CN105102962A - 偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析 - Google Patents
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Abstract
偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）包括布置为SERS多聚体的多个纳米指以展现出偏振相关等离子体模式以及刺激源和拉曼检测器中的一个或二者。刺激源利用刺激信号光照SERS多聚体并且拉曼检测器检测由SERS多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号。拉曼散射信号具有由偏振相关等离子体模式规定或者与其相关联的偏振状态和刺激信号具有对应于偏振相关等离子体模式的偏振状态中的一个或二者。
Description
对相关申请的交叉引用
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关于联邦政府资助的研究或开发的陈述
N/A。
背景技术
未知物质的检测和标识（或至少分类）长久以来引起巨大兴趣并且在近年来已经呈现出甚至更加巨大的重要性。在具有针对精确检测和标识的特定希望的技术之中的是各种形式的光谱学分析。光谱学分析可以用于通过使用在通过一定形式的电磁辐射（例如可见光）光照材料时所导致的吸收光谱、散射光谱和发射光谱中的一个或多个来分析、表征和标识物质或材料。通过光照材料产生的吸收、散射和发射光谱确定材料的光谱“指纹”。一般而言，光谱指纹是促进材料的标识的特定材料的特性。在最强大的光学发射光谱学分析技术中的是基于拉曼散射的那些。
散射光谱学分析是标识、监视和表征范围从相对简单的无机化学化合物到复杂的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分析中的是利用由于来自分析物的荧光（例如荧光发射）所致的拉曼散射和发射的方法。一般而言，散射光谱学分析采用信号（例如光束）来激发分析物，其进而产生取决于分析物的特性（例如组成元素或分子）的响应或经散射或经发射的信号。通过检测和分析经散射或经发射的信号（例如使用光谱分析），分析物可以被标识并且甚至在一些实例中被量化。
附图说明
参照结合附图考虑的以下详细描述可以更容易地理解依照本文所描述的原理的示例的各种特征，其中相同的附图标记指代相同的结构元件，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偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统的框图。
图2图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图1中所图示的SERS系统的一部分的横截面视图。
图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为二聚体的两个纳米指的SERS多聚体的顶视图。
图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为三聚体的三个纳米指的SERS多聚体的顶视图。
图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为四聚体的四个纳米指的SERS多聚体的顶视图。
图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统的框图。
图5图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）的方法的流程图。
某些示例具有作为附加于和替代于以上参考的附图中图示的特征中的一个的其它特征。在下文中参照以上参考的附图来详细描述这些和其它特征。
具体实施方式
依照本文所描述的原理的示例提供了使用散射光谱学分析来检测或感测各种分析物。特别地，依照本文所描述的原理的示例提供了通过表面增强拉曼光谱学分析来感测分析物。而且，表面增强拉曼光谱学分析感测可以通过使用偏振选择性来提供拉曼散射信号与背景噪声信号之间的辨别。例如，偏振选择性可以促进拉曼散射信号与包括但不限于荧光背景信号和杂散环境光的各种背景噪声信号之间的辨别。
