CN104350377A

CN104350377A - 散射光谱学纳米传感器

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Publication number: CN104350377A
Application number: CN201280073968.6A
Authority: CN
Inventors: G.吉布森; Z.李; A.M.布拉特科夫斯基; S-Y.王; H.P.郭; S.J.巴塞罗; Z-L.周
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2012-07-29
Filing date: 2012-07-29
Publication date: 2015-02-11
Anticipated expiration: 2032-07-29
Also published as: US9212997B2; EP2880423A4; US9389186B2; EP2880423A1; EP2880423B1; WO2014021808A1; CN104350377B; US20150103340A1; US20160103074A1

Abstract

一种散射光谱学纳米传感器包括纳米尺度图案化的感测衬底，其在被光学刺激询问时产生对分析物的存在进行指示的光学散射响应信号。散射光谱学纳米传感器还包括保护性覆盖物，其覆盖和保护纳米尺度图案化的感测衬底。保护性覆盖物通过暴露于入射在保护性覆盖物上的光束被可选择地移除。保护性覆盖物在被移除之前防止分析物与纳米尺度图案化的感测衬底相互作用。

Description

散射光谱学纳米传感器

对相关申请的交叉引用

N/A

关于联邦资助的研究或开发的声明

N/A。

背景技术

未知物质的检测和识别（或至少分类）长久以来已是极大地令人感兴趣的并且已经在近年来呈现甚至更重大的意义。在持有对于精确检测和识别的特别前景的方法之中的是各种形式的光谱学。光谱学可以用于通过使用作为当材料被一种形式的电磁辐射（例如可见光）照射时的结果的吸收光谱和发射光谱中的一个或二者来分析、表征和识别物质或材料。通过照射材料产生的吸收和发射光谱确定材料的光谱“指纹”。一般地，光谱指纹是特定材料的便于识别材料的特性。在最强大的光学发射光谱学技术之中的是基于拉曼（Raman）散射的那些。

散射光谱学是识别、监视和表征范围从相对简单的无机化学化合物到复杂生物分子的各种分析物种类（即分析物）的重要手段。在各种类型的散射光谱学之中的是利用拉曼散射和归因于来自分析物的荧光（例如荧光散射）的散射的方法。一般地，散射光谱学采用信号来激发分析物，分析物进而产生响应或散射信号，其取决于分析物的特性（例如构成元素）。在一些实例中，通过检测和分析散射信号（例如使用光谱分析），可以识别并且甚至量化分析物。

附图说明

参考结合附图进行的以下详细描述，可以更加容易理解依照本文所描述的原理的示例的各种特征，其中同样的参考标号指明同样的结构元件，并且其中：

图1图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器的一部分的横截面视图。

图2图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的多个纳米棒的丛束（bundle）的透视图。

图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图3A中图示的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图3B中图示的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器的支架（stent）的透视图。

图5A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图5B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图5A的散射光谱学纳米传感器的放大部分的横截面视图。

图6图示了根据与本文所描述的原理一致的另一示例的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图7图示了根据与本文所描述的原理一致的又一示例的散射光谱学纳米传感器的横截面视图。

图8图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的纳米传感器系统的框图。

图9图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的使用散射光谱学来感测分析物的方法的流程图。

某些示例具有附加于或替代于以上参考的图中图示的特征的其它特征。以下参考以上参考的图来详述这些和其它特征。

具体实施方式

依照本文所描述的原理的示例提供通过使用散射光谱学而对各种分析物的检测或感测。特别地，依照本文所描述的原理的示例通过散射光谱学纳米传感器来提供对分析物的感测。在一些示例中，散射光谱学纳米传感器可以提供对分析物（例如生物种类）的基本上连续的体内监视。而且，散射光谱学纳米传感器可以提供与包含或承载分析物的流体（例如血液）的密切接触而没有与流体或与流体流的实质干扰。

本文所描述的原理的示例采用散射光谱学来检测或感测分析物或目标种类的存在。在本文中，可适用形式的散射光谱学包括但不限于，表面增强的拉曼光谱学（SERS）、表面增强的相干反斯托克斯拉曼散射（SECARS）、拉曼光谱学的各种空间偏移和共焦版本、荧光光谱学（例如使用荧光标记或标签）以及等离子体谐振的直接监视。散射光谱学可以提供对分析物的检测和在一些示例中的量化。特别地，根据各种示例，可以为被吸附到散射光谱学纳米传感器的传感器表面上或者与其紧密相关联的分析物提供检测或感测。在本文中，为了讨论的简单而非作为特定限制（除非另行指示），一般将参考拉曼散射光学光谱学来描述散射光谱学。

如本文参考的拉曼散射光学光谱学，或者简单地，拉曼光谱学采用由通过被照射的材料的内部结构的光子的非弹性散射产生的发射光谱或其光谱分量。通过非弹性散射产生的响应信号（例如拉曼散射信号）中包含的这些光谱分量可以便于确定分析物种类的材料特性，其包括但不限于，识别分析物。表面增强的拉曼散射（SERS）光学光谱学是采用拉曼活性表面的拉曼光谱学的形式。SERS可以显著增强由特定分析物种类产生的拉曼散射信号的信号水平或强度。特别地，在一些实例中，拉曼活性表面包括与诸如但不限于纳米指（nanofinger）或纳米棒之类的纳米结构的尖端相关联的区域。纳米棒的尖端可以充当纳米天线，用以集中照射场和放大拉曼发射中的一个或二者从而引起例如拉曼散射信号的强度的进一步增强。

在SERS的一些示例中，包括多个纳米棒的SERS表面被配置成增强拉曼散射信号从分析物的产生和发射。特别地，在一些示例中，在“拉曼活性”配置中与纳米棒（例如纳米棒的尖端）相关联和围绕纳米棒（例如纳米棒的尖端）的电磁场可以增强从分析物的拉曼散射。在拉曼活性配置中，纳米棒自身以及纳米棒的尖端的相对位置可以提供增强的拉曼散射。

