CN102834709A - 用于分子分析的多柱结构 - Google Patents

Abstract

提供一种用于分子分析的多柱结构。该结构包括至少两个纳米杆，每个纳米杆均在一端处附着到基底且沿着其长度能够自由移动。所述至少两个纳米杆的相对端均能够朝向彼此运动以在它们的相对端处束缚至少一个分析物分子。每个纳米杆均涂敷有金属涂层。还提供这样的多柱结构的阵列。进一步提供了一种用于制备该多柱结构的方法。

Description

用于分子分析的多柱结构

相关申请的交叉引用

本申请与由李志勇等人在与本申请同一日提交的题目为“A SELF-ARRANGING, LUMINESCENCE-ENHANCEMENT DEVICE FOR SURFACE-ENHANCED LUMINESCENCE”并且转让给与本申请相同的受让人的美国专利申请序列号[200904951-1]有关。

背景技术

本发明的实施例总体涉及用于执行分子分析的系统，除了别的以外，所述分子分析诸如表面增强拉曼光谱法（surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）、增强荧光分析、增强发光分析以及等离子体激元感测（plasmonic sensing）。

特别关于SERS而言，拉曼光谱法是用在凝聚态物质物理和化学中以研究分子系统中的振动、旋转以及其他低频率模式的光谱技术。在拉曼光谱实验中，特定波长范围的近似单色的光束穿过分子的样本并且散射光光谱被发射。从分子发射的波长的光谱叫做“拉曼光谱”，并且所发射的光叫做“拉曼散射光”。拉曼光谱可以揭示分子的电子、振动以及旋转的能级。不同的分子产生不同的拉曼光谱，拉曼光谱可以和指纹一样被用来标识分子以及甚至确定分子的结构。

使用拉曼光谱法来研究当光子与分子相互作用时分子能量态之间的转变，这导致散射光子的能量偏移。分子的拉曼散射可以被视为两个过程。通过入射光子把处于一定能态的分子首先激励成另一（虚或实）能态，该入射光子一般处于光学频域中。受激励的分子于是在其中它位于与激励光子相比可能相对低（即，斯托克斯散射）的频率或者可能相对高（即，反斯托克斯散射）的频率的环境的影响下作为偶极子源进行辐射。不同分子或物质的拉曼光谱具有可以被用来标识核素的特性峰值。这样，对于多种化学或生物感测应用而言拉曼光谱法是有用的技术。然而，本征拉曼散射过程是非常低效率的，并且已经使用了粗糙金属表面、各种类型的纳米天线以及波导结构来增强拉曼散射过程（即，上面所描述的激励和/或辐射过程）。

由在结构化的金属表面的几纳米之内或者其之上吸收的混合物（或离子）生成的拉曼散射光可以是由处于溶液中或者处于气相中的该相同混合物所生成的拉曼散射光的10³-10¹⁴倍。此分析混合物的过程叫做表面增强拉曼光谱法（“SERS”）。近年来，SERS已经作为用于探查分子结构以及表征界面的和薄膜的系统的常规和有力的工具而出现，而且甚至使得能够实现单分子检测。工程师、物理学家以及化学家继续寻求用于执行SERS的系统和方法的改进。

大多数SERS系统仅在一定热点处增强了电磁场。虽然这可能是非常期望的，但在许多情况中，分析物诸如通过简单的吸收被均匀地覆盖在SERS基底上。然而，实际上仅一小部分分析物位于所述热点。

附图说明

通过参考以下详细说明和附图，本公开内容的实施例的特征和优点将变得显而易见，在附图中同样的附图标记对应于类似的、但可能不完全相同的部件。为了简明起见，具有前面描述的功能的附图标记或特征可能结合或者可能不结合它们出现于其中的其他附图来进行描述。

图1A-1H示出了依据本发明的实施例的多种多柱结构。

图2A是依据本发明的实施例的若干四柱结构的阵列的俯视图的显微照片的线条图。

图2B是在强度（采用任意单位）和拉曼偏移（采用cm^-1为单位）的坐标系上，来自依据本发明的实施例的多柱结构（每个包括四个柱）的阵列的拉曼信号的强度相对于通过纳米压印光刻法在反射镜上形成的先前随机锥的绘图。

