CN103649727A - 一种改变激发发射器的辐射特性的方法 - Google Patents

Abstract

一种改变发射器(2)的辐射特性的方法及其中的层结构(1)，其中，所述发射器(2)设置在包括金属材料的层结构的附近，以至于发射器(2)耦合到层结构(1)的表面态，特别是表面等离子激元，其改变发射器(2)的辐射特征，其中，所述的层结构(1)包括金属层(3)，夹在非金属衬顶层(4)和非金属衬底层(5)之间，其中，至少所述金属层(3)和所述衬顶层(4)被具有等于或小于1纳米的均方根粗糙度的光滑界面(8)分隔开，和其中，所述金属层(3)的厚度是所述发射器(2)的发射波长(λ')的1/100和1/20。

Description

一种改变激发发射器的辐射特性的方法

本发明涉及一种改变激发发射器的辐射特性的方法，其中所述发射器设置在包含金属材料的层结构的附近，使得发射器耦合到层结构的表面态、特别是表面等离子激元(surface plasmon polariton)，这改变了发射器的辐射特性。

本发明还涉及具有金属材料的层结构，该层结构用于改变设置在其附近的激发发射器的辐射特性，通过在发射器和所述层结构的表面态、特别是表面等离子激元之间进行耦合。

在本领域中，已经提出许多基于表面等离子激元增强发射的技术。表面等离子是金属/非金属界面附近的自由电子的集体激发，这来自垂直于表面方向上破坏的平移不变性。表面等离子可耦合光子，从而形成表面等离子激元(SPP)。已经发现，在表面等离子激元的存在下，发射器的辐射特性发生改变，因为表面等离子模式显著改变所述发射器/表面系统的电磁场。这种效应已成功地用于改善成像方法，这依靠于发光现象(荧光，磷光等)的检测。文章"Surface enhanced fluorescence",E.Fort et al.,J.Phys.D:Appl.Phys.41(2008)对该领域进行了综述，其全部公开的内容在此纳入参考。在表面增强荧光方面，通过改变发射器的电磁环境，等离子表面的存在显著地增加了分子的检测效率，特别是样品中的荧光团。众所周知，可以通过将其设置在增加光子态密度(PMD)的结构附近，使激发态分子的总衰变速率即它可以耦合的状态的数目增加。由于与表面等离子激元(SPP)耦合而导致的PMD增加已经引起了与能量损失补偿和过补偿有关的特别兴趣。

为了增加激发发射器如荧光染料的有效辐射衰变率，有必要使SPP耦合到辐射场中。这可用具有高折射率的衬底或衬顶(superstrate)材料实现。一种经常使用的装置称为“Kretschmann配置”，它提供了典型的三层堆叠玻璃/金属/电介质，如上述的E.Fort et al.的引用文献中所披露的。所述改变的辐射的输出耦合(outcoupling)是通过一种玻璃棱镜，其具有比介电衬顶更高的折射率。该方案的缺点是，棱镜的几何形状不适合于许多大型或高度集成的应用。此外，非平面的和大衬底(如棱镜)的制备通常是不切实际的和昂贵的。

另一种方案依赖于亚波长尺度结构的SPPs散射。这些亚波长结构可能包括颗粒，粗糙区域，光栅，断点(discontinuities)，光子带隙，金属岛等。一种局部激励场增强称之为微腔，纳米颗粒上的局部表面等离子，亚波长孔，等离子纳米天线，或金属分形结构上的“热点”,或金属岛。在这种情况下，该增加的辐射发射在很大程度上源于结构自身。作为结果，横向分辨率受到散射装置设计的限制，这对高灵敏度的应用是不利的，例如，需要单分子检测的应用。

作为使用金属纳米结构的场增强的例子，US2010/0035335A1公开了一种提高生物分子固有荧光的技术，其中，固体基底上涂覆有纳米结构的金属层，在其之上可设置可选的SiO₂层。所述纳米结构的金属层可能是颗粒、膜等形式。该样品使用辐射源激发且使用检测器测量荧光。

本发明的一个目的是减少或克服至少一些前述的已知表面增强发射技术的缺点。尤其是，本发明的目的是就高分辨率测量而言有效地改变层结构附近的发射特性。

该目的可以通过所提供的方法和层结构来实现，如开始所定义的，通过提供包含金属层的层结构，所述金属层夹在非金属衬顶层和非金属底衬层之间，其中至少所述金属层和所述衬顶层被光滑界面分隔，该光滑界面的均方根粗糙度等于或小于1纳米，并且其中所述金属层具有在所述发射器的发射波长的1/100至1/20之间的厚度。