“纳米棒”或等同地“纳米指”在本文中被定义为细长的纳米尺度（nanoscale）结构，其具有超过取于垂直于长度的平面中的纳米尺度横截面尺寸（例如宽度）若干倍以上的长度（或高度）（例如长度>大约5倍宽度）。一般地，纳米棒的长度比纳米棒宽度或横截面尺寸大得多。在一些示例中，长度超过横截面尺寸（或宽度）5或10倍以上。例如，宽度可以是大约40纳米（nm）并且高度可以是大约400nm。在另一示例中，纳米棒的基底处的宽度可以在大约20nm和大约100nm之间的范围并且长度可以大于大约1微米（μm）。在另一示例中，纳米棒可以是圆锥形的，其中基底具有范围从大约100nm和大约500nm之间的宽度以及可以在大约一半（0.5）和若干微米之间的范围的长度或高度。

在各种示例中，多个纳米棒可以被生长（即通过加成过程产生）或者通过蚀刻或减成过程产生。例如，纳米棒可以通过使用气-液-固（VLS）生长（growth）过程而生长为纳米线。在其它示例中，纳米线生长可以采用气-固（V-S）生长过程和溶液生长过程之一。在还其它的示例中，生长可以通过定向的或受激的自组织技术实现，诸如但不限于聚焦离子束（FIB）沉积和激光引发的自组装。在另一示例中，纳米棒可以通过使用诸如但不限于反应离子蚀刻之类的蚀刻过程来移除周围材料从而留下纳米棒来产生。在还其它的示例中，包括但不限于纳米压印光刻的各种形式的压印光刻以及使用在微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）的制造中的各种技术可适用于纳米棒和本文所描述的各种其它元件的制造。

本文的“纳米颗粒”被定义为具有基本上类似的长度、宽度和深度尺寸的纳米尺度结构。例如，纳米颗粒的形状可以是圆柱体、球体、椭圆体或多面球体或椭圆体，或者立方体、八面体、十二面体或另一多边形。纳米颗粒在其它示例中可以包括基本上不规则的三维形状。纳米颗粒的大小例如在直径或尺寸中可以范围从大约5nm到大约200nm。在一些示例中，纳米颗粒尺寸可以在大约50nm到大约100nm，或者大约25nm到大约100nm，或者大约100nm到大约200nm，或者大约10nm到大约150nm，或者大约20nm到大约200nm的范围内。另外如本文所定义的，根据一些示例，“纳米颗粒”区别于“纳米颗粒催化剂”或“催化剂纳米颗粒”和纳米颗粒的层或涂层。

在本文中“透镜”被定义为被配置成聚焦或以其它方式引导光束或光学信号的有意形成的光学结构。在一些示例中，透镜可以是分离的、孤立的透镜。可替换地，透镜可以是阵列中的多个透镜之一。例如，透镜可以是微透镜（lenslet）的阵列的微透镜。“集成”透镜被定义为形成或者以其它方式被提供为另一结构的集成部分的透镜。通过“有意形成”，意味着与仅提供固有的功能相对，出于预期目的而创建光学结构。例如，透镜可以是有意形成的光学结构，其被设计和制造成提供特定数值孔径、焦距等。

另外，如本文所使用的，冠词“一”旨在具有其在专利领域中的普通含义，即“一个或多个”。例如，“一纳米传感器”意指一个或多个纳米传感器，并且这样，“纳米传感器”在本文中意指“（多个）纳米传感器”。同样，在本文中对“顶部”、“底部”、“较高”、“较低”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”或“右”的任何参考不旨在作为在本文中的限制。在本文中，术语“大约”当应用于值时一般意指在用于产生值的装备的容差范围内，或者在一些示例中，意指加或减10%，或者加或减5%，或者加或减1%，除非另行明确指定。而且，在本文中的示例仅仅旨在是说明性的并且为了讨论目的而不是作为限制而呈现。

图1图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器100的一部分的横截面视图。散射光谱学纳米传感器100被配置成感测流过或者邻近于散射光谱学纳米传感器100的流体中的分析物。例如，图1中的箭头102图示了经过散射光谱学纳米传感器100的流体流方向。

如图1中所图示的，散射光谱学纳米传感器100包括纳米尺度图案化的感测衬底110。根据各种示例，纳米尺度图案化的感测衬底110被配置成产生对分析物的存在进行指示的光学散射响应信号。特别地，根据各种示例，光学散射响应信号可以在纳米尺度图案化的感测衬底110被光学刺激（例如光学刺激束或信号）询问时产生。

在一些示例中，流过纳米尺度图案化的感测衬底110的流体在流体管道中流动。例如，流体管道可以包括血管并且流体可以包括血液。例如，散射光谱学纳米传感器100可以提供对血液中承载的分析物的体内感测。在其它示例中，承载血液的流体管道可以是连接到血管的管（例如在有机体外部），在这种情况中分析物感测可以不是体内的。

在一些示例中，纳米尺度图案化的感测衬底110包括表面增强的拉曼光谱学（SERS）衬底。在这些示例中，光学散射响应信号可以包括SERS散射信号。在其它示例中，纳米尺度图案化的感测衬底110可以包括另一光学散射衬底，包括但不限于，使用红外光谱学和荧光光谱学中的一个或二者的衬底。例如，纳米尺度图案化的感测衬底110可以包括被配置成当存在分析物时产生荧光信号的经标签的结构。

在一些示例中，SERS感测衬底可以包括被布置在阵列中的多个纳米棒112。根据一些示例，纳米棒112具有与附接到支撑114的端相对的自由端。在一些示例中，支撑114可以包括提供用于纳米棒112的支撑的衬底。在一些示例中，纳米棒112在固定端处刚性地附接到支撑114。在其它示例中，纳米棒112例如通过中间材料或层而间接附接到支撑114。

在一些示例中，阵列中的至少一些纳米棒112在自由端处具有金属性尖端。例如，金属性尖端可以被配置成吸收或者吸附分析物。在一些示例中，在纳米棒112的自由端处的金属性尖端可以被功能化。例如，特别地，纳米棒可以被功能化成优选地绑定到特定分析物种类或提供特定分析物种类的选择性吸收。