图2C是多柱结构的阵列（类似于图2A的多柱结构的阵列）的放大视图的显微照片的线条图，其示出了四柱结构、六柱结构以及九柱结构。

图3A-3B示出了依据本发明的实施例的多柱结构（这里包括两个柱）中的柱的间隔的调节。

图4A-4B示出了依据本发明的实施例的组合了多柱结构和其他光学器件的集成结构的实施例。

图5A-5B每个均示出了依据本发明的实施例的感测设备的示意图。

具体实施方式

现在详细参照具体实施例，所述具体实施例举例说明目前由本发明人构思的用于实践本发明的最佳方式。在适用时还简要地描述了替代实施例。

公开了一种新类型的SERS结构，其基于多柱或指状物的结构，包括多个（至少两个）纳米杆，在分析物存在的情况下这多个纳米杆看起来像圆锥形帐篷（teepee）。实际上，纳米杆（两个、三个、四个或更多个）在暴露于分析物时倾向于朝向彼此向内倾斜。该结构可以依据SERS要求合理地设计并且可以使用3D压印方法或者卷装进出（roll-to-roll）工艺来大批量制造。纳米杆组的阵列可以使SERS传感器的灵敏度得以改进并且是可易于制造的。

对于化学/生物感测的广泛应用而言SERS结构的合理设计已经受到极大关注。标识用于SERS应用的优化纳米结构一直是该领域中的终极目标。已经广泛地研究了自下而上合成的各种形状的纳米晶体，所述各种形状诸如线形、立方形、多荚形、星形、核壳状、领结型等等。另一方面，也已经提出和研究了自顶向下制造的纳米结构，诸如纳米锥、纳米草、光栅/天线混合结构。这里，呈现了一种新类型的SERS结构，其能够容易地大批量制造，并且如超灵敏SERS传感器那样提供了用于优化的大量的灵活性。

图1A-1H示出了各种圆锥形帐篷结构100-106，每个包括基底110，基底110支撑多个（至少两个）纳米杆115以形成圆锥形帐篷结构，其在本文中被定义为这样的结构：在该结构中这些杆中的每个均在一端115a处附着到该基底并且以一角度向内倾斜向彼此从而在它们的末端处接触它们的另一端115b，如在图1A中所示出的。纳米杆或柱或指状物115的高度处于大约50nm至2μm的范围内，并且它们的直径在大约10nm至1μm的范围内。

图1A示出了两个这样的、在它们的末端处接触以形成圆锥形帐篷结构100的纳米杆115。同样地，图1B示出了形成结构101的三个纳米杆。图1C示出了形成结构102的四个纳米杆。图1D示出了形成结构103的五个纳米杆。图1E和1F示出分别形成结构104a和104b的两个不同的配置中的六个纳米杆，所述两个不同的配置为两条平行线（每条线三个纳米杆）（图1E）和六角形布置（图1F）。随着纳米杆数目的增加，可以采用不同的布置，诸如多边形，至少两条平行线等等，只要在特定布置中的杆都在它们的末端115b的一部分处接触即可。图1G示出了形成结构105的七个纳米杆。图1H示出了形成结构106的九个纳米杆。图1A-1H中所示出的布置仅是示例性的，并且可以采用其他的纳米杆配置、纳米杆数目等等。

纳米杆115的横截面可以是圆形的，如这里所示出的，或者是非对称的形状，诸如卵形，其可以使得能够设计如何使纳米杆在它们的末端115b处靠拢。

在每个实例中，这里以溶液（未示出）中的多个分子120作为代表的分析物典型地在纳米杆115的末端115b处或者其附近与纳米杆115相关联。虽然分析物120可能分布在基底110和纳米杆115上，但是由于以下原因它们更可能与纳米杆的末端115b相关联：（1）在纳米杆的表面上存在下面讨论的SERS活性金属，以及（b）在激光照射下倾向于把分析物聚集在末端处的表面等离子体激元效应。

典型地使用微毛细管力来创建圆锥形帐篷状结构100-106。还可以利用诸如e-射束、离子束或电荷效应的其他非限制性示例来导致圆锥形帐篷状结构100-106的形成。如最初创建的那样的纳米杆是竖直的自立桩，其可以通过诸如3D压印方法、模压加工、CVD生长、蚀刻或卷装进出工艺的多种技术来形成。

该结构100-106然后被暴露给诸如水的溶液中的分析物。在干燥时，微毛细管力把邻近的纳米杆或者柱115拉到一起以使得它们的末端115b相接触。在此过程期间，分析物的分子120倾向于被束缚在邻近的柱115之间。柱在它们末端处的间隔于是取决于分子的大小。此过程提供该结构100-106的形成的良好控制的均匀性。

