CN101529229B

CN101529229B - 可控的表面增强拉曼光谱

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Publication number: CN101529229B
Application number: CN2007800283704A
Authority: CN
Inventors: A·布雷特科夫斯基; D·斯图尔特
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2006-07-25
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: WO2008013683A2; US7528948B2; WO2008013683A3; JP5118697B2; US20080024776A1; EP2044419A2; CN101529229A; JP2009544967A

Abstract

一种用于促进表面增强拉曼光谱(SERS)的装置及相关方法。该装置包括：SERS活性结构(102)，其附近布置有多个分析物分子(A)；致动装置(112)，与SERS活性结构(102)可致动联络，以便当分析物分子(A)置于SERS活性结构(102)附近时，使SERS活性结构(102)变形。SERS活性结构(102)的变形改变从分析物分子(A)拉曼散射的辐射的强度。

Description

可控的表面增强拉曼光谱

技术领域

本发明涉及拉曼光谱。更特别的，本发明涉及表面增强拉曼光谱(SERS)，其中SERS活性结构被用于增强置于其邻近的或被其吸附的分析物分子的拉曼信号。

背景技术

拉曼光谱是一种用于实施化学分析的技术。高强度的单色光，例如由激光器提供的，被导向至用于化学分析的分析物分子(或样品)。多数入射光子被分析物分子弹性散射，其中，散射光子具有与入射光子相同的能量(和，因此相同的频率)。这种弹性散射称为瑞利散射，弹性散射的光子和辐射分别称为瑞利光子和瑞利辐射。然而，小部分的光子(例如10⁷个光子中的约1个)被分析物分子非弹性散射。这些非弹性散射的光子具有与入射光子不同的频率。这种光子的非弹性散射称为拉曼效应。非弹性散射光子可具有比入射光子更高的频率，或者更典型地，更低的频率。

当入射光子同一个分子相撞时，能量可从光子转移到分子上，或从分子转移到光子上。当能量从光子转移到分子上时，具有降低的能量和相应的降低的频率的散射光子将从样品出现。拉曼光谱中通常称这些降低能量的拉曼散射光子为斯托克斯辐射。一小部分的分析物分子已经处于能量激发态。当入射光子与已经被激发的分子相撞时，能量可从分子转移到光子上，具有升高的能量和相应的升高的频率的光子将从样品出现。拉曼光谱中通常称这些升高能量的拉曼散射光子做反斯托克斯辐射。

斯托克斯和反斯托克斯辐射由探测器进行检测，例如光电倍增管或波长色散谱仪，它们将撞击光子的能量转换为电信号。电信号的特征至少部分地为撞击光子的能量(或波长，频率，波数等)和单位时间撞击光子的数量(强度)的函数。探测器产生的电信号能够用于生成作为被测拉曼信号(即斯托克斯和反斯托克斯辐射)的频率的函数的强度光谱图。对应于具体分析物的独特的拉曼光谱的获得，可以通过相对于非弹性散射拉曼光子的频率，或者等价且更普通的，它们的波数，单位是厘米分之一，绘制出它们的强度。该独特的拉曼光谱能够被用于多种目的，例如识别分析物，识别分析物中的原子和分子的化学状态或键连，以及测定分析物的物理和化学特性。拉曼光谱能够被用于分析单分子物质或不同分子物质的混合物。此外，拉曼光谱能够应用于大量不同类型的分子结构，例如结晶或非结晶态的有机或无机分子。

光子的分子拉曼散射是个微弱的过程。因此，功率强大的、昂贵的激光器光源代表性地被用于产生高强度激发辐射以增强用于检测的微弱的拉曼信号。表面增强拉曼光谱(SERS)是相对于具有数量相同的分析物分子的试样的非SERS拉曼光谱来说，允许从分析物中产生更强的拉曼信号的技术。在SERS中，分析物分子被吸附在激活的金属表面或结构上，或置于其邻近处，激活的金属表面或结构本文中称为SERS活性结构。分子和表面之间的相互作用使得拉曼信号的强度增强。多种SERS活性结构被用于SERS技术，包括电解池中的激活电极，激活金属胶体溶液，和激活金属基底例如形成在基底上的粗糙化的金属表面或金属岛状物。例如已知的，将分析物分子吸附在由银或金制成的特别粗糙化的金属表面上，或其邻近处，能够以在10³到10⁶之间的因子增强拉曼散射的强度。