在一些示例中，多个中的纳米棒112可以包括在尖端附近被附接到自由端的纳米颗粒116。在一些示例中，纳米颗粒116的材料可以不同于纳米棒112的材料。例如，尖端可以包括例如从纳米棒生长中保留的金属（例如金）纳米颗粒116。在这些示例中的一些中，纳米颗粒116可以被配置成增强拉曼散射和便于选择性分析物吸收（例如通过功能化）中的一个或二者。特别地，在一些示例中，纳米颗粒116包括适于拉曼增强的材料。例如，纳米颗粒116可以包括诸如但不限于金、银、铂、铝和铜之类的材料。

在一些示例中，多个中的纳米棒112包括多个纳米棒112。例如，多个纳米棒112可以布置成丛束。如本文所使用的，“丛束”被定义为相对小的成组或小阵列。例如，丛束可以包括两个、三个、四个、五个、六个或更多纳米棒112。根据各种示例，丛束的纳米棒112可以被布置使得纳米棒122的自由端和固定端分别位于多边形或多面体（例如二角形、三角形、四角形、五角形、六角形等）的顶点处。在另一示例中，丛束可以具有高达大约十个纳米棒112。在又一示例中，丛束可以具有少于大约十五个纳米棒112。而且，在一些示例中，可以存在多个这样的丛束。

图2图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的多个纳米棒112的丛束的透视图。图2中图示的丛束包括五个纳米棒112。另外如所图示的，丛束的多个纳米棒112被布置为五角形。在其它示例中，多个纳米棒112可以被布置在更大的阵列（未图示）中。例如，更大的阵列可以具有数十个纳米棒、成百个纳米棒或甚至更多。包括小阵列（例如丛束）和大阵列二者的阵列可以包括但不限于，线性阵列或一维（1-D）阵列或二维（2-D）阵列（例如直线阵列、圆形阵列等）。

在丛束中或者在阵列中的纳米棒112可以触碰彼此或者与彼此间隔开。例如，在丛束中的纳米棒112的尖端可以基本上触碰或者极接近，通过大约几纳米或更少的间隙而分离。另外，在丛束中或者在阵列中的纳米棒112可以朝向彼此倾斜（例如参见图1）。例如，倾斜可以便于纳米棒112的尖端之间的接触。当在丛束或阵列内被间隔开时，多个中的纳米棒112之间的间隔可以是规律的（即周期性间隔）或者不规律的（例如基本上随机间隔）。例如，多个中的纳米棒112可以以基本上平行的、规律间隔的、线性阵列的对来布置。

在一些示例中，纳米棒112可以包括半导体。例如，半导体可以包括掺杂或无掺杂（即基本上固有的）硅（Si）、锗（Ge）或Si和Ge的合金。在其它示例中，半导体可以包括砷化镓（GaAs）、砷化铟镓（InGaAs）、氮化镓（GaN）或各种其它III-V、II-VI和IV-VI化合物半导体中的一个或多个。在其它示例中，纳米棒112可以包括塑料或聚合物，诸如但不限于，聚氨酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯（P(tBMA)）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚苯乙烯、聚碳酸酯或有关塑料。在还其它的示例中，纳米棒112可以包括金属，诸如但不限于，金、银、铂、其它贵金属、铝铜或两种或更多金属的合金或组合。

再次参考图1，散射光谱学纳米传感器100还包括保护性覆盖物120。根据各种示例，保护性覆盖物120被配置成覆盖和保护纳米尺度图案化的感测衬底110。例如，当保护性覆盖物120就位时，保护性覆盖物120可以防止流体以及由流体承载的任何材料（例如分析物）到达和实质性地影响纳米尺度图案化的感测衬底110。例如，保护性覆盖物120可以基本上防止流体或由流体承载的材料破坏纳米尺度图案化的感测衬底110。另外，根据各种示例，当保护性覆盖物120就位时，保护性覆盖物120可以致使纳米尺度图案化的感测衬底110基本上是非活性的并且不能产生光学散射响应信号。例如，保护性覆盖物120可以防止分析物与纳米尺度图案化的感测衬底110相互作用以在被光学刺激询问时产生光学散射响应信号。

根据一些示例，保护性覆盖物120是邻近于表面的膜。例如，保护性覆盖物120可以是定位在纳米尺度图案化的感测衬底110的第一或顶部表面上的膜，如图1中所图示的那样。例如，膜可以定位在纳米棒112的纳米颗粒116的顶部上。在其它示例中（未图示），保护性覆盖物120可以是基本上接合到并且填充纳米尺度图案化的感测衬底110的特征周围的层。例如，保护性覆盖物120可以作为液体被施加以覆盖和基本上填充纳米尺度图案化的感测衬底110的特征（例如纳米棒）之间的空间。例如，液体可以被固化成固体以形成基本上包封纳米尺度图案化的感测衬底110的特征（在图1中未图示）的保护性覆盖物120。

另外，根据各种示例，保护性覆盖物120被配置成可选择地可移除。特别地，根据各种示例，保护性覆盖物120通过暴露于入射在保护性覆盖物120上的光束而选择性地可移除。在一些示例中，暴露于光束可选择地仅移除光束附近的保护性覆盖物120的一部分。例如，所移除的部分可以是在光束的半功率（例如3dB）射束宽度内的一部分。在另一示例中，可选择地移除的保护性覆盖物部分是在预定时间段内从光束暴露接收预定光学能量或强度的保护性覆盖物120的一部分。在其它示例中，整个保护性覆盖物120通过光束暴露可选择地移除。

例如，暴露于光束可以便于通过烧蚀保护性覆盖物120而移除保护性覆盖物120的一部分。例如，光束可以基本上“烧掉”保护性覆盖物120的所暴露的部分。根据一些示例，光束可以是光束宽度内足够功率的激光束以烧蚀保护性覆盖物120。