因此，通过设置在两个非金属层即衬底层以及衬顶层或顶层之间的超薄光滑金属层，改变发射器附近的近场和远场发射特性。所述发射器或发射器组合体设置在层结构、特别是衬顶层上。为了激发发射器，即，将所述发射器的电子结构从它的平衡基态提升到激发态，使用一种合适的激发波长的激发辐射。在层结构的存在下，相对于在没有层结构的情况下获得的辐射，来自激发发射器的具有至少一个发射波长的辐射发生改变。该层结构的改变效果可包括发射器发射波长放大，即强度增加。但是，所发出的辐射也可能在所述发出辐射的角度和光谱分布方面变化。然后，来自发射器的所述改变后的辐射可被检测，测量或用作设备的输入。在该层结构中，衬底层和衬顶层由非金属材料制备，即电介质或半导体。至少所述金属层和非金属衬顶层之间的界面具有小于1纳米(nm)、优选小于0.5纳米的均方根(RMS)粗糙度。优选地，衬底层和金属层之间的界面的RMS粗糙度也为1nm以下。根据上边界所要求的光滑度，衬顶层的表面是不太重要的，但是优选的是衬顶层的表面也具有小于1nm RMS光滑度。另一方面，布置在非金属衬底层和非金属衬顶层之间的金属层是由发射器的发射波长确定的。为了观察所述发射器的发射特性的有利的改变/加强，所述金属层的厚度是所述发射器发射波长的1/100到1/20，其在层结构的存在下被改变。优选的是该金属层由连续层形成，其在平面界面连接相邻的非金属层。该金属层最好没有任何横向结构。该衬顶层和/或衬底层具有平面的或曲面的界面。此外，有利的是该金属层在耦合到所述发射器的表面态的传播距离的级数上是均匀的。在许多现有技术的方法中，使用粗糙的表面/界面或其他形式的断点来散射表面等离子激元(SPP)成为传播波(propagating wave)。所述传播波辐射并在激发发射波长导致相对薄弱的局部场增强。虽然激励场的增强仍然是显著的，但是在这些情况下所观察到的增强很大程度上由于散射(辐射)表面等离子激元，而不是发射器本身由于增强激励场导致的固有的辐射发射增强。表面附近的断点也被用来作为一种方法来在正入射时激发SPPs和从该结构中输出耦合(outcoupling)所述SPPs。另一方面，已知光滑的金属膜通常淬灭荧光。然而，作为本发明的一个重要方面，令人惊奇地发现，如果在两个非金属层之间设置超薄金属层且使所述金属层和所述非金属层间的界面具有等于或小于1纳米的RMS粗糙度，会获得发射特性的有利的改变。在该层结构的存在下，发射特性的改变来自于所述表面态局限于以及伸出的(reaching out)层结构，从而提高了所述发射器和表面态之间的耦合。作为另一个优点，相对简单的层结构可以进行低成本的生产。此外，该层结构可以高准确度生产，优选在亚微米范围内，这样可以实现精确的定量测量和集成应用。此外，所述层结构可以很容易地调整为特定的应用，其包括提供具有适当的厚度金属层，这依赖于由层结构的存在所改变的发射波长。

在本发明的一个优选实施方案中，通过在衬底层上沉积润湿层来产生光滑界面。由于所述金属层和非金属衬顶层之间的界面在表面激发波长尺度(尤其是在表面等离子激元)必须是光滑的，许多传统的沉积技术(磁控溅射，蒸发等)在常规操作下不能实现所需的界面光滑度。然而，在金属层之前在衬底层上沉积润湿层，如Ge或Cr，将导致上部金属界面(目前所形成的)的光滑度降低一个数量级以上。其结果是，可以实现由小于1nm的RMS粗糙度定义的所需界面光滑度。特别是，RMS粗糙度可低于0.4nm。优选地，在温和温度下额外的短时间退火目前所形成的层结构进一步提高了界面的光滑性，并显著降低了该金属整体介电损耗(bulk dielectric losse)。润湿层的厚度通常小于1至2nm。

而且，在最终的层结构的衬顶层和金属层之间的光滑界面也可以脱模法生成。这种脱模方法本身在现有技术中是已知的，用于制造非常光滑的金属膜。在该方法中，金属膜从合适的衬底上剥离。得到的表面的光滑性依赖于模板的光滑性，并且从硅晶片剥离或从与晶轴一致的模板面剥离可能会在埃尺度。

在本发明的一个特别优选的实施方案中，该脱模方法与润湿层一起使用，使得金属层的两侧均与相邻非金属层形成光滑(即具有等于或小于1纳米的RMS粗糙度)的界面。

用于制备层结构的这种结合方法的主要步骤优选如下：

1)准备模板/润湿层，优选由Ge晶片制备，

2)任选地，在Piranha溶液中洗涤该模板/润湿层(以产生薄氧化物层来方便剥离)；

3)沉积所述金属层于所述模板/润湿层的顶部，例如，通过PVD；

4)沉积第一介电材料于其上，

5)以粘接剂层(例如，由聚合物形成)覆盖所述第一介电材料，从而形成所述衬底层；

6)从所述模板/润湿层上剥离目前形成的层结构；

7)转动目前形成的层结构，以使所述金属层在上部；且

8)沉积第二介电材料(例如，Si₃N₄)于新形成的金属表面，从而获得完成的层结构。

在这种情况下，优选的的是锗晶片作为润湿层。由此，金属层的下界面将如锗晶片一样光滑，而上界面将如同所述样品在Ge润湿层生长那样光滑。后者的情况的原因是，由润湿层实现的光滑度在很大程度上是由于润湿层的能量性质(自由能)，以及不仅仅它是薄的和/或不连续的事实。剥离之前退火所沉积的金属，也可以提高其介电性能。

为了提高来自层结构附近的发射器的辐射，优选的是衬顶层的介电常数不同于衬底层的介电常数，使得形成非对称层结构。对于一种具有SPP的截止能Ec附近的准连续激发光谱的发射器，优选用方程(1),(1a),(1b)和(1c)来计算层结构的参数，其中，所述指数i,j=1,2,3,4分别指衬底层，金属层，衬顶层和包括发射器的介质，且k_zi是第i层波矢的横向分量(即垂直于层结构)，d_i是第i层的厚度，m为整数，ε_i是第i层的复介电常数(实部和虚部)，W₊和W_-是由方程(1a)给出，其中R₁₂是菲涅尔(Fresnel)反射系数，其中P-偏振(用于激励SPP)由方程(1b)给出。