根据各种示例，拉曼光谱学分析可以采用拉曼增强衬底（例如二聚体、三聚体等）的偏振相关等离子体模式或者与其结构相关联。在一些示例中，将刺激信号的偏振与偏振相关等离子体模式对准可以提供偏振选择性以辨别拉曼散射信号与（多个）背景噪声信号。偏振对准可以例如增加刺激信号与偏振相关等离子体模式之间的耦合。在其它示例中，偏振选择性由选择性地匹配到拉曼散射信号的偏振状态的拉曼检测器提供。根据各种示例，拉曼散射信号偏振状态可以由偏振相关等离子体模式确定或规定。在再其它的示例中，刺激信号偏振对准以及拉曼检测器偏振与拉曼散射信号的选择性匹配二者被用于辨别拉曼散射信号和背景噪声信号。根据各种示例，辨别可以改进并且在一些示例中显著改进拉曼散射信号的信噪比。
本文所描述的原理的示例采用表面增强拉曼光谱学分析（SERS）来检测或感测分析物或目标种类的存在。在本文中，可以使用的其它适用形式的散射光谱学分析包括但不限于：表面增强相干反斯托克斯拉曼散射（SECARS）、共振拉曼光谱学分析、超拉曼光谱学分析、各种空间偏移和共焦版本的拉曼光谱学分析、以及等离子体共振的直接监视。SERS可以提供分析物的检测和标识，并且在一些示例中提供分析物的量化。特别地，根据各种示例，可以针对被吸收到SERS中的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，为了讨论的简化，一般将参照基于SERS的散射光谱学分析来描述散射光谱学分析，并且这不作为具体限制，除非以其它方式指示。
如本文所引用的，拉曼散射光学光谱学分析（或简单地称为拉曼光谱学分析）采用由通过被光照的材料的内部结构对光子的非弹性散射产生的其散射光谱或光谱分量。包含在由非弹性散射产生的响应信号（例如拉曼散射信号）中的这些光谱分量可以促进分析物种类的材料特性的确定，包括但不限于分析物的标识。表面增强拉曼光谱学分析（SERS）是采用“拉曼有效”或“拉曼增强”表面的拉曼光谱学分析的形式。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，拉曼增强表面包括与诸如但不限于纳米指或纳米棒的纳米结构的尖端相关联的区。纳米指的尖端可以充当纳米天线以完成以下中的一个或二者：集中光照场和放大拉曼发射，从而例如导致拉曼散射信号的强度的进一步增强。
在SERS的一些示例中，包括多个纳米指的SERS表面被配置成增强来自分析物的拉曼散射信号的产生和发射。具体地，在一些示例中，与处于“拉曼增强”配置中的纳米指（例如纳米指的尖端）相关联并且在其周围的电磁场可以增强来自分析物的拉曼散射。处于拉曼增强配置中的纳米指自身以及纳米指的尖端的相对位置可以提供增强的拉曼散射。
“纳米棒”或等同地为“纳米指”在本文中被限定为细长、纳米尺度结构，其例如具有超过在垂直于长度的平面中取得的纳米尺度横截面尺寸（例如宽度）的长度（或高度）。在一些示例中，该长度可以超过纳米尺度横截面尺寸的若干倍。特别地，纳米指的长度一般比纳米指宽度大得多（例如，长度是宽度的大约2-3倍）。在一些示例中，长度可以超过横截面尺寸（或者宽度）的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，纳米指宽度或直径可以在大约100nm与200nm之间并且长度可以超过大约500nm。例如，宽度可以是大约130-170nm并且长度可以是大约500-800nm。在又一示例中，在纳米指底部处的宽度可以在大约20nm与大约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，纳米指可以是圆锥形，其带有具有范围从大约100nm与大约500nm之间的宽度和可以范围在大约半（0.5）μm与几微米之间的长度的底部。
在各种示例中，多个纳米指可以生长（即通过添加过程产生）或通过蚀刻或消去过程产生。例如，纳米指可以通过使用气——液——固（VLS）生长过程生长为纳米线。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中的一个。在再其它的示例中，生长可以通过诸如但不限于聚焦离子束（FIB）沉积和激光引发的自组装之类的直接或经刺激的自组织技术来实现。在另一示例中，纳米指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以移除周围材料而留下纳米指来产生。在再其它的示例中，各种形式的印记光刻技术包括但不限于：纳米印记光刻技术以及使用在微机电系统（MEMS）和纳米机电系统（NEMS）的制作中的各种技术，所述各种形式的印记光刻技术适用于纳米指和本文所描述的各种其它元件的制作。
