CN102183507A - 一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种能够通过长程表面等离子体方式激励表面增强拉曼散射的光谱方法。其首先在棱镜底面构筑缓冲层、金属层和保护层，构成长程表面等离子体共振(LRSPR)装置。然后将具有多层结构的LRSPR装置置于激光光源照射下，调整激光光源入射角度达到长程表面等离子体共振角。在这一特定的入射方向下，产生长程表面等离子体共振使得金属表面的电磁场增强，从而完成对样品层内的更深区域的被检测物的表面增强拉曼散射的激励(激发)过程。因长程效应具有更深的穿透效果，使得在金属层表面构筑保护层成为可能。这样可将传感膜的材质从化学性质惰性的金、铂变成价格更为低廉、怕被氧化、增强效果更佳的银膜。这种基于长程SPR机理的SERS检测方法具有非常大的意义。

Description

一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法

技术领域

本发明属于光谱分析检测技术领域，具体涉及一种能够通过长程表面等离子体方式激励表面增强拉曼散射的光谱技术，用于提升表面增强拉曼散射信号的光谱质量、提高分析检测的灵敏度。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)是指在金属纳米材料和结构上获得增强达10⁴-10¹⁰的拉曼信号。目前，人们普遍认为SERS的物理增强主要源于表面等离子体共振(surface-plasmon resonance；SPR)。表面等离子体(Surface Plasmon，SP)实质上是与导体表面的自由电子相互作用而被捕捉在表面的光波。入射光迫使导体表面自由电子形成集体振动，当集体振动频率与入射光频率一致时形成共振，称为表面等离子体共振(SPR)。表面等离子体共振可以使金属表面的电场增强。当被检测分子位于局域增强的电场下，分子就会被表面等离子体耦合产生的增强电磁激发出较强的拉曼散射。

传统的SPR结构是在棱镜底面镀一层金属膜，形成由棱镜/金属层/样品构成的多层膜体系。共振角下，金属/样品界面的电场强度可增加10-40倍。与本专利密切相关的专利(发明专利号：ZL200510016622.4)《表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪》正是利用金属/样品界面的电场强度增加来实现SPR激励并检测SERS信号。在传统SPR激励条件下，由于表面等离子体在金属表面有较大的损耗，使得在传统SPR装置下形成的表面等离子体在金属表面传输距离相对较短。金属表面的电场强度相对较弱，获得SERS信号的效果不够理想。

在金属层与棱镜之间增加一层具有适当厚度和折射率的缓冲层，并减少金属层的厚度时，金属层两个界面上产生的表面等离子体会发生耦合，产生两个新的离子体波传播模式。其中一种新的表面等离子体波模式的模场大部分分布在金属膜外的介质层中，传播损耗相对于金属层的损耗要小，因此这种表面等离子体波模式可以传播很长一段距离，称为长程表面等离子体。当长程表面等离子体与入射光波发生共振时称为长程表面等离子体共振(Long Range Surface PlasmonResonance，LRSPR)。利用长程表面等离子体共振吸收角度随被检测物折射率变化这种特性可以制造传感器。如专利(申请号：201010239204.2，)《一种长程表面等离子体共振传感器及制备方法》即是利用长程表面等离子体共振吸收角度随被检测物折射率变化来检测物质在表面的吸附状况的。相对于由棱镜/金属层/样品构成的传统SPR体系，由棱镜/缓冲层/金属层/样品构成的长程SPR体系在金属表面激发的电场强度更强，电场在被检测物中的穿透深度更深，SPR共振角更小，降低了测试过程的技术难度。由于长程SPR的这些优点，使得长程SPR能够激发出更强的SERS信号。因此长程表面等离子体在激励检测SERS，提高SERS检测灵敏度方面有着巨大的优势和潜力。

发明内容

本发明为采用特殊设计的棱镜/多层膜/样品体系，构成长程SPR，激励被检测样品的SERS信号方法。将此长程SPR装置置于激光照射下，调整激光入射角使入射角度大于临界角，当反射光强度最低时表面等离子体达到共振状态。在这一特定的入射方向下，金属表面产生表面等离子体共振，使得金属表面的被电磁场增强，并由这一被增强的电磁场完成对处于消失场中的样品层内分子的SERS的激励(激发)过程。因缓冲层存在，SPR的长程效应得以体现，对于样品层中更深区域(0.8μm～200μm)的分子可以得到激发，从而使得样品的SERS光谱信号相对于传统SPR激发模式可得到8～100倍的增强。同时，因长程效应具有更深的穿透效果，使得在金属层表面构筑保护层成为可能。这样可将传感膜的材质从化学性质惰性的金、铂变成价格更为低廉、怕被氧化、增强效果更佳的银膜。这种基于长程SPR机理的SERS的研究具有非常大的意义。