$\exp \left[2i(k_{z3}{d}_3-\mathrm{\πm})\right]=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{z3}{W}_{+}+{\mathrm{\ϵ}}_3{k}_{z2}{W}_{-}}{{\mathrm{\ϵ}}_2{k}_{z3}{W}_{+}-{\mathrm{\ϵ}}_3{k}_{z2}{W}_{-}}---\left(1\right)$

W_±＝R₁₂±exp(ik_z2d₂)   (1a)

R_ij＝(ε_jk_zi+ε_ik_zj)(ε_jk_zi-ε_ik_zj)^-1   (1b)

波失k_zi由方程(1c)给出,其中指数i=1,2,3,4同样分别指衬底层，金属层，衬顶层和包括发射器的介质，ω_c是发射器的激发-基态跃迁频率，其与跃迁能Ec成比例，并且c是光速。ω_c的值应当在发射器的极限发射谱范围内，且优选接近其峰值的自由-空间辐射发射频率。

k_zi＝(ε_i-ε₄)^1/2ω_c/c   (1c)

层1和4，即衬底层和直接包围发射器的介质，就范围而言是半无限的。使用方程(1)到(1c)来计算所述层结构的尺寸，导致发出的辐射强度增加。表1显示了层-2(金属层)和层-3(高ε-衬顶层)的三个优选的参数组合，其服从方程(1)至(1c)所设的条件。跃迁频率ω以跃迁能量(eV)给出。

在表1的优选的实施例中，所述衬底层(i=1)和包含发射器的介质(i=4)分别假定为石英(ε₁=2.13)和浸镜油(immersion oil，ε₄=2.45)。

优选地，所述金属层由金属材料形成，该金属材料选自下列材料组成的组：银，金，钯，镍，铬，铝，铝-锌-氧化物，镓-锌-氧化物，镉或它们的合金或混合物。这些金属层特别适用于增强发射波长范围在近紫外到电信用波长范围的辐射。在许多情况下，包括银/金或镉/金的合金可能是期望的。

为了增强发射器在宽范围的发射波长上的发射特性，有利的是所述非金属衬顶层由选自以下的材料形成：氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、碳化硅或聚合物。因此，用于“负荷”或衬顶层的可能的介电材料横跨比较大范围的介电常数值。用于衬顶层的材料优选地依赖于衬底层和样品介质的材料。对于低介电常数的情况(介电常数ε<2.2)，所述衬顶层优选由氧化铝，二氧化硅，二氧化钛，和其他低ε栅极电介质制成。此外，优选使用有机或无机聚合物。对于更高介电常数的衬底层(介电常数ε>2.2)，优选的是，提供具有相对较高的介电常数的介电衬顶层，如氮化硅，碳化硅，或高-κ栅极电介质。给定的电介质材料有利的是与之前列出的金属材料组合，并且可以用在相当的波长度范围。

发射特性的改变在发射器于发射波长为250nm到1600nm之间、优选405nm到600nm之间发出辐射的情况中是特别显著的。因此，优选的实施方案涵盖改变或增强来自发射器发出的可见光。

在本发明的优选实施方案中，来自层结构附近的发射器的改变后的辐射用于包括发射器的样品的成像。在这种情况下，来自所述发射器的辐射通过成像系统来检测，以及以任何已知的方法处理来得到的样品图像。发射器附近的层结构的存在改变所发射的辐射的发射特性。特别是，来自样品的增加的辐射强度可以用来提高所得到的图像的分辨率，特别是横向分辨率。

优选地，所述样品的成像采用包含显微镜载玻片的显微镜装置进行，所述载玻片涂覆有层结构或由所述层结构组成，所述层结构用于改变来自样品的辐射，所述样品包括置于所述层结构的衬顶层上的发射器。因此，可以通过使用包含所述层结构的显微镜载玻片改善显微镜下的观察。在优选的实施例中，显微镜载玻片包括衬底板，优选由石英制成，其涂覆有如前所述的层结构。

在成像包含发射器的样品的层结构应用中，优选的是，发射器是发射荧光的荧光团，尤其是荧光染料。层结构的设计确保层结构的SPPs不会散射，而是集中于局部。因而，所述发射器的发射/激发波长可接近截止能，使得所述SPPs发散(diverge)到衬顶层上方的区域。那么，在该区域中，大量的发射器可以激发SPPs，使得在界面附近产生增强的场。因此，离该界面一段距离的发射器得到增强，而不是淬灭，正如对于光滑的金属层通常所预期的。根据本发明的一个重要方面，相对较大数量的发射器可耦合SPPs，从而产生强的场，其随着离衬顶层的距离变大而逐渐降低。一般的，为增加本征辐射，要提高激发能。另一方面，在本发明的一个优选实施方案中，进一步远离层结构的发射器可以显著地提高接近所述层结构的发射器的激发能。因此，该配置可使接近层结构的发射器得到增幅(pumping)。其结果是，在垂直于所述层结构的表面的发射器中获得相对的改变/增强，这导致发射器发射特性整体变化的改进。这种效果是只有在所述薄金属层和所述衬顶层之间的界面为光滑的条件下才能实现，因为一旦有断点(纳米结构，光栅，岛等)或者粗糙界面，正如现有技术的配置存在的，改变/增强效应将消失。

在本发明的进一步优选的实施方案中，来自层结构附近的发射器的所述改变后的辐射被用来确定所述发射器的位置和/或用来测量所述发射器和层结构之间的距离。例如，可以用两个不同粘附位点的荧光标记物(例如，绿色荧光蛋白，GFP)来标记细胞(如纤维细胞)。然后，短波发射相对于长波发射的变化可以用来推断相距所述层结构的距离。由于样品附近的层结构实现了提高的分辨率，有可能以非常高的精度研究标记细胞的动态。