在另一示例中，保护性覆盖物120可以可选择地通过保护性覆盖物120的所暴露的部分的光引发的变更和热引发的变更中的一个或二者可移除。例如，暴露于光束可以致使保护性覆盖物120在流体中比暴露之前基本上更加可溶。根据一些示例，保护性覆盖物120的所暴露的部分可以在暴露于光束之后被流体（例如流过所暴露的部分）溶解并且移除。在一些示例中，光引发的变更或热引发的变更可以包括解聚。例如，保护性覆盖物120可以基本上类似于在暴露于光束时变得可溶的正光致抗蚀剂。在其它示例中，相对于或附加于解聚，光引发的或热引发的变更可以包括保护性覆盖物120的材料的状态转变（例如固体到液体）。例如，保护性覆盖物120的材料可以通过暴露于光束而融化（例如热引发的状态转变）。在还其它的示例中，光引发的或热引发的变更可以通过另一机制发生。

在另一示例中，保护性覆盖物120可以可选择地通过在保护性覆盖物120和纳米尺度图案化的感测衬底110之间的粘合中的光引发的改变和热引发的改变中的一个或二者可移除。例如，光束可以用来分解或以其它方式变更保护性覆盖物120和纳米尺度图案化的感测衬底110之间的粘合剂（未图示）层的粘合特性。根据各种示例，经变更的粘合可以便于保护性覆盖物120的局部和全局释放中的一个或二者。

在还其它的示例中，可以采用保护性覆盖物120的光束引发的选择性移除的另一机制，包括但不限于，光引发的化学反应和热引发的化学反应中的一个或二者。例如，光束可以便于保护性覆盖物120的成分之间的化学反应。化学反应可以导致保护性层120的分解（例如局部解体）。在另一示例中，保护性层120可以包括多个层。例如，暴露于光束可以导致层之间的化学反应，其导致保护性层120的选择性移除。

保护性覆盖物120的选择性可移除暴露底层纳米尺度图案化的感测衬底110的一部分。致使所暴露的部分对流体和可以存在于其中的任何分析物而言可到达。特别地，根据各种示例，致使纳米尺度图案化的感测衬底110的所暴露的部分是“活性的”并且因此能够在被光学刺激询问时产生光学散射响应信号。

根据各种示例，光束可以包括可以产生保护性层120的选择性移除的基本上任何频率或频率的组合。特别地，在一些示例中，光束可以包括在红外（IR）光谱中的频率。在一些示例中，IR光谱可以便于组织或其它居间材料被光束穿透。例如，当散射光谱学纳米传感器100被用作可植入纳米传感器（例如在血管中）以用于分析物的体内感测时，光束的穿透特性可能是重要的。在其它示例中，包括但不限于在可见和紫外（UV）光谱中的频率的这样的其它频率可以采用在光束中。

在一些示例中，光束的频率可以基本上类似于用于询问纳米尺度图案化的感测衬底110的光学刺激的频率。例如，用于提供保护性覆盖物120的选择性移除的光束与用于询问纳米尺度图案化的感测衬底110的光学刺激之间的差异可以是光束或信号的功率水平。在其它示例中，差异可以仅仅是时间上的差异。特别地，在第一段时间期间，特定光学信号可以充当选择性地移除保护性覆盖物120的光束。然后，根据一些示例，在第二（例如随后的）段时间中，特定光学信号可以充当光学刺激。

再次参考图1，在一些示例中，散射光谱学纳米传感器100还包括透镜130。特别地，根据各种示例，透镜130与散射光谱学纳米传感器100集成。如所图示的，集成透镜130是微透镜阵列中的多个微透镜中的微透镜。在一些示例中，集成透镜130被配置成将光束聚焦到保护性覆盖物120上。在一些示例中，集成透镜130被配置成将光学刺激聚焦在通过保护性覆盖物120的选择性移除所暴露的纳米尺度图案化的感测衬底110的一部分上。在一些示例中，集成透镜130被配置成收集通过使用光学刺激来询问纳米尺度图案化的传感器衬底110所产生的光学散射响应信号。在一些示例中，集成透镜130提供聚焦光束、聚焦光学刺激和收集光学散射响应信号中的两个或更多。例如，集成透镜130可以提供大于保护性覆盖物120和纳米尺度图案化的感测衬底110（例如每一个的表面）之间的分离的聚焦深度。

例如，集成透镜130可以聚焦光束以提供保护性覆盖物120处的预定光学强度来便于其选择性移除。例如，光束可以在集成透镜130之前以较低强度以避免破坏诸如但不限于光束通过其而经过以到达透镜130的组织之类的材料。在另一示例中，集成透镜130可以收集光学散射响应信号以便于例如其通过检测器的检测。在一些示例中，透镜130可以基本上使所收集的光学散射响应信号准直以便于检测。在其它示例中，透镜130可以聚焦所收集的光学散射响应信号以便于检测。

在另一示例中，光束和光学刺激可以是基本上同轴的。例如，公共照射源（例如激光器）可以用于产生光束和光学刺激二者。集成透镜130可以将光束聚焦在保护性覆盖物120的特定部分上以选择性地移除特定部分。集成透镜130然后可以将光学刺激聚焦到纳米尺度图案化的传感器衬底110上。由于同轴光束和光学刺激由相同的集成透镜130聚焦，由集成透镜130聚焦的光学刺激基本上询问由保护性覆盖物120的选择性移除所产生的纳米尺度图案化的传感器衬底110的暴露部分。因而，集成透镜130基本上提供相对于光束的光学刺激的自对准。

图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。特别地，在图3A中所图示的是纳米尺度图案化的感测衬底110和在纳米尺度图案化的感测衬底110的顶部上的保护性覆盖物120。另外图示的是在纳米尺度图案化的感测衬底110和保护性覆盖物120上方并且与其间隔开的集成透镜130。如所图示的，描绘了穿过集成透镜130的光束140。另外，如所图示的，通过集成透镜130将光束聚焦到保护性覆盖物120上。例如，聚焦可以降低光束140的直径以产生保护性覆盖物120上聚焦的光学能量的相对小的斑点142。根据一些示例，小斑点142可以暴露保护性覆盖物120的小于约1平方微米（1μm²）。