如在此处所用的，SERS活性材料指的是金属材料(或其他可以找到的具有类似效果的材料)，其分布在基底上以形成SERS活性结构。如在此处SERS活性材料的上下文中所用的，纳米区指的是SERS活性材料的任何特定的局部化区域，例如SERS活性材料的岛状物，SERS活性材料的胶体微粒，或其他局部化的片段，例如可能与不同地成形的表面的特定的表面凸起或部分相关联。因此，任何特定的SERS活性结构都包括SERS活性材料(可以为均匀地成形的，或形状高度非均匀且不规则的)的纳米区的图案化排列(可以是随机的，伪随机的，或规则的)。

虽然电磁增强和化学增强等理论在文献中都已经阐述了，但SERS中展示的拉曼信号增强机制还没有完全被了解。经验地，已观察到对于任何特定波长的拉曼散射光子的强化仅仅发生于由SERS活性材料形成的、尺寸从1nm到几百纳米变化的某些局部化结构、凸起或凹陷附近(即，SERS活性材料纳米区的某些特定样式/形状附近)的分析物分子，称为热点。特定的热点的存在可能容易随着多种条件中的任意条件的甚至小变化而发生变化，这些条件包括：SERS活性纳米区的局部样式/形状，一个或多个分析物分子相对于该区域的位置，一个或多个分析物分子的类型，SERS活性材料的类型，以及入射光的波长。由于这种易变性，如果能提供这样一种SERS系统是非常可取的，其中可以对更多种类的分析物分子，以及对入射波长、系统材料和与分子感测过程相关的其它现场条件的更大变化，增加拉曼强化。在阅读本公开内容后，出现的其它问题对本领域技术人员而言是显而易见的。

发明内容

在一个实施例中，提供了一种用于促进表面增强拉曼光谱(SERS)的装置，包括：SERS活性结构，在其附近放置有多个分析物分子，以及致动装置，与SERS活性结构可致动联络，以便当分析物分子放在SERS活性结构附近时，使SERS活性结构变形。SERS活性结构的变形改变从分析物分子拉曼散射的辐射的强度。

同样提供了一种用于促进表面增强拉曼光谱的方法，其中接收多个分析物分子，用于附着在SERS活性结构附近。该方法进一步包括使所接收的分析物分子附近的SERS活性结构变形，从而改变从分析物分子拉曼散射的辐射的强度。

还提供了一种在表面增强拉曼光谱中使用的装置，包括用于使其上放置有多个分析物分子的SERS活性结构变形以改变从分析物分子拉曼散射的辐射的强度的装置。

附图说明

图1为根据一实施例的表面增强拉曼光谱(SERS)系统，其包括用于促进SERS的装置；

图2A-2E为根据一实施例的处于不同形变量下的SERS活性结构；

图3为与图2A-2E所示SERS活性结构相关的拉曼光谱示意图；

图4为根据一实施例的SERS活性结构的侧面剖视图；

图5为SERS活性结构在一定量的凹形形变情况下的侧面剖视图；

图6为根据一实施例的用于促进SERS的装置，使SERS活性结构发生机械致动的变形；

图7为根据一实施例的用于促进SERS的装置，使SERS活性结构发生静电致动的变形；

图8为根据一实施例的用于促进SERS的装置，使SERS活性结构发生气动致动的变形；和

图9为根据一实施例的用于促进SERS的装置，使SERS活性结构产生机械致动的平面内膨胀和/或收缩。

具体实施方式

图1为根据一实施例的表面增强拉曼光谱(SERS)系统100，包括用于促进SERS的装置。SERS系统100包括：SERS活性结构102，分析物分子“A”位于其上；辐射光源106和探测器108。辐射光源106提供强单色光束“S”，其单色光谱114在图1中示出为强度对波数的绘图。光束“S”典型的具有约1μm-5μm的光点大小。典型的，辐射光源106发出的波长范围可从大约350nm到大约1000nm。