在本发明的又一个实施方案中，所述层结构附近的发射器的辐射特性的改变被用于带通或带阻滤波。在所述层结构的存在下，连续频带激发场的高频率衰减，而利用上述的层结构获得的提高效应增强了反射能量的中频段或低频率。通常情况下，低于一定的下限阈值的频率也会衰减。因此，所述激励场经历带通/带阻滤波，这将使发射器产生过滤的辐射频谱。该效应原则上可用在不同的依赖于将宽频带输入辐射转换为过滤后的输出辐射的应用(光学器件等)中。

在本发明的又一个实施方案中，所述层结构附近的发射器的辐射特性的改变被用于激发所述发射器的辐射。在这种情况下，层结构的存在致使多个发射器中粒子数反转，这是由于逐渐远离所述层结构的发射器对靠近所述层结构的发射器的输入。如前所述，这种效果是通过在两个非金属层之间设置一种具有光滑界面的超薄金属层来实现。其结果是，该层结构可以用于依靠受激发射(特别是Lasing、Spasing或类似技术)的所有类型的设备。

下文中，将通过附图所示的优选实施方案的方式更详细的解释本发明，但没有并不限制于此。详细地，在附图中：

图1示意性示出了根据本发明的用于改变附近的发射器辐射的层结构；

图2示出了在根据图1的层结构的存在下，用于表示荧光染料辐射增强的Jablonski能量图；

图3示意性示出了横跨根据图1的层结构的长程表面等离子激元模式的横向磁场特性；

图4示意性示出了用于检测根据图1的层结构顶部发射器的辐射的装置；

图5示出了分别在传统衬底上和在根据图1的层结构上的NIH3T3细胞的荧光染料标记的桩蛋白(paxillin)的图像；

图6a示出了在根据图1的层结构上的荧光珠获得的发射光谱；

图6b示出了图6a的发射光谱图随发射波长的变化；

图7示出了在传统石英衬底(a组)上的荧光珠的发光强度，和所述荧光珠置于图1的所述层结构上(b组)时的发射强度；

图8示出了分别在存在和不存在根据图1的层结构的情况下，不同的荧光珠发射波长时的光子强度分布的曲线图；

图9示出了根据现有技术配置的薄光滑金属膜上的荧光团的测量荧光；

图10示出了GFP标记的桩蛋白在B16成纤维细胞上的动态；

图11示意性地示出了使用根据图1的层结构的激发辐射的带通滤波。

图1示出了层结构1，其用于改变位于其附近的激发发射器2发射的辐射，通过在发射器2的激发态电子结构和层结构1的表面态(特别是表面等离子激元)之间形成耦合。发射器2由波长为λ(或激发波长频带λ)的激发辐射激发，并从发射器2中发出波长为λ'(或发射波长频带λ')的辐射。所述层结构1包括夹在非金属衬顶层4和非金属衬底层5之间的金属层3，在所示的实施方案中，所述金属层3包括生长在金属润湿层3''(如，Ge)上的金属层3'(如，Ag)。所述衬顶层4具有平面6，用于在其上设置发射器2。从图1中可以看出，所述衬底层5和金属层3，以及所述金属层3和衬顶层4，分别被平面界面7和8分隔。所述金属层3在层结构1的该平面中没有任何横向结构。在所示的实施例中，至少在金属层3和衬顶层4之间的所述界面8，优选也有衬底层5和金属层3之间的界面7以及衬顶层的平面6，是光滑的，均方根粗糙度Δx等于或小于1nm，优选小于0.5nm。在层结构1的存在下，所述金属层3具有所述发射器2的发射波长λ'的1/100至1/20之间的厚度是有利的改变，特别是有利的增强，如将在下面相对图2和3进行说明的。所述衬顶层4和衬底层5是由第一和第二介电材料制成(如氮化硅为衬顶层4和石英为衬底层5)，其具有不同的介电常数，以获得不对称的层结构1。

可利用所示的层结构1实现的辐射改变克服了表面增强荧光领域中已知配置的缺点，这依赖于高的抽送强度、复杂的三维形状的耦合设置(通常的棱镜状顶端结构等)以及横向构造的金属结构。在所示的配置中，改变后的发射器2的辐射源自发射器2本身，而不是来自所述层结构1，导致对横向分辨率没有引入任何额外限制——超越了由于薄的连续金属盒电介质和实现的同质化——藉此，所述发射器可以集中(localized)。

根据本发明的一个重要方面，所述结构层1利用其他情况下往往不希望的、由非对称层结构1支持的长程表面等离子激元(LRSPP)模式的截止能量Ec，所述非对称层结构1包括电介质衬底层5、金属层3和电介质衬顶层4。所示的设计也依赖于有限数量的激发的能量跃迁，其是许多发射器2(如典型的荧光染料)可被有效地激发到的且弛豫通过的。在显示的层结构1中，所述截止能量Ec出现在发射器2的最低激发态之上，但低于具有足够大的弗兰克-康登(Franck-Condon)系数的高阶激发态，以使得支持的表面等离子激元的激发可以另外地泵送最低激发态。这就产生了增加的发射强度，这将允许更高的横向分辨率定位并允许实现受激发射。