本发明所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其步骤如下(图1)：

A、在棱镜4的底面上制备厚度范围为300nm～2000nm的缓冲层5，缓冲层5的折射率小于棱镜4的折射率，缓冲层5的材料为氟化镁、氟化锂、氟化钙、特氟龙AF(Teflon AF)或透明氟树脂(Cytop)；

B、在该缓冲层5上制备厚度为15nm～50nm的金属层6，金属层6材料为金、银、铜、铝、铂、钯等各种金属；

C、在该金属层6上制备非必需的、厚度为20nm～500nm的保护层，保护层的折射率小于棱镜的折射率，保护层的材料为氟化镁、氟化锂、氟化钙、特氟龙AF(Teflon AF)或透明氟树脂(Cytop)；

D、在该保护层上制备厚度为1nm～2mm的样品层7，样品层7是指各种被检测物的薄膜；或在该保护层上设置流通池19，各种被检测物的溶液18放于流通池19内，流通池19由中空橡胶片14、透明玻璃窗片15构成；透明玻璃窗片15上有两个小孔，分别为进样孔16和出样孔17；被检测物包括各种分子，如蛋白质分子、DNA分子以及各种探针分子(如4-巯基吡啶，巯基苯胺，巯基苯甲酸，诺丹明6G等)；

E、使激光入射光束1射入棱镜4，入射光束1在棱镜4与缓冲层5的界面上分解为反射光束2和透射光束3两部分，反射光束2经棱镜4后被光强检测仪12所检测，透射光束3进入缓冲层5；

F、透射光束3穿过缓冲层5后在金属层6的上下两个界面上激发出表面等离子体并互相偶合形成长程表面等离子体8；调整入射光束1相对于棱镜4与缓冲层5间界面的夹角，使从棱镜底面反射回来的反射光束2的强度最小，此时长程表面等离子体8在沿与界面平行的X轴方向的波失与透射光束3在X轴方向上的波失分量相等，从而使长程表面等离子体8和透射光束3产生共振，共振时金属层6与样品层7交界处的电磁场强度急剧增强；增强的电磁场激发样品层7中更深区域的样品分子产生表面增强拉曼散射信号9，从而由拉曼光谱检测器10对表面增强拉曼散射信号9进行检测。

前面步骤中所述的棱镜为不同尺度、不同折射率的三角形棱镜、半圆柱型柱面镜以及半球形棱镜，棱镜的材质为光学玻璃。

缓冲层、金属层、保护层的制备方法为各种成膜技术，包括旋涂法、蒸镀法、磁控溅射法等；样品层7的制备方法包括：滴涂、组装、旋涂方法等。

本发明与已有的，利用传统SPR激励SERS方式(即专利(ZL200510016622.4，《表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪》)相比较，利用长程SPR方式激发可以使得银膜表面电磁场得到更大的增强而且电磁场在被检测物中的穿透深度增加。其优点是：(1)，激发样品的电磁场强度增大，SERS信号得到增强。(2)，利用长程SPR激励SERS，SPR共振角较小，使得对激发装置的要求降低。(3)，检测方法应用的对象不仅仅是在金属表面的样品，可以检测更深层次的样品，甚至是多层膜样品的检测。(4)，因长程效应具有更深的穿透效果，可以在金属层表面构筑保护层。保护层的材质可以为二氧化硅等化学惰性材料，起到更好地保护了SPR金属传感膜作用；同时也将传感膜的材质从化学性质惰性的金、铂变成银等价格更为低廉的金属膜。由于银对拉曼的增强效果远大于金、铜、铂等金属，因此，增强效果和经济实用上的优势都十分明显。长程SPR的运用对于SERS的检测与应用具有非常大的意义。

附图说明

图1：长程表面等离子体共振增强拉曼散射原理图；

图2：多层膜SPR结构示意图；

图3：传统SPR(左图)和长程SPR(右图)曲线及银膜表面电场强度随入射角的变化曲线；左图中的两条曲线分别在为传统SPR结构下获得的SPR曲线及银膜表面电场强度随入射角的变化曲线，共振角为72.2°，银膜表面电场强度最大值对应得入射角为72.0°。右图中的两条曲线分别在为长程SPR结构下获得的SPR曲线及银膜表面电场强度随入射角的变化曲线，共振角为64.7°，银膜表面电场强度最大值对应得入射角为64.7°。