从分析物分子“A”和SERS活性结构102形成的辐射“R”包括反射和/或瑞利分量116以及拉曼分量118。探测器108光学的滤除反射和/或瑞利分量116，并且探测入射波长附近的每个波长的拉曼散射辐射118的强度。典型的，处理器110控制辐射光源106和探测器108，接收探测器的读数以产生拉曼光谱读出，然后其波峰值和波谷值用于分析分析物分子“A”。拉曼光谱读出通常作为强度相对于拉曼位移的绘图呈现，拉曼位移被定义为光源和拉曼散射辐射的波数之差v_R。对于化学分析目的有意义的波峰值和波谷值通常是对于在500cm^-1-2000cm^-1范围内的拉曼位移，这对于典型的1000nm波长的光源将与波长范围在1050nm-1250nm的拉曼散射光子相对应。

SERS活性结构102包括基底103，在基底103上具有SERS活性材料纳米区105的图案化排列104。为了描述本申请范围内的SERS活性材料纳米区的图案化排列的多种方式，图1列举了两种排列104和104’。在排列104中，每个纳米区105是一个独立的SERS活性材料粒子。在可选择的排列104’中，基底103上覆盖有单个的粗糙化的金属层，其相邻的部分形成每个SERS活性材料纳米粒105’。在纳米粒105/105’的上下文中，需要注意此处的术语图案和排列通常关于全部三个空间维度使用，仅仅在纳米结构非常薄和平的情况下才以二维“高耸的(aerial)”图案/排列的意义使用。合适的SERS活性材料例如包括金、银、铜、铂、钯、钛和铝，以及其他表现出类似的SERS活性特性的材料。

SERS活性结构102最好通过附着受纳体或者配合体(未示出)派生化(derivatized)或者功能化，受纳体或者配合体促进特定的分析物分子紧密接近SERS活性材料纳米区105粘合。配合体可能与其他分子是排斥的或者中性的关系。配合体和分析物分子可以构成通常所称的分子的特殊对(specific pair)或者同形认同对(recognition pair)。特定的分析物分子可以包括但并不限于：生物分子例如核酸，蛋白质，激素，糖和代谢物。配合体可以包括但并不限于：抗体，受纳体和核酸。对表面功能化以便在其上附着特定分析物分子的技术已经在生物传感器和生物测定领域被广泛研究和开发，并可被采用。

典型的，拉曼散射光子从分析物分子各向同性的散射。因此，探测器108相对于光源106和SERS活性结构102的位置并不明显影响接收到的拉曼信号的强度。尽管如此，在一个实施例中，探测器108可以放置在例如相对于光源方向90度的角度，从而最小化入射到其上的反射和/或瑞利散射辐射的强度。

根据一实施例，还提供致动装置112，与SERS活性结构102可致动联络，当分析物分子“A”位于SERS活性结构102附近时，使得SERS活性结构102形变。已经发现由于热点形成和消失对于SERS活性材料纳米结构的局部排列的甚至微小变化的高敏感性，在提供的该拉曼增强的量上可以获得相当程度的控制。

图2A-2E为根据一实施例的不同形变量下的SERS活性结构102，同时图3为与SERS活性结构102相应的拉曼光谱示意图。有利的，按照一实施例，SERS活性结构102提供的增强量可以通过控制其形变量调整，并且这种调整可随着实际的分析物分子被检测而实时进行。

在图2A-2E的实施例中，SERS活性结构102经历平面外凹和凸形变。然而，可以理解，许多类型的平面外弓形、弯曲、扭曲和轮廓变化都在本教导的范围之内。同时也可以理解，SERS活性结构102的“自然的”，非致动的形状本身可以是非平面的，其中，平面外形变导致从第一非平面形状到第二非平面形状的变化。