图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图3A中图示的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。特别地，图3B图示了随暴露于光束140之后的散射光谱学纳米传感器100。如所图示的，已经通过光束140可选择地移除了保护性覆盖物120的一部分。例如，保护性覆盖物120的选择性移除的部分在图3B中被图示为穿过保护性覆盖物120的孔122。孔122暴露底层纳米尺度图案化的传感器衬底110的一部分110'。另外，图3B图示了入射在通过保护性覆盖物120的选择性移除所暴露的纳米尺度图案化的传感器衬底110的部分110'上的光学刺激150。如所图示的，光学刺激150穿过集成透镜130并且被其聚焦。另外，集成透镜130将光学刺激150聚焦到与光束140的所聚焦斑点142的位置基本上相同的位置上。这样，如所图示的，光学刺激150通过集成透镜130与光束140基本上“自对准”。

图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图3B中图示的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。特别地，图3C图示了在利用刺激信号150的刺激之后从纳米尺度图案化的传感器衬底110的暴露部分110'辐射（例如通过保护性覆盖物120中的孔122）的光学散射响应信号160。光学散射响应信号160被图示为被集成透镜130截取或收集和基本上准直。在其它示例（未图示）中，集成透镜130可以将所收集的光学散射响应信号160聚焦在某个焦距处（例如以与检测器的孔径重合）而不是使所收集的光学散射响应信号160准直。注意到，当光学散射响应信号一般仅在通过光学刺激150对纳米尺度图案化的感测衬底110的照射期间产生时，为了图示的简单而从图3C省略光学刺激。

在一些示例中，光束140和光学刺激150中的一个或二者的方向可以变化（例如以时序）以激活纳米尺度图案化的传感器衬底110的不同区或区域。例如，光束140和光学刺激150可以在初始被引导到纳米尺度图案化的传感器衬底110的第一区域。例如，一旦通过光束140暴露，第一区域处的分析物可以在被光学刺激150照射时产生光学散射响应信号160。稍后某一时间，光束140和光学刺激150的方向可以改变成暴露和照射纳米尺度图案化的传感器衬底110的第二区域。根据一些示例，光束140和光学刺激150的方向中的随时间的接连改变可以便于以时间多路复用的方式使用纳米尺度图案化的传感器衬底110以执行作为相当长时间段内的基本上分离的感测事件的序列的分析物感测。

在一些示例中，散射光谱学纳米传感器100还包括支架（stent）。根据各种示例，纳米尺度图案化的感测衬底110可以布置在支架的表面上。根据一些示例，支架被配置成植入在流体管道（未图示）内部。在一些示例中，支架包括中空结构，其被配置成允许在流体管道中流动的流体穿过支架的内部部分（例如中空内部）。例如，流体可以流到第一端中并且沿路径穿过与支架的中心轴基本上对准的中空内部并且然后在支架的第二端处离开。在其它示例中，支架可以不是中空的，在这种情况中，支架被配置成允许流体绕支架流动但不穿过支架。在还其它的示例中，支架可以包括中空或基本上中空的结构，其被配置成提供既穿过中空内部又绕支架外部的流体流。

在一些示例中，支架可以包括基本上中空的管状结构。根据各种示例，管状结构的横截面形状可以是基本上圆形（例如圆形、椭圆形、半圆形等）或者基本上非圆形（例如矩形、方形、一般多边形或多面的等）。在一些示例中，管状结构可以具有固定或基本上固定的直径。在其它示例中，管状结构可以被配置成扩张并且基本上符合流体管道的内表面或壁。例如，流体管道可以包括血管并且支架的管状结构可以可扩张以符合血管的内表面。

在一些示例中，支架的管状结构的扩张可以便于在流体管道内将支架保持或稳固在原位。例如，扩张可以使支架的管状结构的部分按压抵靠流体管道的壁，使得支架和流体管道壁之间的摩擦抵抗由在流体管道内流动的流体给予在支架上的力。另外，支架的管状结构的扩张可以便于流体流过管状结构的内部。例如，扩张的基本上管状结构可以提供穿过管状结构的开口，其在直径上类似于流体管道自身的直径。这样，根据一些示例，支架可以不以实质的方式干扰流体管道中的流体流。

图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器100的支架170的透视图。如图4中图示的，支架170包括基本上管状的结构。在一些示例中，基本上管状的结构可以包括刚性或者半刚性材料的管。例如，管可以包括金属管（例如不锈钢、镍钛合金等）或聚合物管。根据一些示例，管可以具有比流体管道的内部直径小的外部直径，并且在一些示例中小得多。例如，纳米尺度图案化的感测衬底110可以位于支架170的内表面上（例如面向中心轴C）。

图5A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。图5B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图5A的散射光谱学纳米传感器100的放大部分的横截面视图。特别地，图5A和5B中图示的横截面视图描绘了基本上垂直于散射光谱学纳米传感器100的中心轴（例如垂直于图4的支架170的中心轴C）的通过散射光谱学纳米传感器100的横截面。

如图5A中图示的，纳米尺度图案化的传感器衬底110和保护性覆盖物120被布置在散射光谱学纳米传感器100的支架170的内表面上。图5A还图示了在支架170的外表面上的集成透镜130。例如，支架170可以包括基本上光学透明的材料。根据一些示例，集成透镜130可以由支架170的材料形成。在其它示例中，集成透镜130可以分离地提供并且施加（例如胶合或焊接）到支架170的外表面。

根据图5A中图示的散射光谱学纳米传感器100的一些示例，保护性覆盖物120可以通过穿过透镜130聚焦在与集成透镜130相对的支架170的内表面上的保护性覆盖物120的一部分120'上的光束140而选择性地移除。类似地，光学刺激150也可以通过集成透镜130聚焦到通过保护性覆盖物120的选择性移除而暴露的纳米尺度图案化的感测衬底110的一部分110'上，如图5B中图示的那样。特别地，图5B图示了已经被移除以暴露纳米尺度图案化的感测衬底部分110'的保护性覆盖物120。