图2示出了Jablonski能量图以例如荧光染料的作用进行建模。为简单起见，荧光染料假定仅具有三种状态：E_i，其中i=0，1，2，其中E₀是基态，E₁和E₂为第一和第二激发态。然而，对本领域技术人员而言明显的是，层结构1实现的改变效果也可以相应地模拟其他不同的配置。此外，该图也可以理解为这样的跃迁能量图，其中仅仅解释了不同状态之间的能量差(相对于Jablonski图中的绝对能量)。两个激发态E₁和E₂的能量具有能量E₁=Ec-δ/2和E₂=Ec+δ/2，其中Ec是SPP模式的截止能量Ec。δ的值假定为激发的振动/转动能量状态之间的能差的量级。可以包括任意数量的高级或低级激发态，假设该不在Ec附近的高级激发态非辐射的耦合到所述结构，而低级激发态进行内部转换直到它们达到最低激发状态，在那里他们可以辐射衰减。当耦合到非辐射层结构时，可以通过方程(2)获得具有频率ω'的荧光染料的可测量辐射发光强度，得到任意的激发光谱E(ω)。

$\begin{array}{c}{I}^r\left(\mathrm{\&omega;}\right)\&Proportional;{|{\widehat{\mathrm{\&mu;}}}_1^{\mathrm{ex}}\&CenterDot;E^{\mathrm{ex}}\left({\mathrm{\&omega;}}_{10}\right)|}^2{f}_{01}{b}_{10}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{10}^r}{{\mathrm{\&Gamma;}}_1)}\\ +{|{\widehat{\mathrm{\&mu;}}}_2^{\mathrm{ex}}\&CenterDot;E^{\mathrm{ex}}\left({\mathrm{\&omega;}}_2\right)|}^2{f}_{02}[b_{20}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{20}^r}{{\mathrm{\&Gamma;}}_2}+b_{10}\left(\mathrm{\&omega;}\right)\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{21}{\mathrm{\&Gamma;}}_{10}^r}{{\mathrm{\&Gamma;}}_2{\mathrm{\&Gamma;}}_1}]\\ +\mathrm{\&Delta;}{I}^P\left(\mathrm{\&omega;}\right)\end{array}---\left(2\right)$

这里，

是第i激发态的激发偶极矩，

是能级i和j之间的辐射(非辐射)跃迁速率，Γ_i为由给出的状态i的总衰变速率，其中

是没有所述结构的总衰变速率，且

是由于所述结构的衰变速率增加量，b_ij(ω')是以ω=ω_ij为中心、假设ω=ω'由Lorentzian给出的相对宽化量，并且f_ij是状态i和j之间的弗兰克-康登系数。方程(2)的第一行是状态E₁激发和辐射衰减所贡献，第二行是E2激发以及相应的辐射衰减(分别是直接地，和通过E₁)所贡献。为了简单起见，仅考虑自发辐射衰减以及忽略所有多光子情况、三重态耦合和光漂白(photobleaching)。还假设了整体的总量子效率。方程(2)的最后术语，ΔI^P(ω)，是通过所述层结构耦合在第二激发态和第一激发态间的结果。由界面(对于包括石英/Ge/Ag/Si3N4/H2O的最优化层结构中横向磁场强度与所述距离关系的情况，参考图3)附近的高场强可以看出这是显著的。这将会大大减少寿命并因此产生显著地能谱宽化，由方程(3)给出

$\mathrm{\&Delta;}{I}^P\left(\mathrm{\&omega;}\right)~{|{\mathrm{\&mu;}}_1^{\mathrm{ex}}\&CenterDot;E_2^P\left({\mathrm{\&omega;}}_{10}\right)|}^2{f}_{01}\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_{10}^r}{{\mathrm{\&Gamma;}}_1}{b}_{10}\left(\mathrm{\&omega;}\right)---\left(3\right)$

其中E₂ ^P(ω₁₀)为所述层结构在ω→ω₁₀时估计的背反应场(back reactedfield)，其由方程(4)给出

$E_2^P\left({\mathrm{\&omega;}}_{10}\right)=f_{02}{|{\mathrm{\&mu;}}_2^{\mathrm{ex}}\&CenterDot;E^{\mathrm{ex}}\left({\mathrm{\&omega;}}_{20}\right)|}^2{f}_{02}\frac{{\mathrm{\&Gamma;}}_2^P}{{\mathrm{\&Gamma;}}_2}{E}_R\left({\mathrm{\&omega;}}_{20}\right){\mathrm{\&omega;}}_{21}^P---\left(4\right)$

这里术语

代表共振激发模式下的有限能量宽度，这是其有限寿命的结果。对于SPP共振，这可以由Lorentzian方程计算

${\mathrm{\&omega;}}_{21}^P{=\left(2\mathrm{\&pi;}\right)}^{-1}{\mathrm{\&Gamma;}}_2^P{[{({\mathrm{\&omega;}}_2-{\mathrm{\&omega;}}_1)}^2+{({\mathrm{\&Gamma;}}_2^P/2)}^2]}^{-1}$

使用经典的偶极子处理，其得到的结果可相比于小发射器并且发射器-衬顶距离大于～10nm的全量子机械处理，在所述层结构的存在下，可以获得良好精度的衰减速率改变。对于垂直(⊥)和平行(||)取向偶极子的情况，衰减速率的提高可以由方程(5)表示。

${\mathrm{\&Gamma;}}^{\&prime;}=\frac{3}{2\mathrm{\&mu;}}\frac{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{k_1^3\mathrm{\&mu;}}{\mathrm{\&Gamma;}}^0\mathrm{Im}\left[E_R^{\&perp;,\left|\right|}\right]---\left(5\right)$