基底103应该包括具有充分弹性的材料以获得上述的形变，同时其选择很大依赖于形变量的要求。要求很大的趋向于椭圆或者球形形状的形变时，可以使用可伸长和弹回的聚合膜。另一方面，在其他的实施例中，例如下文中参照图4-5描述的那些，形变量要求非常少，例如在1％的量级或者更少。在这些实施例中，基底103可以包括更刚性的材料例如硅、金属、III-V族半导体材料、玻璃、硬聚合物和II-VI族半导体材料中的一种或多种，优选经过处理使其具有小于几微米的厚度，然而本教导的范围并不被这样限制。

图4为根据一实施例的SERS活性结构400的示意侧面剖视图。图5为SERS活性结构400在一定形变量下的示意侧面剖视图。SERS活性结构400包括多个(通常是大量的)在基底402上形成的高纵横比的纳米线404。纳米线404和基底402可以包括，例如，硅、III-V族半导体材料或者II-VI族半导体材料，并且纳米线404可以用已知方法形成在基底402上。纳米线404的直径可以在5nm到200nm范围内，虽然其他尺寸并未超出本教导的范围。SERS活性结构400进一步包括其中具有第一分组408和第二分组410的SERS活性材料406的纳米区的排列。尽管如图4中所示，在纳米线404的整个长度上和在基底402顶部相似地沉积，在其他实施例中SERS活性材料可以使用多种方法中的任意方法仅仅形成在纳米线404的顶端，并且导致多种明确限定的，水滴状的，随机的和/或伪随机的形状中的任意形状。

根据一个实施例，纳米线404具有非常高的纵横比，优选50∶1或更高，使得基底402的相对小的形变可以引起在纳米线顶端附近存在的SERS材料纳米区的图案的非常明显的变化。相应的，在1％的量级或者更少程度的形变可以导致图案非常明显的变化，足够显著改变SERS活性结构400上的局部化热点条件。作为举例，图4中SERS材料纳米区的第二组410正适合产生热点HS1，从而通过附近的一个分析物分子(未示出)引起非弹性散射的大幅度增加。相反的，第一组408没有形成热点。然而，经过图5所示的微小形变量之后(该形变量为了便于举例而被夸大了)，SERS材料纳米区的图案出现了位移，并且现在第一组408形成热点HS2，而热点HS1消失。

可以理解图4-5的例子为了描述清楚进行了高度的简化和概括。例如，虽然纳米线404如图4所示那样沿精确的垂直方向延伸，在实际实施过程中纳米线404可能从表面向外延伸任何各种不同的角度，在相对于表面的绝对意义和彼此比较的相对意义上都是如此。此外，在实际实施过程中纳米线404通常具有一定程度的分枝，作为本领域所知的，其中单个纳米线茎有多个顶端。使用已知的方法，纳米线404的制作可以根据绝对地和/或统计上调整纳米线向外凸出角度和/或其分枝的特性的需要而改变，以获得此处描述的装置。

有利的，纳米线404的高纵横比提供了在它们的顶部产生剧烈的图案变化的能力，包括拓扑放大、拓扑缩小和拓扑消除图案变化。根据一实施例，大量各种热点产生和消失方案可以通过对纳米线404不同的长度、纵横比、间距和图案的关键选择——包括规则的、随机的、伪随机的、啁啾的等等——来实现，籍此SERS活性结构400甚至微量的可变形致动获得在提供的拉曼增强的量上显著的控制。在另一实施例中，一个或者更多的纳米线404可以包括一个或者更多的分枝，其数量和位置可以至少部分的通过已知方法控制，并且SERS活性材料的纳米区可以形成在分枝末端或者以其它方式结合在分枝结构中。以这种方式，可以提供热点产生、改变大小和消失的甚至更大范围可能性。

因此，根据一实施例，提供一种SERS活性结构，包括几何排列在多个纳米结构之上的SERS活性材料的多个纳米区，其中，纳米结构的配置和尺寸设定使得在表面凹度和表面凸度中相对小的变化，或者其他平面外形状变化，扰动SERS活性材料的纳米区的几何排列的量，足够显著改变SERS活性结构上的热点条件。因此，提供了通过控制SERS引起的拉曼信号增强的量来调节、控制和/或调整从分析物分子拉曼散射的辐射的强度的能力。

