專利名稱：基于干涉和衍射激勵的表面增強拉曼光譜檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與光譜的分析檢測技術(shù)有關(guān)，特別涉及一種能夠利用干涉和衍射方式激發(fā) 和檢測表面增強拉曼光譜的技術(shù)，進而提高表面增強拉曼散射信號的光譜檢測質(zhì)量、提高 分析檢測的靈敏度。
背景技術(shù)：
表面增強拉曼散射效應(Surface-enhancedRaman Scattering, SERS)是指樣 品拉曼信號在金屬納米結(jié)構(gòu)與材料上可獲得達IO4 IOki的增強。表面增強拉曼光譜 (Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技術(shù)發(fā)展到今天經(jīng)歷多個階段。人們對 產(chǎn)生SERS的機理進行了不斷的探討和爭論，先后提出了多種理論模型，但從總體上可分為 物理增強模型和化學增強模型。目前，被人們接受的物理增強模型之一是表面等離子體共 振(surface-plasmon resonance ；SPR)模型。良導體表面有自由活動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增強。當探針分子位于 局域增強的電場下，分子就會被SI^R激發(fā)出超強的拉曼散射。通常用于增強拉曼的基底有 電化學活化電極、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)。利用這些基底進行SERS檢測時，其激發(fā)的方式 僅僅匹配了激發(fā)光波長，在激發(fā)和信號收集的方向上沒有進一步匹配。根據(jù)有關(guān)SPR的眾多報道，能實現(xiàn)sra需要入射光的能量和動量與表面等離 子體激元的能量和動量相匹配。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、光波導耦合、近場耦合。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拉曼聯(lián)合光譜測試 儀” ZL200510016622.4，發(fā)明人徐蔚青，趙冰，徐抒平，卜鳳泉，徐翔。而光波導型耦合型 的專利為“表面增強拉曼散射活性液芯光纖及其制作方法和應用”，專利號=03111550. 0， 發(fā)明人徐蔚青，趙冰，徐抒平；“基于納米顆粒表面增強拉曼譜的光子晶體光纖微探針 傳感器，申請?zhí)?200610008177. 1，發(fā)明人楊昌喜，顧向光，陸思，閆賀，劉潔，金國藩。利 用近場耦合激發(fā)SERS的主要為廈門大學田中群和任斌進行的針尖增強拉曼散射光譜 (Tip-enhanced Raman scattering ;TERS)。國內(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)陣列的表面增強拉曼活性基底的制備方法”(申請?zhí)?00810100562. 8) 以及“有序可控的表面增強拉曼散射活性基底及其制備方法”(申請?zhí)?200910026881. 3)。 雖然這兩個專利申請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，并且拉曼光譜檢測是使入射光垂直基底進行的。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信號強度和檢測靈敏度，是基于干涉型sra增強SERS的一種新型激發(fā)和檢測方式。

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)和檢測表面增 強拉曼的方法。在周期性基底的表面等離子體共振角度下激發(fā)樣品的表面增強拉曼光譜， 提高信號的強度；并且由于周期性基底的表面等離子體特性，所發(fā)出的表面增強拉曼信號 在空間上向其共振角度集中，從而提高信號的能量密度，進而提高光信號的收集效率。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)用物理或化學的方法修飾金屬材料的膜層或 是金屬或者半導體材料等納米粒子，制備表面增強拉曼散射的基底。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?？梢圆捎玫?方法一用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長相同的激光在不同角度下入射到基底上，測量其 反射率，反射率低的角度為此基底在該波長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，測量其反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長作圖，確定反 射率低的角度，即為此基底在該波長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。此時可以有效地激發(fā)表面等離 子體波，表面等離子體波增強的電磁場會極大的提高表面增強拉曼信號的強度。5、在基底的反射共振角度附近接收拉曼信號，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耦合成遠場光并向共振角度下集中，提高了 了信號的能量密度， 因此提高了表面增強拉曼的收集效率。6、表面增強拉曼散射光譜質(zhì)量被有效提升。上述的入射共振角是激發(fā)光反射率極小值時激發(fā)光與基底的法線之間的夾角。反 射共振角是檢測拉曼光對應波長反射率極小值時檢測信號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)明的具體檢測過程敘述如下。一種基于干涉和衍射激勵的表面增強拉曼光譜檢測方法，使用具有周期性微結(jié)構(gòu) 的表面增強拉曼散射基底，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) 拉曼所用波長相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測量激光反射率，低 反射率對應的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長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，測量白光反射率，選取激發(fā)拉曼所用波 長作圖，確定低反射率的角度為基底在激發(fā)拉曼波長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。