在一些示例中，光束140和光学刺激150中的一个或二者可以穿过直接邻近于透镜130的支架壁、纳米尺度图案化的感测衬底110和保护性覆盖物120的一部分（例如，如图5A中图示的那样）而没有实质干扰并且不影响直接邻近的保护性覆盖物120。例如，支架壁、纳米尺度图案化的感测衬底110和保护性覆盖物120可以对光束140和光学刺激150中的一个或二者而言基本上透明，至少在光束140和光学刺激150基本上未被聚焦时。另外，根据一些示例，光束140和光学刺激150中的一个或二者的预期影响可以仅表明为通过透镜130聚焦的结果（例如如在部分120'处）。例如，保护性覆盖物120的移除可以仅发生在光束140的特定功率密度处或以上。例如，用于移除的能量密度可以通过聚焦在部分120'处而不是在光束140穿过保护性覆盖物120的透镜邻近区域的地方来提供。在其它示例（未图示）中，透镜130可以将光束140和光学刺激150中的一个或二者聚焦在直接邻近于透镜130的支架壁上。

图6图示了根据与本文所描述的原理一致的另一示例的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。图7图示了根据与本文所描述的原理一致的又一示例的散射光谱学纳米传感器100的横截面视图。特别地，图6和7二者中图示的横截面视图描绘了在取向上基本上类似于图5A中图示的横截面视图的通过散射光谱学纳米传感器100的横截面。

如图6中图示的，纳米尺度图案化的传感器衬底110和保护性覆盖物120布置在支架170的内表面的第一部分171上。集成透镜130（例如微透镜的阵列的微透镜）布置在与第一部分171相对的支架170的内表面的第二部分172上。在另一示例（未图示）中，集成透镜130可以布置在第二部分172的外表面上，而不是如图6中图示的那样在内表面上。光束140和光学刺激150可以通过集成透镜130聚焦到保护性覆盖物120和纳米尺度图案化的传感器衬底110的特定部分上，如图6中图示的那样。

如图7中所图示的，纳米尺度图案化的传感器衬底110和保护性覆盖物120布置在支架170的内表面上。集成透镜130（例如微透镜的阵列的微透镜）布置在支架170的第一部分174的外表面上。如所图示的，集成透镜130被支架170的第二部分176覆盖。第二部分176可以保护透镜130（例如防止斑块、污染物等在集成透镜130的表面上的集结）。另外，支架170的第一部分174和第二部分176之间的间隔178可以被密封并且基本上填充有流体。例如，流体可以是气体（例如空气或惰性气体）或液体（例如油）。例如，密封在支架170的第一和第二部分174、176之间的流体可以在集成透镜130的表面处提供预定（例如相对大的）折射率改变。预定折射率改变可以做到增强集成透镜130的性能和确保集成透镜130的特定光学特性（例如焦距）中的一个或二者。根据一些示例，例如，填充了支架170的第一和第二部分174、176之间的间隔178的流体包封集成透镜130以基本上确保集成透镜130的光学特性而不管散射光谱学纳米传感器100周围的环境如何。其它配置明显是可能的并且显然在本文所描述的范围内。

在一些示例中，光束140和光学刺激150不需要瞄准（例如透镜的阵列中的）特定透镜130或与其对准。另外，光束140和光学刺激150可以不需要以确保它们穿过或基本上靠近于透镜130的中心轴的方式瞄准或对准。而是，光束140和光学刺激150的对准可以基本上是随机的，特别是例如当使用大量透镜130时和当存在可用于询问的被保护性覆盖物120覆盖的相对大表面面积的纳米尺度图案化的传感器衬底110时。特别地，跟随有光学刺激150的光束140可以以第一对准（例如基本上随机的对准）指向散射光谱学纳米传感器100以移除保护性覆盖物120并且询问纳米尺度图案化的传感器衬底100。如果没有接收到光学散射响应信号160，那么例如可以在散射光谱学纳米传感器100上的另一位置处做出询问的另一尝试或者使用光束140和光学刺激150的另一对准。

在一些示例中，散射光谱学纳米传感器100还包括基准标志（未图示）。根据各种示例，基准标志可以用于便于光束和光学刺激中一个或二者的对准。特别地，根据一些示例，对准将在体内便于所植入的散射光谱学纳米传感器100。在一些示例中，基准标志可以是荧光基准标志，其（例如，通过使用成像系统）被成像以确定散射光谱学纳米传感器100的取向和定位。一旦确定散射光谱学纳米传感器100的取向和定位，就可以例如通过使用所确定的取向和定位来建立光束和光学刺激中一个或二者的对准。在一些示例中，一个或多个基准标志（例如荧光基准标志）包括多个点和一个或多个十字形状的基准标志。例如，（多个）十字形状的基准标志可以位于散射光谱学纳米传感器100的一端或两端上（例如在纳米尺度图案化的感测衬底110被布置在其上的支架170的一端或两端上）。例如，点可以以成角取向绕支架170的圆周而布置。根据一些示例，（多个）十字形状的基准标志和成角取向的点一起可以允许在基准标志被成像时做出的散射光谱学纳米传感器100的取向和位置的基本上明确的确定。

图8图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的纳米传感器系统200的框图。如所图示的，纳米传感器系统200包括散射光谱学纳米传感器210。根据各种示例，散射光谱学纳米传感器210包括纳米尺度图案化的感测衬底，以及集成透镜和用于纳米尺度图案化的感测衬底的保护性覆盖物中的一个或二者。纳米尺度图案化的感测衬底被配置成当被光学刺激询问时产生对分析物的存在进行指示的光学散射响应信号。集成透镜集成到散射光谱学纳米传感器210。在一些示例中，散射光谱学纳米传感器210被配置成可植入在流体管道202内。

在一些示例中，散射光谱学纳米传感器210基本上类似于以上所描述的散射光谱学纳米传感器100。特别地，纳米尺度图案化的感测衬底可以基本上类似于以上关于散射光谱学纳米传感器100所描述的纳米尺度图案化的感测衬底110。例如，纳米尺度图案化的感测衬底可以包括表面增强的拉曼光谱学（SERS）衬底。根据一些示例，光学散射响应信号可以是通过分析物和SERS衬底之间的相互作用产生的拉曼散射信号。