图4：在优化银膜厚度下的传统SPR(左图)与长程SPR(右图)电场穿透深度对比；传统SPR结构中银膜厚度为45nm，样品层为水，穿透深度为510nm。长程SPR结构中缓冲层厚度为680nm，缓冲层材质为氟化锂，折射率为1.39，银膜厚度为20nm，样品层为水，穿透深度为917nm。

图5：长程SPR激励SERS装置示意图；

图6：长程SPR曲线和长程SPR激励的入射角相关的SERS信号以及传统SPR曲线和传统SPR曲线激励的入射角相关的SERS信号；

图7：长程SPR共振角下激励得到的SERS光谱及传统SPR共振角下激励得到的SERS光谱。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对于长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射技术进行说明。

实施例1：

根据菲涅尔方程和多层膜理论(S.Ekgasit，C.Thammacharoen，and W.Knoll，Anal.Chem.，2004，76，561)，可以模拟得到SPR装置下金属膜表面的电场分布和反射率公式。其基本原理描述如下：

对一个由棱镜和多层媒介物质构成的多层膜系统，介于高折射率柱面镜和半无限大的介电质衬底之间的媒介可当做多层媒介处理。柱面镜和半无限大的介电质衬底的介电常数分别用ε_p和ε_s来表示。第j层媒介的介电常数为ε_j，厚度为d_j。当一束平面光波以入射角θ透过柱面棱镜入射到柱面镜与多层媒介界面上时，入射光1在棱镜4与多层介质膜11界面上分解为反射光束2和透射光束3两部分，反射光束重新反射回柱面镜，透射光束进入多层媒介。并在多层媒介膜11与样品层6的界面处产生一个增强的电磁场并激发样品产生拉曼散射9，如图2所示。对于一个N-层介质系统，反射及透射系数由下式给出：

$r_{//}=\frac{(m_{11}+m_{12}{q}_s)q_p-(m_{21}+m_{22}{q}_s)}{(m_{11}+m_{12}{q}_s)q_p+(m_{21}+m_{22}{q}_s)}---\left(1\right)$

$t_{//}=\frac{{2q}_p}{(m_{11}+m_{12}{q}_s)q_P+(m_{21}+m_{22}{q}_s)}---\left(2\right)$

其中“//”表示入射光波是TM波(平行偏振光波)，q_j＝(2π/λ)(ε_j)^(-1/2)cosθ_j，θ_j代表光波在第j层媒介中的入射角。M是多层媒介的特征矩阵，m_ij是(3)式中矩阵M的矩阵元。

$M_j=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(d_j{k}_{\mathrm{zj}}\right)& \frac{-i}{q_j}\sin \left(d_j{k}_{\mathrm{zj}}\right)\\ -i{q}_j\sin \left(d_j{k}_{\mathrm{zj}}\right)& \cos \left(d_j{k}_{\mathrm{zj}}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中k_zj是

k_zj＝(2π/λ)(ε_j)^1/2cosθ_j＝(2π/λ)(ε_j-ε_psin²θ_P)^1/2    (4)

为了得到Z方向上的电磁场分布(柱面镜底面为Z轴零点)，我们首先利用了下式，

$\left[\begin{array}{c}{U}_{//m}\left(z\right)\\ V_{//m}\left(z\right)\end{array}\right]=N_m\left(z\right)\underset{j=m}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{M}_j\left[\begin{array}{c}{t}_{//}\\ q_s{t}_{//}\end{array}\right]H_{//}^i---\left(5\right)$

以及

$N_m\left(z\right)=\left[\begin{array}{cc}\cos \left(k_{\mathrm{zm}}(z-z_{m-1})\right)& \frac{i}{q_m}\sin \left(k_{\mathrm{zm}}(z-z_{m-1})\right)\\ i{q}_m\sin \left(k_{\mathrm{zm}}(z-z_{m-1})\right)& \cos \left(k_{\mathrm{zm}}(z-z_{m-1})\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

式中Zm是从柱面镜底面到m/m-1层界面的距离。这样我们可以得到多层媒介中第m层中各个方向的电场强度和磁场强度的表达式

$<{H_{\mathrm{yz}}}^2>=\frac{1}{2}{\left|U_{//m}\left(z\right)\right|}^2$

$<{E_{\mathrm{xz}}}^2>=\frac{1}{2}{\left|V_{//m}\left(z\right)\right|}^2---\left(7\right)$

$<{E_{\mathrm{zz}}}^2>=\frac{1}{2}{\left|W_{//m}\left(z\right)\right|}^2$

(7)式中W_//m(z)是

W_//m(z)＝ε_p ^1/2sinθ_PU_//m(z)/ε_m    (8)