在方程(5)中，所述反射场E_R由方程(6)和(7)给出。

$E_R^{\&perp;}(u^{-},u^{+},z^{\&prime;})=\frac{k_1^3\mathrm{\&mu;}}{{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{\&Integral;}_{u_{-}}^{u^{+}}\mathrm{du}\frac{u^3}{l_1}{r}_p{e}^{-2l_1{k}_1{z}^{\&prime;}---\left(6\right)}$

$E_R^{\left|\right|}(u^{-},u^{+},z^{\&prime;})=-\frac{k_1^3\mathrm{\&mu;}}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{\&Integral;}_{u_{-}}^{u^{+}}\mathrm{du}\frac{u}{l_1}[\left(1-u^2\right)r_p+r_s]e^{-2l_1{k}_1{z}^{\&prime;}}.---\left(7\right)$

方程(5)中，Γ⁰是不存在所述层结构1的情况下的衰减速率，z'是所述荧光染料和所述层结构之间的距离，μ是偶极矩，r_p和r_s是p-和s-偏振反射系数(polarization reflection coefficients)，这可以通过转换矩阵(即，Fresnel方程)确定。状态i的总衰减速率为Γ_i=Γ₀+Γ'，其中方程(6)和(7)的积分范围是[u⁺,u^-]=[0，∞]。对于特殊模式的贡献，所述限制由所述模式的横向波失宽度定义，正如所述模式损耗所确定的，即对于S_b模式来说，

$u^{\&PlusMinus;}~[k_x^{\&prime;\mathrm{sb}}\&PlusMinus;k_x^{\&prime;\&prime;\mathrm{sb}}]k_0^{-1}$

所述发射器的总可测量辐射衰减速率为

其中Γ'由方程(5)和(2)给出。最后，对于反射场E_R的两个分量，可以通过方程(8)和(9)获得。

$E_R^{\&perp;}\left(z^{\&prime;}\right)=\frac{k_1^3\mathrm{\&mu;}}{2{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{u^3}{l_1}[(1-{\left|r_p\right|}^2)+2r_p{e}^{-2l_1{k}_1{z}^{\&prime;}}]\mathrm{du}---\left(8\right)$

$\begin{array}{c}{E}_R^{\left|\right|}\left(z^{\&prime;}\right)=\frac{k_1^3\mathrm{\&mu;}}{4{\mathrm{\&epsiv;}}_1}{\&Integral;}_0^{\mathrm{\&alpha;}}\frac{u}{l_1}[{(1-|r_s\left|\right)}^2+(1-u^2)(1-{\left|r_p\right|}^2)\\ -[r_s+(1-u^2)r_p]e^{-2l_1{k}_1{z}^{\&prime;}}]\mathrm{du}\end{array}---\left(9\right)$

这里，积分限α=sinθ_max，其中θ_max最大检测角。由此可见，由于方程(5)-(9)在截止能量附近的频率依赖性强，通过测量合适目标物的发射光谱的改变，其为所示的层结果存在的结果，可以推断纳米层和多级发射器之间的分离。

因此，图2的Jablonski能量图显示了，对于荧光染料，发射器2的激发态耦合非对称层结构1对于E>E_c和E<E_c(其中E_c是SPP截止能量)不同。

图2下图示意性显示了所述层结构1(其中荧光发射器2由μ表示)，以及束缚对称s_b(高于和低于截止能量Ec)、束缚反对称a_b以及漏对称模式s_l的横向磁场振幅H_y。箭头显示的是当与发射器2耦合时，能量流动方向。

在上面所讨论的三态模型中，增强的发射只发生在频率ω₀₁附近。然而，即使是现实的多激发水平发射器的情况下，期望相对地提高E<E_C的跃迁。因此，这种幅度的强度增加可用来以高精度推断荧光染料和金属层之间的距离，如同从图3中可以得到的(也可参见图11)。

图3示出了跨层结构1的横向磁场振幅Hy以及包括其上部的发射器2的样品介质(例如水)，其示出了距离与磁场振幅大小Hy的关系。

图4示出了用于执行检测发射器2(例如荧光团)发生的辐射的成像方法的装置9的示意图。发射器2布置在层结构1之上。用于支撑发射器2(或多个这样的发射器2)的层结构1优选是涂覆在合适的衬底10上的形式，该衬底10可以是常规的由石英制成的载玻片。荧光图像(例如发射器2染色的样本的，如荧光染料或标记)由在所述荧光显微装置内的反射，透射或倏逝光(evanescent illumination)产生。装置9包括用于发射(激)光(特别是可见光)的光源11(例如灯或激光)，这是用作激励发射器2的激发辐射。设置二色性反射镜12用于反射该激发辐射(最好是窄频带)到发射器2的方向。使用物镜13聚焦激发辐射。聚焦的激光辐射施加到发射器2，其被设置在使用上述的层结构1涂覆的透明衬底层10上。装置9还包括发射光滤光片14，用于选择发射波长λ。设置管透镜15来形成实像。用检测器16检测发射器2的发射光，发射器2可能是荧光灯或相关的辐射现象(磷光等)。设置阶段17和/或扫描反射镜系统18，以允许扫描包括发射器2组合体的试样，同时相对彼此移动试样和激光。