看来，结构100-106的形成可能是永久的，这依赖于使柱在它们的末端处保持在一起的范德瓦尔斯（van der Waals）相互作用。这可能在干燥并且甚至再浸入溶剂中之后发生。

另一方面，通过可能地使用电磁力、机械力或电荷排斥来打开该结构使其回退以还原到原始的竖直、自立纳米杆，结构100-106的形成可以是可逆的。

存在增强的电磁场，其形成在纳米杆的末端处在纳米杆之间的间隙中。EM场的增强的幅度取决于该间隙的大小，如上面所论述的，该间隙的大小取决于被束缚在该间隙中的分子的大小。

随着间隙的大小的减小，EM场增大。例如，当间隙在两个金属纳米球之间从10nm减小到小于1nm时，存在EM场的大约1,000X的增大。已知SERS效应是EM场增强的4次方的函数。因而，随着间隙的减小而引起的10³的增大导致拉曼信号强度的10¹²的增强。

如上面所提及的间隙近似为分子大小（所束缚的分子的大小）。分子大小可以在小于1nm的量级，典型地大约为0.5 nm。

考虑到具有碳基团的有机分子，该有机分子附着有硫团，例如，-SH。这些硫团于是可以附着到金属，例如金或银，从而涂敷纳米杆115。因而，取决于存在的附着团和分子的大小，可以获得5nm、2-3nm、1nm等等量级的间隙大小。

纳米杆的数目越多，能够束缚的分子的数目就越多。例如，九个纳米杆将比两个或三个纳米杆束缚更多的分子。然而，两个或三个纳米杆在基底上将比八个或九个纳米杆占用更少的基板面。因而，在对更多热点的期望对比太高的密度导致信号响应的降低这一事实之间进行折中。

所获得的配置100-106收到纳米杆115的初始间隔的控制，如下面进一步讨论的。纳米杆115可以被分开一距离，该距离在10至500nm的范围中，如在基部处所测量的。

图2A是纳米杆115的阵列200的显微照片(俯视图)，该阵列的每个单元210包括四个这样的纳米杆。看到每个单元210中的四个纳米杆115向内朝向该单元的中心形成一角度，其中纳米杆的末端在它们的顶部处相接触。

在图2A中，纳米杆115每个均具有100nm的直径和100nm的间隔。因而，节距为200nm。纳米杆115的高度为700nm。

图2B是在拉曼强度（采用任意单位）对比拉曼偏移（采用cm^-1为单位）的坐标系上的绘图，并且是来自多柱结构（每个均包括四个柱（图2A））的阵列的拉曼信号的强度对比通过纳米压印光刻法在反射镜上形成的先前随机锥的比较。可以看出本文所公开的结构提供了拉曼信号的强度的相当大的增加。

图2C是纳米杆115的区200'的放大照片，不像在图2A中所示出的区域，它导致多种结构。具体而言，除了别的以外，所述结构包括四个纳米杆210a、6个纳米杆210b和九个纳米杆210c。与图2A相比，这实质上是不同大小的结构的随机分布，图2A示出了具有相同大小的结构的有序分布。如上面所指示的，可以使用纳米杆的初始间隔来控制最终的期望配置。通过把杆的邻近组之间的适当间隔选择成比该组内的纳米杆之间的距离稍微大可以引起对最终结构的均匀控制。

在一些实施例中，纳米杆可以包括涂敷有SERS活性金属的诸如抗蚀剂的聚合物，所述SERS活性金属诸如金、银、铜、铂、铝等等、或合金形式的那些金属的组合。SERS活性金属可以涂敷在整个纳米杆115上或者可以选择性地涂敷在纳米杆的末端115b上。另外，SERS活性金属可以是多层结构，例如，具有1至50nm的金外涂层的10至100nm的银层，或者反之亦然。可替换地，SERS活性金属可以进一步涂敷有薄的电介质层或者功能涂层，诸如ALD生长硅氧化物或者铝氧化物、钛氧化物等等。功能涂层可以提供对分析物分子的选择性束缚和感测。此外，探针核素的自组装分子层可以形成在纳米杆的末端上。