另外，根据一些示例，保护性覆盖物可以基本上类似于以上关于散射光谱学纳米传感器100描述的保护性覆盖物120。特别地，根据各种示例，保护性覆盖物被配置成覆盖和保护纳米尺度图案化的传感器衬底并且还通过暴露于入射在保护性覆盖物上的光束而选择性可移除。在一些示例中，暴露于光束可选择地移除在光束附近的保护性覆盖物的仅一部分而在其它示例中，整个保护性覆盖物可选择地通过光束暴露而移除。根据各种示例，使用光束的选择性移除可以通过以下中的一个或多个而提供：保护性覆盖物的暴露部分的烧蚀、保护性覆盖物的暴露部分的光引发的变更、保护性覆盖物的暴露部分的热引发的变更以及包括但不限于以上关于保护性覆盖物120描述的那些的各种其它机制中的任一个。

当保护性覆盖物就位时，纳米尺度图案化的传感器衬底在保护性覆盖物的情况下被保护并且“失活”从而基本上防止分析物与纳米尺度图案化的传感器表面相互作用（例如吸附到其上）。当保护性覆盖物被移除时，利用光学刺激的询问“激活”纳米尺度图案化的传感器衬底，使得光学响应信号（例如SERS散射响应信号）可以作为分析物与纳米尺度图案化的传感器衬底之间的相互作用的结果而生成。

仍另外地，根据一些示例，散射光谱学纳米传感器210的集成透镜可以基本上类似于以上关于散射光谱学纳米传感器100描述的集成透镜130。特别地，根据各种示例，光学刺激、光束和光学散射响应信号中的一个或多个可以被配置成穿过集成透镜。在一些示例中，集成透镜可以将光束聚焦到保护性覆盖物上以便于其选择性移除。在一些示例中，集成透镜可以将光学刺激聚焦到纳米尺度图案化的传感器衬底的一部分上。例如，所述部分可以是由通过光束的保护性覆盖物的选择性移除所暴露的部分。另外，在一些示例中，光学散射响应信号可以被收集，并且在一些示例中通过集成透镜被基本上准直。

在一些示例中，散射光谱学纳米传感器210还可以包括支架。例如，支架可以基本上类似于以上关于散射光谱学纳米传感器100描述的支架170。特别地，在一些示例中，集成透镜可以集成到支架，并且例如纳米尺度图案化的传感器衬底和保护性覆盖物可以布置在支架的表面上，如以上所描述的那样。例如，支架可以便于植入散射光谱学纳米传感器210（例如在流体管道202中）以便于分析物的体内感测。

在一些示例中，纳米传感器系统200的散射光谱学纳米传感器210被配置成检测多个不同的分析物。在一些示例中，散射光谱学纳米传感器210被配置成在不同分析物之间进行区分。例如，散射光谱学纳米传感器210的纳米尺度图案化的传感器衬底可以具有多个分离的区域。所述多个中的区域的不同个体可以被功能化成选择性用于多个分析物中的不同分析物并且产生指示相应不同分析物的光学散射响应信号。例如，区域之间的空间分离可以便于将特定于第一区域中的第一功能化的第一分析物所产生的光学散射响应信号从特定于纳米尺度图案化的传感器衬底的第二区域中的第二功能化的第二分析物所产生的光学散射响应信号区分开。

如图8中图示的，纳米传感器系统200还包括光学询问器220。根据一些示例，光学询问器220包括照射源222。照射源222被配置成照射散射光谱学纳米传感器210。特别地，照射源222被配置成提供照射纳米尺度图案化的感测衬底的光学刺激和照射保护性覆盖物的光束中的一个或二者。在一些示例中，当散射光谱学纳米传感器210植入在流体管道中时，纳米尺度图案化的感测衬底可以被照射源222在体内照射。

在一些示例中，照射源222被配置成产生红外光学信号以照射散射光谱学纳米传感器210。根据各种示例，红外光学信号可以是照射保护性覆盖物的光束和照射纳米尺度图案化的感测衬底的光学刺激中的一个或二者。例如，红外辐射可以穿透生物组织（例如人类组织）到大约10-15毫米（mm）的深度从而便于体内照射和询问散射光谱学纳米传感器210。在其它示例中，照射源222被配置成产生包括代替于或者包括红外的其它光学频率的光学信号。

在一些示例中，光学询问器220还包括信号检测器224。信号检测器224被配置成检测由散射光谱学纳米传感器210发射的指示分析物的光学散射响应信号。例如，信号检测器224可以是被配置成检测由SERS纳米尺度图案化的感测衬底发射的拉曼散射信号的拉曼散射信号检测器（例如，光谱仪）。在一些示例中，照射源222和信号检测器224中的一个或二者在散射光谱学纳米传感器210要植入其中的流体管道的外部。例如，如果流体管道在有机体内部，则照射源222和信号检测器224中的一个或二者可以位于有机体的外部。

图9图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的使用散射光谱学来感测分析物的方法300的流程图。如所图示的，感测分析物的方法300包括向散射光谱学纳米传感器应用310光束。在一些示例中，散射光谱学纳米传感器基本上类似于以上描述的散射光谱学纳米传感器100。特别地，散射光谱学纳米传感器可以包括被保护性覆盖物覆盖的纳米尺度图案化的感测衬底。当应用时，光束被配置成选择性地移除保护性覆盖物的区域。保护性覆盖物的选择性移除暴露纳米尺度图案化的传感器衬底的一部分。特别地，暴露部分对应于在保护性覆盖物的移除区域之下的纳米尺度图案化的传感器衬底的一部分。根据各种示例，应用310光束以移除保护性覆盖物的区域基本上激活先前在应用310光束之前通过保护性覆盖物被致使非活性的纳米尺度图案化的传感器衬底的暴露部分。

感测分析物的方法300还包括用光学刺激照射320纳米尺度图案化的传感器衬底的暴露部分。特别地，当保护性覆盖物被移除时，可以包括要探查的分析物的流体与纳米尺度图案化的传感器衬底的暴露表面接触地流动。根据各种示例，照射320暴露部分被配置成产生指示分析物的存在的光学散射响应信号。根据一些示例，照射320暴露部分可以通过基本上类似于以上关于以上描述的纳米传感器系统200描述的照射源222的照射源提供。在一些示例中，照射源还可以提供在应用310中采用的光束。

在一些示例中，纳米尺度图案化的感测衬底包括表面增强的拉曼光谱学（SERS）衬底并且光学散射响应信号是由分析物和SERS衬底之间的相互作用产生的拉曼散射信号。例如，SERS衬底可以基本上类似于以上描述的包括被布置在阵列中的纳米棒112的SERS衬底。