实施例A：

在第一实施例中，厚度在5-25nm金属层3(优选由Ag制成)用标准物理气相沉积(PVD)技术制备于1-2nm厚的Ge润湿层3''涂覆的石英或玻璃衬底5，10(也使用PVD沉积)上。对于“负荷”衬顶层4，高纯度的Si₃N₄通过PVD沉积在金属层3上。层结构1的各个层的厚度精度在纳米以下，如同由原位石英晶体厚度监控仪测量的和使用椭圆光度法(elipsometry)的后晶圆测量的。对于Ag界面8，通过AFM轻敲模式测量的粗糙度小于0.4nm(RMS)。相应的石英衬底5，10，Ge润湿层3''和“负荷”介电衬顶层4的表面6(也由AFM测得)的粗糙度均小于0.5nm(RMS)，这被证明是适合于观察发射器2的辐射改变的有利效果。

有关本调查的样品制备，在37℃，存在5％CO₂的条件下，将B16F1小鼠黑色素瘤细胞和NIH3T3小鼠成纤维细胞(美国菌种保藏中心)保持于含1％青霉素，1％链霉素，1％的谷氨酰胺和10％胎牛血清(PAA Laboratories公司)的高葡萄糖的Dulbecco's改性的伊格尔培养基(DMEM)中。

然后，将所制备的细胞接种到层结构1包覆的石英衬底上，该石英衬底额外涂覆有25毫克/毫升的层粘连蛋白(Sigma-Aldrich公司，奥地利)，并在37℃孵育至少4小时。同时在含4％多聚甲醛的细胞骨架的缓冲液(CB：10mM MES，150mM NaCl，5mM EGTA，5mM葡萄糖和5mM氯化镁，pH6.1)中将细胞固定15分钟，并用含0.2％的Triton X-100的CB溶液萃取1分钟。使用单克隆小鼠抗体对桩蛋白(BD Transduction Laboratories公司)，1:1000稀释在含1％BSA(牛血清白蛋白)的PBS缓冲液中进行免疫染色。二次抗体(1:750稀释)是耦合ALEXA488(Invitrogen公司)的山羊抗小鼠抗体。

使用上述涂覆的基材作为基础的样品的进行荧光显微术。测试样品由稀释并薄涂在衬底上的单个染料或者荧光珠组成。活细胞在层粘连蛋白涂覆的基底上培养。为了观察上表面上的固定细胞的特性-如Trypon Be所研究的情况下感兴趣的-所述装置包括放置所述层结构1于所述细胞上和通过所述细胞以及该细胞生长的薄(<0.3nm)盖板玻璃成像。所有的荧光研究通过Zeiss LSM710(使用63X1.4NA的油浸物镜)或改型的蔡司ZL.Observer(使用63X1.2NA水浸物镜)上的标准cover class(参照图3)进行，并(Andor iXon+)EMCCD相机收集。该装置和拍摄使用Zeiss Zen中的平台或定制Labview程序分别针对控制前置和后置装置进行控制。使用LED光源(Precisexcite，COOLED^TM)提供波长400nm、465nm、525nm的光，并使用氪/氩混气激光(488nm和568nm)和蓝色二极管激光(405nm)相干激发。使用MATLAB(Mathworks，美国)进行分析及相关滤波。

通过进行数值分析来实现切片(Sectioning)，所述数值分析是根据测得的发射光谱，基于方程(1)～(9)进行。后者是采用光电倍增管(PMT)阵列(QUASAR-Quiet Spectral Array,Zeiss)测得的，其在λ=450→800nm的范围内具有3nm的分辨率，连接到Zeiss LSM710显微镜上。

图5所示的是标记为Alexa488(Invitrogen公司)的NIH3T3细胞中的桩蛋白(发现于附着点)。由左到右，图5示出的图像分别是由无涂层的衬底(a)，由在水溶液(优化用于绿色荧光)中涂层的层结构1(b)，以及在具有典型的浸油的折射率安装介质中涂层的层结构1(c)获得的；下面的图显示细胞的DIC/相衬度图像。该图像是使用1.2NA油浸接物镜的聚焦图像(1艾里单位针孔(Airy unit pinhole))。相干激发是在488nm波长处。

实施例B

稀释在n=1.56的固定介质(mounting medium)(Invitrogen公司)中的荧光分子和小的单色和多色荧光(红，绿，蓝)珠移液在层结构1涂覆的衬底上并用传统的盖玻片覆盖，并进行成像。使用如实施例A中所述的装置9和技术进行成像和频谱分析。

图6a示出了石英/Ge/Ag/Si₃N₄层结构1上的绿珠(Invitrogen MultiSpecT^M)测得的发射光谱，该层结构1的参数由表1中的最后一项给出。使用来自相干光源11的广角激发辐射和通过63x NA1.4油浸物镜的成像。从图6a中可以得到，相比用传统设计(参见下面的线20)所发射的辐射，通过层结构1(参见上面的线19)显著地提高了辐射。

图6b示出了作为发射波长λ'的函数的发射光谱的变化。发射辐射随波长λ'增加的减少率可以被用来推断发射器2，即荧光团，和层结构1之间的距离。拟合的曲线是以10nm改变的不同距离参数的Lorenzians平方的曲线。中间的曲线构成该数据集的最好拟合(χ²)，且对应的距离为30nm。内插图显示了在整个测量频谱范围减少。对于这种结构，截止波长λ_c在2πc/ω_c≈500-600nm的范围内。

图7示出的是在平面石英衬底(参见a图)上的荧光珠和具有层结构1(参见b图)的衬底5,10上的荧光珠的发光强度I(523nm<λ<533nm)。相关的参数与图6中的实施例中基本上相同。这两个荧光珠在相同的石英片上成像，其中只有约一半的石英片(对应于b图)涂覆层结构。

