(jié)構(gòu)基底在532nm波長(zhǎng)下不同角度入射的反射率曲線。圖9是以鍍銀光柵結(jié)構(gòu)為基底，用532nm激光激發(fā)，在66度角下接收，分別在45 度角和65度角下激發(fā)的對(duì)巰基苯胺表面增強(qiáng)拉曼光譜。圖10是本發(fā)明的鍍銀膜的聚苯乙烯微球單層膜基底在532rm波長(zhǎng)下的反射率曲線。圖11是以鍍銀膜的聚苯乙烯微球單層膜為基底，用532nm激光激發(fā)，在30度下激 發(fā)，分別在30和70度下接收的對(duì)巰基苯胺表面增強(qiáng)拉曼光譜
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)例對(duì)利用干涉和衍射激發(fā)的表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行 說明。實(shí)施例1結(jié)合

本發(fā)明的各種基底實(shí)施表面增強(qiáng)拉曼光譜的檢測(cè)具體實(shí)施方式
包括以下步驟1、制備一維、二維或三維周期性微納結(jié)構(gòu)，尺寸范圍在微米或亞微米范圍。制備的 周期性微結(jié)構(gòu)金屬層的方法為微加工技術(shù)，包括模板法(例如以不同尺度的多孔氧化鋁模 板、多孔硅模板、以及膠體晶體等為模板)、壓印技術(shù)、電子束曝光技術(shù)、金屬剝離技術(shù)、干法 刻蝕技術(shù)等。構(gòu)筑如圖1所示的具有周期性的環(huán)狀結(jié)構(gòu)(a)、微納米的條帶光柵結(jié)構(gòu)(b)或 是點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)(C)。其中的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)中的各個(gè)點(diǎn)可以是方形、三角形或圓形的。2、在周期性微結(jié)構(gòu)上修飾金屬(1)膜或者是其他納米結(jié)構(gòu)，例如圖3所示的聚苯 乙烯微球有序二維陣列上蒸鍍銀膜，其效果如圖4所示，得到周期性的金屬基底。與蒸鍍銀膜前比較，周期性結(jié)構(gòu)并未改變。然后將被檢測(cè)物質(zhì)，即樣品(4)，通過物理作用或是化學(xué)作 用吸附在基底金屬(1)的表面。3、測(cè)量上述基底的變角反射光譜，確定其表面等離子體共振角?？梢圆捎玫姆椒?一用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)相同的激光在不同角度下入射到基底上，測(cè)量其反射 率，反射率低的角度為此基底在該波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角。方法二 用P偏振的 寬譜帶的白光在不同角度下入射到基底上，測(cè)量其反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)作圖，確 定反射率低的角度，即為此基底在該波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角。4、采用具有P偏振的激光在基底的入射共振角度下入射，在基底的反射共振角度 附近接收拉曼信號(hào)，具體方法有兩種，如圖2所示。圖2中方法一用P偏振的激光(3)在 步驟3所確定的入射共振角度下激發(fā)基底(2)上的樣品(4)的表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)，檢測(cè)鏡 頭(7)與激發(fā)鏡頭(6)并用同一個(gè)鏡頭收集表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)(5)。此方法適用于一般情 況，當(dāng)鏡頭的數(shù)值孔徑很小且所需采集的拉曼光譜頻移很大時(shí)將不適用。圖2中方法二 激 發(fā)同方法一，接收采用一個(gè)可變接收角度的檢測(cè)器(6)，在共振角度附近接收(不同于方法 一，是在法線的另一側(cè)接收)。由于檢測(cè)角度可變，因此當(dāng)方法一不適用時(shí)情況此方法同樣 適用，即檢測(cè)鏡頭(7)與激發(fā)鏡頭(6)是分開的。實(shí)施例2使用金屬條帶結(jié)構(gòu)基底對(duì)羅丹明6G分子進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)1、用光刻或者納米壓印技術(shù)在金屬或非金屬基片上制備了周期為1. 5微米深度 為150納米的周期性條帶結(jié)構(gòu)。2、在此周期性條帶結(jié)構(gòu)上蒸鍍150nm厚的銀膜，制作成SERS基底。鍍膜后仍然具 有較好的周期光柵結(jié)構(gòu)，其光學(xué)照片如圖5所示。然后將羅丹明6G分子溶液(ΙΟ-、)滴在 周期性基底上，晾干待用。3、測(cè)量吸附了樣品的基底的P偏振的785nm激光在不同角度下的反射率，如圖6。 反射率最低點(diǎn)即曲線的極小值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度34度角為sra入射共振角。4、采用圖2 二中方法二測(cè)得其變角拉曼光譜。檢測(cè)器的數(shù)值孔徑(NA)很小約 0. 05，測(cè)定時(shí)使用785nm激光激發(fā)拉曼信號(hào)，激發(fā)功率為25mW，激發(fā)角(入射共振角)為34 度，收集角度(反射共振角附近)為36度和(非反射共振角)48度。圖7為這兩個(gè)收集角 度下的表面增強(qiáng)拉曼光譜，可見，不同收集角度的表面增強(qiáng)拉曼光譜存在一定的差異，在反 射共振角度附近光譜強(qiáng)度優(yōu)于非反射共振角。實(shí)施例3使用金屬條帶結(jié)構(gòu)基底對(duì)對(duì)巰基苯胺進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)1、用光刻或者納米壓印技術(shù)制備了周期為1. 