所述的具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼散射基底，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拉曼光譜的激發(fā)和檢測方式，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 檢測表面增強拉曼光譜的方式。與已有的在無序基底上激勵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信號的發(fā)射強度，并且使SERS信 號在共振角度下集中發(fā)射，又提高了信號的收集效率，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)計的干涉型激發(fā)和檢測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)基底的光學照片。圖6是鍍銀光柵結(jié)構(gòu)基底在785nm波長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)的對巰基苯胺表面增強拉曼光譜。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度下接收的對巰基苯胺表面增強拉曼光譜
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實例對利用干涉和衍射激發(fā)的表面增強拉曼光譜技術(shù)進行 說明。實施例1結(jié)合

本發(fā)明的各種基底實施表面增強拉曼光譜的檢測具體實施方式
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 是點陣結(jié)構(gòu)(C)。其中的點陣結(jié)構(gòu)中的各個點可以是方形、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。然后將被檢測物質(zhì)，即樣品(4)，通過物理作用或是化學作 用吸附在基底金屬(1)的表面。3、測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)拉曼所用波長相同的激光在不同角度下入射到基底上，測量其反射 率，反射率低的角度為此基底在該波長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，測量其反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長作圖，確 定反射率低的角度，即為此基底在該波長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，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)的表面增強拉曼信號，檢測鏡 頭(7)與激發(fā)鏡頭(6)并用同一個鏡頭收集表面增強拉曼信號(5)。此方法適用于一般情 況，當鏡頭的數(shù)值孔徑很小且所需采集的拉曼光譜頻移很大時將不適用。圖2中方法二 激 發(fā)同方法一，接收采用一個可變接收角度的檢測器(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)。由于檢測角度可變，因此當方法一不適用時情況此方法同樣 適用，即檢測鏡頭(7)與激發(fā)鏡頭(6)是分開的。實施例2使用金屬條帶結(jié)構(gòu)基底對羅丹明6G分子進行表面增強拉曼光譜檢測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。 反射率最低點即曲線的極小值點對應的角度34度角為sra入射共振角。4、采用圖2 二中方法二測得其變角拉曼光譜。檢測器的數(shù)值孔徑(NA)很小約 0. 05，測定時使用785nm激光激發(fā)拉曼信號，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為這兩個收集角 度下的表面增強拉曼光譜，可見，不同收集角度的表面增強拉曼光譜存在一定的差異，在反 射共振角度附近光譜強度優(yōu)于非反射共振角。實施例3使用金屬條帶結(jié)構(gòu)基底對對巰基苯胺進行表面增強拉曼光譜檢測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)，其光學照片如圖5所示。然后將此基底浸泡在ICT3M的對巰基苯胺 溶液中30分鐘，沖洗晾干待用。3、測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拉曼信號，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)量優(yōu)于非入射共振角。
實施例4使用聚苯乙烯微球基底對巰基苯胺進行表面增強拉曼光譜檢測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的對巰基苯胺溶液中30分鐘，沖洗晾干待用。3、測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)其表面增強拉曼信號，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)量優(yōu)于非反射共振角。
權(quán)利要求
一種基于干涉和衍射激勵的表面增強拉曼光譜檢測方法，使用具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼散射基底，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)拉曼所用波長相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測量激光反射率，低反射率對應的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長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，測量白光反射率，選取激發(fā)拉曼所用波長作圖，確定低反射率的角度為基底在激發(fā)拉曼波長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。
2.按照權(quán)利要求1所述的基于干涉和衍射激勵的表面增強拉曼光譜檢測方法，其特征 是，所述的具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼散射基底，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的表面增強拉曼光譜檢測方法，其 特征是，所述的接收拉曼信號，采用可變接收角度的檢測器，檢測鏡頭(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的表面增強拉曼光譜檢測方法屬于光譜分析與檢測的技術(shù)領(lǐng)域。使用具有周期性微結(jié)構(gòu)的表面增強拉曼散射基底，周期尺寸范圍在0.05～50微米范圍；先用P偏振的與激發(fā)拉曼所用波長相同的激光在不同角度下入射到吸附了樣品的基底上，測量基底的激光反射率，低反射率對應的入射角為基底在激發(fā)拉曼波長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。本發(fā)明可以更加有效的激發(fā)表面等離子體，使SERS信號在共振角度下集中發(fā)射，從而提高信號的能量密度，進而提高光信號的收集效率。
文檔編號G01N21/49GK101982762SQ201010524200
公開日2011年3月2日 申請日期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 申請人:吉林大學