如图9中图示的，在一些示例中，使用散射光谱学来感测分析物的方法300还包括接收330由所照射320的纳米尺度图案化的感测衬底所发射的光学响应信号。在一些示例中，接收330光学响应信号可以由信号检测器执行。例如，信号检测器可以基本上类似于以上关于纳米传感器系统200描述的信号检测器224。在一些示例中，照射源和信号检测器中的一个或二者位于包含散射光谱学纳米传感器的流体管道外部。在一些示例中，散射光谱学纳米传感器还包括集成透镜，其中光束、光学刺激和光学散射响应信号中的一个或多个穿过集成透镜（例如通过其聚焦）。在一些示例中，集成透镜可以基本上类似于以上关于以上所描述的散射光谱学纳米传感器100描述的集成透镜130。

因此，已经描述了散射光谱学纳米传感器、纳米传感器系统和使用散射光谱学的体内感测的方法的示例。应当理解，上述示例仅仅说明表示本文所描述的原理的许多特定示例中的一些。显然，本领域技术人员可以容易地设计出大量其它布置而不脱离于如随附权利要求所限定的范围。

Claims

1.一种散射光谱学纳米传感器，包括：

纳米尺度图案化的感测衬底，其在被光学刺激询问时产生对分析物的存在进行指示的光学散射响应信号；以及

保护性覆盖物，其覆盖和保护纳米尺度图案化的感测衬底，保护性覆盖物通过暴露于入射在保护性覆盖物上的光束可选择地移除，

其中保护性覆盖物在被移除之前防止分析物与纳米尺度图案化的感测衬底相互作用。

2.根据权利要求1所述的散射光谱学纳米传感器，其中纳米尺度图案化的感测衬底包括表面增强的拉曼光谱学（SERS）衬底，并且其中光学散射响应信号是由分析物产生的拉曼散射信号。

3.根据权利要求2所述的散射光谱学纳米传感器，其中SERS感测衬底包括被布置在阵列中的多个纳米棒，至少一些纳米棒具有吸附分析物的金属性尖端，尖端在与附接到支撑的端相对的纳米棒的自由端处。

4.根据权利要求1所述的散射光谱学纳米传感器，其中保护性覆盖物通过以下中之一被选择性地移除：通过光束对保护性覆盖物的材料的烧蚀和通过光束对保护性覆盖物的一部分的变更，变更是光引发的和热引发的中的一个或二者。

5.根据权利要求1所述的散射光谱学纳米传感器，还包括基准标志以便于光束和光学刺激中的一个或二者的对准。

6.根据权利要求1所述的散射光谱学纳米传感器，还包括与散射光谱学纳米传感器集成的透镜，集成透镜做到以下中的一个或多个：将光束聚焦到保护性覆盖物上、将光学刺激聚焦在通过保护性覆盖物的选择性移除所暴露的纳米尺度图案化的感测衬底的一部分上和收集光学散射响应信号。

7.根据权利要求1所述的散射光谱学纳米传感器，还包括植入在流体管道中的支架，纳米尺度图案化的感测衬底布置在支架的表面上。

8.一种包括权利要求1的散射光谱学纳米传感器的纳米传感器系统，纳米传感器系统还包括：

照射源，其照射纳米尺度图案化的感测衬底，来自照射源的照射用以可选择地移除保护性覆盖物和产生光学刺激中的一个或二者；以及

信号检测器，其检测由散射光谱学纳米传感器所发射的指示分析物的光学散射响应信号。

9.根据权利要求8所述的纳米传感器系统，其中纳米尺度图案化的感测衬底植入在流体管道中以提供分析物的体内感测，并且其中照射源和信号检测器中的一个或二者在流体管道外部。

10.一种纳米传感器系统，包括：

散射光谱学纳米传感器，其包括纳米尺度图案化的感测衬底，以及覆盖纳米尺度图案化的感测衬底的保护性覆盖物和集成透镜中的一个或二者，纳米尺度感测衬底当被光学刺激询问时产生指示分析物的光学散射响应信号，保护性覆盖物通过暴露于光束而选择性可移除；以及

光学询问器，其包括照射源和信号检测器，照射源提供光学刺激和光束中的一个或二者，信号检测器检测光学散射响应信号，

其中如果存在的话，光学刺激、光束和光学散射响应信号中的一个或多个穿过集成透镜。

11.根据权利要求10所述的纳米传感器系统，其中散射光谱学纳米传感器植入在流体管道内部，照射源和信号检测器中的一个或二者在流体管道外部。

12.根据权利要求10所述的纳米传感器系统，其中纳米尺度图案化的感测衬底包括表面增强的拉曼光谱学（SERS）衬底，并且其中光学散射响应信号是通过分析物和SERS衬底之间的相互作用产生的拉曼散射信号。

13.根据权利要求10所述的纳米传感器系统，其中散射光谱学纳米传感器包括保护性覆盖物，保护性覆盖物通过在暴露于光束时保护性覆盖物的材料的变更或者烧蚀而被选择性地移除，变更包括材料的光引发的和热引发的变更中的一个或二者。

14.一种使用散射光谱学来感测分析物的方法，方法包括：

向散射光谱学纳米传感器应用光束，散射光谱学纳米传感器包括被保护性覆盖物覆盖的纳米尺度图案化的传感器衬底，光束选择性地移除保护性覆盖物的区域，其中选择性移除暴露保护性覆盖物的移除区域之下的纳米尺度图案化的传感器衬底的一部分；以及

利用光学刺激来照射纳米尺度图案化的传感器衬底的暴露部分以产生对分析物的存在进行指示的光学散射响应信号。

15.根据权利要求14所述的使用散射光谱学来感测分析物的方法，还包括：

使用信号检测器来接收由所照射的纳米尺度图案化的感测衬底发射的光学散射响应信号，照射源和信号检测器中的一个或二者位于包含散射光谱学纳米传感器的流体管道外部，

其中散射光谱学纳米传感器还包括集成透镜，光束、光学刺激和光学散射响应信号中的一个或多个穿过集成透镜。