聚合物的使用使纳米杆足够柔性以容许弯折，从而使得末端在该结构的顶部处相遇。合适的聚合物的示例包括但不限于聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate，PMMA）、聚碳酸脂、硅氧烷、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）、光致抗蚀剂、纳米压印抗蚀剂以及包括一个或多个单体/低聚物/聚合物的其他热塑性聚合物和UV可固化材料。可替换地，纳米杆可以包括具有足以弯折的柔性的无机材料。这样的无机材料的示例包括硅氧化物、硅、硅氮化物、氧化铝、金刚石、类金刚石碳、铝、铜等等。

纳米杆的间隙的间隔可被调节。通过使用热或者在一定波长/脉冲的激光下对样本进行加热，可以对杆115的末端的间隔间隙d进行微调。这允许人们获得结构的不同等离子体激元属性。图3A示出了二杆结构，在其中杆115的末端具有间隔距离d₁。图3B示出了类似结构，在其中杆115的末端具有间隔距离d₂，d₂不同于（在此情况中，大于）d₁。例如，橡胶在20⁰C时具有~10^-4/C⁰的线性热膨胀。因此，如果把100nm长的橡胶柱从20⁰C加热到120⁰C，其中，d₁为10nm，则间隔可以从10nm改变至大致1nm（分别用于d₁和d₂）。当温度冷却回来时，该过程可以是可逆的。

类似地，人们可以设计纳米杆的材料以使得可以获得适当的热膨胀或收缩。例如，可以使用两种不同的材料来形成纳米杆，以便通过对两种不同的材料进行加热赢得效应。

还可以使用诸如对基底的机械弯折、拉伸/压缩或振动，电场或磁场的其他方式来调节该结构。特别地，其上形成有纳米杆的基底可以是具有弹性体属性的材料，诸如PDMS或者橡胶材料。当向基底施加拉伸或压缩力时，可以例如在小于1nm的d₁和5至10nm的d₂之间调节杆末端之间的距离d。

可以把圆锥形帐篷状结构100-106中的任一个与其他光学器件相集成。例如，图4A示出在金属反射镜402上形成的三杆结构400。金属反射镜402继而被形成在基底110上。金属发射镜402可以是平的或凹的。可以使用反射镜402把光反射到结构400中，以便由此获得信号强度的进一步增强。

图4B示出在光栅结构412上形成的三杆结构410。光栅结构412继而形成在基底110上。已经在别处讨论了与SERS结构结合的光栅结构；例如，参见美国专利7,639,355和7,474,396。可替换地，结构410本身可以被用作光栅。通过适当设计沿着基底表面上的一个维度或者两个维度的杆的节距或者圆锥形帐篷状结构的节距，可以建立幅度调制的干涉光栅。

一种基底上的纳米杆阵列的非限制性制造方法可以包括：

1.通过E-射束光刻法、光蚀刻法、激光干涉光刻法、FIB（Focused Ion Beam，聚焦离子束）、球体的自组装等等，在模子上设计期望图案。

2.把图案转印到硅、玻璃或者聚合物基底（PDMS、聚酰亚胺、聚碳酸脂等等）上。

3.用诸如金、银、铜等的拉曼活性材料来涂敷纳米杆。

4.促使自组装（通过对液体的干燥把纳米杆的末端移动到一起；液体干燥期间的微毛细管力将促使纳米杆自组装成规则的（例如，图2A）或者不规则的（例如，图2C）的圆锥形帐篷状结构。

存在从纳米杆的组装的圆锥形帐篷状结构的形成得到的若干优点。例如，可以设计纳米杆的不同几何结构（例如，两个、三个等等）。通过这些3D结构可以实现大的SERS活性体积。等离子体激元聚焦/耦合可以被实现为朝向圆锥形帐篷结构的末端115b。与诸如反射镜、光栅等的其他光学部件的容易集成是可易于实现的。此外，通过下列方式对末端间隔的微调是可能的：热或激光加热，机械力，用于在一定的入射波长下的优化SERS性能以及用于其他光学感测的电场或磁场，所述光学感测诸如荧光分析，发光分析，等离子体激元谐振，散射等等。

图5A-5B示出了依据本发明的实施例配置和操作的分析物传感器的示意表示。分析物传感器500包括拉曼活性基底502，其由特征阵列504（例如，如上面参考图1A-H所描述的）、光电检测器506和拉曼激励光源508。