当一束P偏振光入射在棱镜/金属膜界面上时，如果入射角在SPR共振角附近，那么金属膜表面的自由电子与入射光发生共振。金属膜表面的自由电子与入射光电场之间的共振导致入射光能量被金属膜强烈的吸收。假设透射为零(此时入射角大于全反射角)并且没有其他能量损失，反射率可以表达为

$R=1-A=1-{\left(\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}\right)}^2\frac{1}{k_{\mathrm{zP}}}\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\&Integral;}_{Z_j}^{Z_{j+1}}\mathrm{Im}\left[{\mathrm{\&epsiv;}}_j\right]<{E_{//z}}^2>\mathrm{dz}---\left(9\right)$

其中A是介质对入射光的吸收，ε_j是第j层膜的介电常数，z_j是第j层膜的厚度。

利用上述计算方法中的公式(7)和(9)对半圆柱型柱面镜/银膜/水(水作为样品层，)三层构筑的传统SPR装置的SPR曲线及入射角相关的银膜表面电场强度进行了模拟。其中半圆柱型柱面镜半径为18mm，高为30mm，材质为K9玻璃，银膜厚度为45纳米。模拟结果如图3左图所示，共振角为72.2°，银膜表面电场强度最大值对应得入射角为72.0°。共振角处电场强度最强，电场强度大约增强了13倍。对半圆柱型柱面镜/氟化锂层/银膜/水四层构筑的长程SPR装置的SPR曲线及入射角相关的银膜表面电场强度进行了模拟。其中半圆柱型柱面镜材质为K9玻璃，氟化锂层的厚度为680nm，折射率为1.39，银膜厚度为20纳米。模拟结果如图3右图所示，共振角为64.7°，银膜表面电场强度最大值对应得入射角也为64.7°。共振角处电场强度最强，电场强度大约增强了30倍。从而证明了长程SPR激励得到的电场强度大约是传统SPR激励得到的电场的2.5倍。由于SERS信号强度与电场的4次方成正比，因此长程SPR激励的SERS信号应大于传统SPR激励得到的SERS信号。

实施例2：

利用实施例1中的公式(7)及电磁场在介质中传播的相关公式对半圆柱型柱面镜/银膜/水三层模构筑的传统SPR结构下的电场在各个层的分布进行模拟。其中半圆柱型柱面镜材质为K9玻璃，折射率为1.53，银膜厚度为45nm。模拟结果如图4中左图所示。电场的穿透深度为510nm。对半圆柱型柱面镜/氟化锂层/银膜/水四层构筑的长程SPR结构下的电场在各个层进行模拟。其中半圆柱型柱面镜材质为K9玻璃，氟化锂层的厚度为680nm，折射率为1.39，银膜厚度为20nm。模拟结果如图4中右图所示，电场的穿透深度为917nm。比较两种模拟结果可以看出长程SPR结构下电场的穿透深度增加。

实施例3：

如图5所示，部件4为构筑长程SPR芯片的基体棱镜(棱镜为半圆柱形柱面镜，半径为18cm，高为30cm)，材料为K9光学玻璃，折射率为1.53，用于耦合表面等离子体波与入射光波。12为激发表面等离子体的激光光源(长春新产业光电技术有限公司MXL-III-532型激光器)，波长为532nm，功率为0～500mW可调。13为反射光检测器(如光电二极管)，用于检测反射光2的强度信号。5为棱镜底面的缓冲层，其材质为氟化锂，折射率为1.39，厚度为680nm。6为缓冲层上的金属层，其材质为贵金属银，厚度为20nm。缓冲层和金属层均是利用真空蒸镀法制备而成。棱镜4、缓冲层5以及金属膜6一起构成长程SPR装置。14是构成流通池19的中空橡胶片。15为透明玻璃窗片，其上有两个小孔分别为进样孔16和出样孔17。橡胶片14连同玻璃窗片15、进样孔16和出样孔17一起构成流通池19，样品4-巯基吡啶溶液18放于流通池19内。9是由长程表面等离子体激发出的被检测物4-巯基吡啶溶液18的表面增强拉曼散射信号。10为用于检测SERS信号的表面增强拉曼散射检测器(带有CCD光谱仪，JobinYvon公司iHR320)。

本发明通过改变入射光1的激发角度，在长程SPR最大共振吸收点处检测SERS光谱，在此角度下利用长程SPR激励的到的SERS增强因子为最大值，可以同步获得SPR信号和长程SPR激励的SERS谱。