5微米深度為150納米的周期性金屬 條帶結(jié)構(gòu)。2、在此周期性條帶結(jié)構(gòu)上蒸鍍150nm厚的銀膜，制作成SERS基底。鍍膜后仍然具 有較好的周期光柵結(jié)構(gòu)，其光學(xué)照片如圖5所示。然后將此基底浸泡在ICT3M的對(duì)巰基苯胺 溶液中30分鐘，沖洗晾干待用。3、測(cè)量此吸附了樣品的基底在不同入射角度下的P偏振的寬譜帶白光的反射率， 并選擇532nm波長(zhǎng)作圖，得到圖8，可以看出其入射共振角在19度、39度和66度附近。4、用P偏振的532nm激光激發(fā)基底上樣品的拉曼光譜。分別在45度(非入射共 振角)和65度(入射共振角)下激發(fā)，在66度角下接收其表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)，得到圖9。 從圖9中可以明顯看出在入射共振角度下激發(fā)的光譜質(zhì)量?jī)?yōu)于非入射共振角。
實(shí)施例4使用聚苯乙烯微球基底對(duì)巰基苯胺進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)1、用LB膜法制備聚苯乙烯微球單層膜(如圖3)，蒸鍍150nm厚的銀膜(如圖4)， 制成SERS基底。2、將上述基底浸泡在10_3M的對(duì)巰基苯胺溶液中30分鐘，沖洗晾干待用。3、測(cè)量此吸附了樣品的基底在不同角度下的P偏振的寬譜帶白光的反射率，并選 擇532nm波長(zhǎng)作圖，得到圖10，可以看出其入射共振角在30度附近。4、用P偏振的532nm激光激發(fā)基底上的樣品的拉曼光譜。分別在30度(反射共振 角)和70度(非反射共振角)下接收，在30度角下激發(fā)其表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)，得到圖11， 從圖11中可以明顯看出在反射共振角度下接收的光譜質(zhì)量?jī)?yōu)于非反射共振角。
權(quán)利要求
一種基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法，使用具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射基底，周期尺寸范圍在0.05～50微米范圍；首先，用基底的變角反射光譜確定表面等離子體入射共振角用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測(cè)量激光反射率，低反射率對(duì)應(yīng)的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角；或者用寬譜帶的白光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測(cè)量白光反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)作圖，確定低反射率的角度為基底在激發(fā)拉曼波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角；其次，在吸附了樣品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振角方向上接收拉曼信號(hào)。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法，其特征 是，所述的具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射基底，是金屬條帶光柵結(jié)構(gòu)、金屬環(huán)狀結(jié) 構(gòu)、金屬點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)或聚苯乙烯微球有序排列的鍍有金屬的陣列結(jié)構(gòu)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法，其 特征是，所述的接收拉曼信號(hào)，采用可變接收角度的檢測(cè)器，檢測(cè)鏡頭(7)與激發(fā)鏡頭(6) 是分開的。
全文摘要
本發(fā)明的基于干涉和衍射激勵(lì)的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法屬于光譜分析與檢測(cè)的技術(shù)領(lǐng)域。使用具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射基底，周期尺寸范圍在0.05～50微米范圍；先用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長(zhǎng)相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測(cè)量基底的激光反射率，低反射率對(duì)應(yīng)的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長(zhǎng)下的表面等離子體入射共振角；再在吸附了樣品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振角方向上接收拉曼信號(hào)。本發(fā)明可以更加有效的激發(fā)表面等離子體，使SERS信號(hào)在共振角度下集中發(fā)射，從而提高信號(hào)的能量密度，進(jìn)而提高光信號(hào)的收集效率。
文檔編號(hào)G01N21/49GK101982762SQ201010524200
公開日2011年3月2日 申請(qǐng)日期2010年10月29日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月29日
發(fā)明者徐抒平, 徐蔚青, 李海波 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)