在图5A中所示出的示例中，光源508被定位成使得拉曼激励光直接入射在特征(纳米杆115)阵列504上。

在图5B中所示出的示例中，光源508定位在拉曼活性基底502之下，以使得拉曼激励光穿过该基底。在该后一情况中，基底110对于入射光而言可以是透明的。

在两种情况中，光电检测器506都定位成捕获由基底表面上的分析物发射的拉曼散射光λ_em的至少一部分。

作为与拉曼活性材料相关联的两个机制的结果，拉曼散射光的强度也可以得以增强。第一种机制是在拉曼活性基底502的表面处、具体而言是在图1A-1H中所示出的纳米杆115处产生的增强电磁场。结果，纳米天线115的金属表面中的传导电子被激励成扩展表面受激电子态，其称为“表面等离子体激元极化”或者“局部化表面等离子体激元”。在纳米天线115上或者极接近于纳米天线115所吸收的分析物120经受相对强的电磁场。垂直于纳米杆115表面定向的分子振动模式得以最强烈地增强。表面等离子体激元极化谐振的强度取决于许多因素，包括金属材料、天线（在这里是纳米杆115）的大小和形状以及间隔距离。

作为纳米杆115的表面和被吸收到纳米杆表面的分析物120之间的电荷转移复合物的形成的结果，可能发生第二模式的增强、电荷转移。许多电荷转移复合物的电子跃迁典型地处于电磁谱的可见范围内。

为了方便起见，已经在SERS分析方面呈现了前述讨论。然而，将意识到的是，在其他分析技术中可以采用相同的多柱结构，所述其他分析技术包括但不限于增强荧光分析、增强发光分析和等离子体激元感测、光学散射和/或吸收。

Claims (14)

1.一种用于分子分析的多柱结构（100-106），所述结构包括至少两个纳米杆（115），每个纳米杆均在一端（115a）处附着到基底（110）且沿着其长度能够自由移动，所述至少两个纳米杆的相对端（115b）均能够朝向彼此运动以在它们的相对端处束缚至少一个分析物分子（120），每个纳米杆均涂敷有金属涂层。

2.如权利要求1所述的多柱结构，其中，在所述基底上的所述结构的阵列（200，200'）被提供。

3.如权利要求1或2所述的多柱结构，其中所述至少两个纳米杆包括选自包括聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸脂、硅氧烷、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和光致抗蚀剂的组的聚合物。

4.如权利要求1或2所述的多柱结构，其中所述至少两个纳米杆包括选自包括硅氧化物、硅、硅氮化物、硅氮氧化物、氧化铝、金刚石、类金刚石碳、铝和铜的组的无机材料。

5.如权利要求3或4所述的多柱结构，其中，所述至少两个纳米杆包括相同的成分或不同的成分。

6.如权利要求1所述的多柱结构，其中所述纳米杆具有大约50nm至2μm的范围内的高度、大约10nm至1μm的范围内的直径以及在所述杆的基部处大约10至500nm的间距。

7.如权利要求1所述的多柱结构，其中，所述金属涂层选自包括金、银、铜、铂、铝以及它们的合金的组。

8.一种用于分子分析的多柱结构的阵列（200，200’），所述阵列中的每个结构包括如权利要求1所述的结构。

9.如权利要求8所述的阵列，用于SERS设备中的分子分析，所述SERS设备包括拉曼激励光源（508）和光电检测器（506），其中所述光电检测器与所述纳米杆在所述基底的同一侧上，并且所述光源与所述纳米杆在所述基底的同一侧上或者与所述纳米杆在所述基底的相对侧上。

10.如权利要求8所述的阵列，用于增强荧光分析、增强荧光分析、增强发光分析、等离子体激元感测、光学散射和/或光学吸收中的分子分析。

11.一种用于制备权利要求1的多柱结构的方法，所述方法包括：

在所述基底上形成多个纳米杆；和

向每个纳米杆提供金属涂层。

12.如权利要求11所述的方法，还包括：

把所述多个纳米杆暴露于溶剂中的分析物；和

移除所述溶剂，使分析物遗留在所述纳米杆上并促使所述纳米柱的所述相对端朝向彼此移动并在所述相对端处束缚至少一个分析物分子。

13.如权利要求12所述的方法，包括形成纳米杆结构（100-106）的阵列，其中，所述阵列包括纳米杆结构，所述纳米杆结构都为相同的结构或者为不同的结构。

14.如权利要求11所述的方法，其中在所述金属涂层上施加功能涂层以用于选择性地束缚和感测分析物分子。

Images