实施例4：

基于长程表面等离子体作用的SERS检测中所用的长程SPR结构制备过程如下：选用K9半圆柱形柱面镜做为SPR芯片的基体，折射率为1.53。柱面镜半径为18mm，高为30mm。首先利用真空蒸镀法在半柱面镜底面上蒸镀一层680nm氟化锂膜，折射率为1.39，接着利用真空蒸镀法在缓冲层上蒸镀一层20nm银膜。将10^-5M的4-巯基吡啶作为被检测物通入流通池中。检测基于这种SPR芯片的SPR曲线以及不同入射角下长程表面等离子体激励的SERS信号。用于激发长程表面等离子体的激光为长春新产业光电技术有限公司MXL-III-532型激光器，激光波长为532nm。检测拉曼散射信号的光谱仪为法国Jobin Yvon公司iHR320型光谱仪。实验结果如图6所示，长程SPR共振角为64.2°，最大的SERS对应的入射角为64.4°。银膜厚度为45nm时得到的传统SPR曲线及传统表面等离子体激励的SERS信号随入射角的变化曲线如图6所示。长程SPR共振角为72.6°，SERS信号最大值对应的入射角为72.2°。从图6可以看出长程SPR共振角小于传统SPR共振角。长程SPR曲线的半峰宽也小于传统SPR曲线的半峰宽。图7是在长程SPR共振角处利用长程表面等离子体激励得到的SERS光谱以及在传统SPR共振角处利用传统表面等离子体激励得到的SERS光谱。利用长程表面等离子体激励得到的SERS光谱强度是利用传统表面等离子体激励得到的SERS光谱强度的10倍。证明了利用长程表面等离子体激励得到的SERS可以得到更强的SERS信号，提高SERS信号检测灵敏度。

Claims (9)

1.一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其步骤如下：

A、在棱镜(4)的底面上制备厚度范围为300nm～2000nm的缓冲层(5)，缓冲层(5)的折射率小于棱镜(4)的折射率；

B、在该缓冲层(5)上制备厚度为15nm～50nm的金属层(6)；

C、在该金属层(6)上制备非必需的、厚度为20nm～500nm的保护层，保护层的折射率小于棱镜的折射率；

D、在该保护层上制备厚度为1nm～2mm的样品层(7)；

E、使激光入射光束(1)射入棱镜(4)，入射光束(1)在棱镜(4)与缓冲层(5)的界面上分解为反射光束(2)和透射光束(3)两部分，反射光束(2)经棱镜(4)后被光强检测仪(12)所检测，透射光束(3)进入缓冲层(5)；

F、透射光束(3)穿过缓冲层(5)后在金属层(6)的上下两个界面上激发出表面等离子体并互相偶合形成长程表面等离子体(8)；调整入射光束(1)相对于棱镜(4)与缓冲层(5)间界面的夹角，使从棱镜底面反射回来的反射光束(2)的强度最小，此时长程表面等离子体(8)在沿与界面平行的X轴方向的波失与透射光束(3)在X轴方向上的波失分量相等，从而使长程表面等离子体(8)和透射光束(3)产生共振，共振时金属层(6)与样品层(7)交界处的电磁场强度急剧增强；增强的电磁场激发样品层(7)中更深区域的样品分子产生表面增强拉曼散射信号9)，从而由拉曼光谱检测器(10)对表面增强拉曼散射信号(9)进行检测。

2.如权利要求1所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：棱镜为三角形棱镜、半圆柱型柱面镜或半球形棱镜，棱镜的材质为光学玻璃。

3.如权利要求1所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：缓冲层(5)的材料为氟化镁、氟化锂、氟化钙、特氟龙AF或透明氟树脂。

4.如权利要求1所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：金属层(6)材料为金、银、铜、铝、铂、钯等各种金属。

5.如权利要求1所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：保护层的材料为氟化镁、氟化锂、氟化钙、特氟龙AF或透明氟树脂。

6.如权利要求1所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：样品层(7)是指各种被检测物的薄膜。

7.一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：将权利要求1中的样品层(7)替换为流通池(19)，各种被检测物的溶液(18)放于流通池(19)内，流通池(19)由中空橡胶片(14)、透明玻璃窗片(15)构成；透明玻璃窗片(15)上有两个小孔，分别为进样孔(16)和出样孔(17)。

8.如权利要求6或7所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：各种被检测物为蛋白质分子、DNA分子或各种化合物分子。

9.如权利要求8所述的一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法，其特征在于：探针分子为4-巯基吡啶、巯基苯胺、巯基苯甲酸或诺丹明。

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