图6-9为根据一个或多个实施例的可以使用的一些不同致动配置的例子，可以理解，可使用基于各种不同致动方法的许多其他配置而不脱离本教导的范围。图6-9所示的致动配置可以用于替换图1中的致动配置，如前，来根据这些实施例获得SERS活性结构受控制的形变。图6为根据一实施例的SERS促进装置，其中具有一般刚性的基底的SERS活性结构602的凹度(或者凸度)，通过压电致动装置604在平面内方向上的移动控制。有利的，因为通常仅仅需要一个适度的形变量(例如1％的量级或更小)，基底可以包括多种不同的固体材料，甚至很多晶体材料，而不会导致形变过程中的破裂。

图7为根据一实施例的SERS促进装置，其中SERS活性结构702的凹度(或者凸度)被静电致动。金属层703附着在SERS活性结构702的基底上，金属板704附着在附近的固定表面上，在金属层703和金属板704之间施加电压，SERS活性结构702通过板间的静电力产生形变。任何其他各种类型的微电机械(MEMS)致动结构也都适用于本教导的范围。

图8为根据一实施例的SERS促进装置，其中SERS活性结构802的凹度(或者凸度)通过流体泵804气体致动。在要求SERS活性结构的形变变化率很大的情况下，气体致动的使用不如机械或者静电致动好。另外，由于在受影响的表面上引起的大致均匀的力，在期望局部化的或者空间上可变的形变力时，气体致动不如机械或静电致动好。

图9为根据一实施例的SERS促进装置，其中SERS活性结构902包括可拉伸的聚合膜，其上设置了SERS活性材料的纳米区的空间排列。SERS活性材料的纳米区的空间排列根据通过压电致动装置904和906控制的聚合膜的拉伸和/或松弛而变化，从而提供由SERS活性结构902提供的拉曼增强的量中的至少一些变化。

一般来说，如图9所示的基底在平面内的膨胀和收缩导致其上的SERS活性纳米区图案的相对精炼的变化。对于给定的致动作用量，使用基底的这种平面内的膨胀和收缩的实施例会导致较小量的对拉曼增强的可获得的控制，这是与前文所述的具有其上支撑SERS活性纳米区(或是其上的SERS活性纳米区的一部分)的高纵横比的纳米结构的基底的凹形或者凸形形变的组合比较而言。类似的评价适用于当主要为平坦或者低纵横比的纳米结构存在时，基底的凹形或者凸形形变的情况，即，SERS活性纳米区的图案变化趋向于精炼并且更不显著，这会导致较小量的对拉曼增强的可获得的控制，这是与前文所述的具有其上支撑SERS活性纳米区(或是其上的SERS活性纳米区的一部分)的高纵横比的纳米结构的基底的凹形或者凸形形变的组合比较而言。

尽管经过阅读前文描述后，实施例的许多替代或者修改对于本领域技术人员而言是显而易见的，可以理解的，通过示例描述的详细的实施例并不是为了限制。作为举例，虽然受控制的形变最好是在实时现场环境中动态的实施以改善现场结果，在其他实施例中SERS活性基底的致动形变可用在装置制造和/或校准中以改善整体的装置质量。作为另一示例，本教导可以与考虑光源辐射的更高次谐波的超拉曼光谱一起使用。

作为另一示例，多个类似或者不同的可形变SERS活性基底可以排列在一起，并共同的或者单独的致动以连同单路激光光源或者多路激光光源使用以获得任何各种目标，包括但并不限于便携性、可靠性、可再利用性、成本效率、校准可靠性和/或对不同分析物分子类型的适用性，而不脱离本教导的范围。可选择的，单个可形变的SERS活性基底可以通过多个不同的致动装置在不同的区域致动以达到上述目标而不脱离本教导的范围。可选择的，可形变的SERS活性基底的单芯片或多芯片阵列可结合到其它MEMS致动SERS系统部件中或者以其它方式结合，例如在共同受让的US2006/0055920A1中描述的可调波长的法-泊(Fabry-Perot)辐射放大结构。作为更进一步的举例，多个类似或者不同的可形变SERS活性基底可以排列在一起，并共同的或者单独的致动以连同单路激光光源或多路激光光源使用以获得任何各种目标，包括但并不限于便携性、可靠性、可再利用性、成本效率、校准可靠性和/或对不同分析物分子类型的适用性，而不脱离本教导的范围。