图8示出了不同的发射波长λ'(标记在图中)下的光子强度分布曲线，其中，所述涂覆的基材上的荧光团(实线)的高强度的光子强度分布曲线图已被缩放以与传统的、未涂覆的基片(虚线)的进行比较。在规定的强度(窄化的峰)，光子数量的相对增加可以解释为等离子体激元耦合的结果。

实施例C

层结构1对涉及光可活化蛋白的研究也是有利的。有效的耦合所述高激发态到层结构1中的长寿命绑定模式(long lived bound mode)能够提高低(激活)跃迁能的场强和增加辐射衰变或仅用激活源诱导显著的辐射衰变。为了证明这种用途，研究了布氏锥虫(panosoma brucei)细胞中paGFP标记的MORN蛋白。由于这种蛋白质是在细胞表面附近发现，所述在常规的盖玻片上生长该细胞且将层结构1压靠其表面上。然后，如前面所述，通过该细胞进行常规成像和光谱成像。

图9可以看出，荧光团的荧光在薄的(6nm和12nm厚)的超光滑银薄膜的紧邻处降低。因此，与如上面所讨论的层结构1相反，仅提供了光滑的金属表面会使所得到的荧光猝灭。该荧光团是在561nm(相干光)激发的红色荧光珠(Invitrogen公司MultiSpec(TM))，具有可与Alexa561相比较的光物理性质。有效利用了广角激发和具有63x NA1.4油浸物镜成像。

图10示出了在层结构1顶上的B16成纤维细胞上的GFP标记的桩蛋白的动态。分析了细胞前方(下图)和后方(上图)的粘连部位的1x1平方微米的发射光谱(490至700nm)的变化。短波长λ'发射相对长波长λ'发射的变化被用来推断垂直层结构1的距离(从层结构1的表面6测量)。结果揭示了蛋白在接近表面6的亚100nm范围内上下运动。因此，提供层结构1使得精确的动态测量成为可能。

图11示出的层结构1在激发辐射的带通滤波中的应用。层结构1的上方配置包括发射器2组合体的增益介质21。强度I(入)的激发辐射耦合到增益介质21且获得强度I(出)的反射辐射。激发辐射跨越了激发波长谱λ。由于与发射器2的相互作用，短波长范围1和大波长范围3的激发辐射大量衰减，然而在高于截止能量值Ec的中间波长范围2的激发辐射增强，这导致相对较高的反射系数R(见右侧图表)。如上所述，在范围2中的增强是由于层结构1的存在。另一方面，在范围1中，SPP模式不衰减到增益介质21，致使层结构1和发射器2之间耦合弱，并且各自的激发波长λ衰减。另外，观察到，相比于在阈值能Ec以上激发，低于一定的激发波长λ(范围3)的增强效果逐渐消失且所得到的发射辐射λ'降低。对本领域技术人员明显的是，所述层结构1也可以用来实现在其附近的粒子数反转发射器2。

Claims (13)

1.一种改变激发发射器(2)的辐射特性的方法，其中，所述发射器(2)设置在包括金属材料的层结构(1)的附近，使得所述发射器(2)耦合到所述层结构(1)的表面态、特别是表面等离子激元，其改变发射器(2)的辐射特性，其特征在于，所述层结构(1)包括夹在非金属衬顶层(4)和非金属衬底层(5)之间的金属层(3)，其中至少所述金属层(3)和所述衬顶层(4)被光滑界面(8)分隔开，所述光滑界面具有等于或小于1纳米的均方根粗糙度，并且其中所述金属层(3)的厚度在所述发射器(2)的发射波长(λ')的1/100至1/20之间。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光滑界面(8)通过在衬底层(5)上沉积润湿层(3'')来制备和/或以脱模方法来制备。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在介电衬顶层(4)的介电常数不同于衬底层(5)的介电常数。

4.如权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述金属层(3)由选自银、金、钯、镍、铬、铝、铝-锌-氧化物，镓-锌-氧化物，镉或它们的合金构成的组中的金属材料形成。

5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，所述衬顶层(4)由选自氧化铝、二氧化硅、二氧化钛、氮化硅、碳化硅或聚合物中的材料形成。

6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述发射器(2)发射波长(λ')在250nm到1600nm的辐射，优选405nm到600nm的辐射。

7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述层结构(2)附近的发射器(2)发出的改变的辐射用于包括发射器(2)的样品的成像。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，样品的成像使用包括载玻片的显微镜装置(9)进行，所述载玻片被层结构(1)覆盖或由层结构(1)组成，以改变包含发射器(2)的样品的辐射，所述发射器(2)设置在所述层结构(1)的非金属衬顶层(4)上。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的方法，其特征在于，发射器(2)是发射荧光的荧光团，尤其是荧光染料。

10.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述层结构(1)附近的发射器(2)发出的改变的辐射用来确定发射器(2)的位置和/或用于测量的发射器(2)和层结构(1)之间的距离。

11.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述层结构(1)附近的发射器(2)的辐射特性的改变用于带通或带阻滤波。

12.如权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，所述层结构(1)附近的发射器(2)的辐射特性的改变用于发射器(2)的受激发射。

13.一种具有金属材料的层结构(1)，用于通过在发射器(2)和所述层结构的表面态、尤其是表面等离子体激元之间进行耦合而改变位于其附近的激发发射器(2)的辐射特性，其特征在于，该层结构(1)包括金属层(3)，其夹在非金属衬顶层(4)和非金属衬底层(5)之间，其中至少所述金属层(3)和所述衬顶层(4)被具有等于或小于1纳米的均方根粗糙度的光滑界面(8)分隔开，并且其中所述金属层(3)的厚度在所述发射器(2)的发射波长(λ')的1/100至1/20之间。

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