可选择的，单个可形变的SERS活性基底可以通过多个不同的致动装置在不同的区域致动以获得上述目标而不脱离本教导的范围。类似上述基于纳米线方案的用于SERS活性结构的基于沟槽的方案也在本教导的范围之内。因此，实施例的细节描述并不意味着对其范围的限制。

Claims

1.一种用于促进表面增强拉曼光谱(SERS)的装置，包括：

SERS活性结构(102)，在其附近设置有多个分析物分子(A)；和

致动装置(112)，与SERS活性结构(102)可致动联络，以便当所述分析物分子(A)位于SERS活性结构附近时使得SERS活性结构形变，SERS活性结构(102)的所述形变改变从分析物分子(A)拉曼散射的辐射的强度，其中

所述致动装置(112)通过改变SERS活性结构(102)在分析物分子(A)附近的表面凹度和表面凸度中的至少一个来使得SERS活性结构(102)形变，所述SERS活性结构(102)包括几何排列在多个纳米结构(404)上的SERS活性材料(406)的多个纳米区(408，410)，其中，所述纳米结构(404)的配置和尺寸设定使得表面凹度和表面凸度中的所述至少一个中的相对小的变化扰动SERS活性材料(406)的所述纳米区(408，410)的所述几何排列的量，足够改变所述SERS活性结构(102)上的多个热点条件(HS1，HS2)，从而改变从分析物分子拉曼散射的辐射的所述强度。

2.如权利要求1所述的装置，其中所述纳米结构(404)为具有至少50∶1的平均纵横比的纳米线。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述纳米线(404)的尺寸、纵横比、位置、向外凸出角度、其上的分枝数、其上的分枝位置中的至少一个是随机的、伪随机的或者啁啾的。

4.如权利要求1-3中任一项所述的装置，其中所述致动装置包括与所述SERS活性结构(102，602，902)物理接触的机械致动装置(112，604，904)和与所述SERS活性结构(702)电磁可致动联络的电磁致动装置(703，704，706)中的一个。

5.一种用于促进表面增强拉曼光谱(SERS)的方法，包括：

接收多个分析物分子(A)，用于附着在SERS活性结构(102)附近；和

使得接收的分析物分子(A)附近的SERS活性结构(102)形变，以改变从分析物分子拉曼散射的辐射的强度，

其中，所述形变包括在SERS活性结构(102，400)的表面凸度和表面凹度中的至少一个上引起相对小的变化，所述SERS活性结构(102，400)包括基底(402)，从所述基底(402)向外延伸的多个纳米结构(404)，和形成在所述纳米结构(404)上的SERS活性材料(406)的多个纳米区(408，410)，所述纳米结构(404)从所述基底(402)向外延伸的量，足够使得所述相对小的变化扰动所述纳米区(408，410)的相对几何排列的量足够改变从分析物分子(A)拉曼散射的辐射的强度。

6.一种在表面增强拉曼光谱(SERS)中使用的装置，包括用于使得其上放置有多个分析物分子(A)的SERS活性结构(102)形变来改变从分析物分子拉曼散射的辐射的强度的装置(112)，

其中所述SERS活性结构(102，400)包括：

基底(402)；和

从所述基底(402)向外延伸的多个纳米线(404)；

形成在所述纳米线(404)之上或之间的SERS活性材料(406)的多个纳米区(408，410)；

其中，所述纳米线(404)具有至少50∶1的平均纵横比，籍此所述SERS活性结构(102，400)的表面凹度和表面凸度中至少一个上的相对小的变化扰动所述纳米区(408，410)的相对几何排列的量，足够改变从分析物分子(A)拉曼散射的辐射的所述强度。

7.如权利要求6所述的装置，其中所述纳米线(404)的尺寸、纵横比、位置、向外凸出角度、其上的分枝数、其上的分枝位置中的至少一个是随机的或伪随机的。