本文中的“纳米颗粒”被限定为具有大体类似的长度、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柱形、球形、椭球形或刻面球形或椭球形，或者立方体、八面体、十二面体或另一多边形。在其它示例中，纳米颗粒可以是大体不规则的三维形状。例如，在直径或尺寸方面，纳米颗粒的大小的范围可以从大约5nm到大约300nm。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。
在一些示例中，纳米颗粒可以是大体均质的结构。例如，纳米颗粒可以是纳米尺度金属颗粒（例如金、银、铜等的纳米颗粒）。在其它示例中，根据定义，纳米颗粒可以是大体非均质的核——壳结构。例如，纳米颗粒可以包括被可以不同于第一材料的第二材料涂敷的第一材料的核。涂层或壳的第二材料可以是金属，而第一材料可以是导体或电介质材料。在另一示例中，例如，第二材料可以是电介质并且第一材料可以是诸如金属之类的导体。能够支持等离子体（例如表面等离子体或体等离子体）的纳米颗粒被定义为“等离子体纳米颗粒”。例如，金属纳米颗粒或金属包覆纳米颗粒可以充当等离子体纳米颗粒。
根据本文中的定义，“纳米颗粒”意指一般小于大约1000纳米（nm）的尺寸。例如，在范围上大约5nm到大约300nm的结构或颗粒被视为纳米尺度结构。类似地，例如，具有大约5nm与100nm之间的开口大小的槽也被视为纳米尺度结构。
另外，如本文所使用的，冠词“一”意图具有其在专利领域中的普通含义，即“一个或多个”。例如，“一纳米指”意指一个或多个纳米指，并且照此，在本文中“所述纳米指”意指“（多个）所述纳米指”。而且，本文对“顶部”、“底部”、“上部”、“下部”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”或“右”的任何引用不意图作为本文中的限制。在本文中，术语“大约”在应用于值时一般意指在用于产生值的装备的容限范围内，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%，除非以其它方式明确指定。而且，本文中的示例仅仅意图是说明性的并且为了讨论目的而呈现而不作为限制。
图1图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统100的框图。图2图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的图1中图示的SERS系统100的一部分的横截面视图。SERS系统100被配置成感测SERS系统100的邻域中的分析物。例如，分析物可以悬浮在例如流过SERS系统100的流体中并且由所述流体承载。根据各种示例，SERS系统100通过借由刺激信号104（例如光束）与分析物之间的非弹性相互作用产生拉曼散射信号102来感测分析物。
如以下将更加详细描述的，根据各种示例，SERS系统100可以进一步辨别拉曼散射信号102与背景噪声信号106。例如，背景噪声信号可以是荧光背景信号和杂散环境光中的一个或多个。SERS系统100可以使用偏振中的差异来辨别拉曼散射信号102和背景噪声信号106。特别地，SERS系统100可以辨别拉曼散射信号102的偏振状态与背景噪声信号的另一状态或不同的偏振状态。例如，拉曼散射信号102可以是线性偏振的并且背景噪声信号（例如荧光背景噪声）可以大体是无偏振的。
参照图1和2，偏振选择性SERS系统100包括SERS感测衬底110。特别地，图1图示了SERS感测衬底110与偏振选择性SERS系统100的其它元件之间的关系而图2更详细地图示了包括SERS感测衬底110的SERS系统100的部分。如所图示的，刺激信号104被描绘为指向SERS感测衬底110的箭头并且拉曼散射信号102被描绘为一般地指离SERS感测衬底110的箭头。
根据各种示例，SERS感测衬底110包括多个纳米指112。如图2中所图示的，纳米指112具有与附连到支撑物114的端部相对的自由端。在一些示例中，支撑物114可以包括为纳米指112提供支撑的衬底。在一些示例中，纳米指112在固定端处刚性附连到支撑物114。在其它示例中，纳米指112通过例如中间材料或层直接附连到支撑物114。
在各种示例中，纳米指112或其部分可以被配置成优选地在纳米指112的邻域中捕获或保留分析物。例如，纳米指112的表面可以吸收或绑定分析物。在一些示例中，纳米指112或其部分可以功能化以优选地绑定或提供分析物的选择性吸收。在一些示例中，纳米指112可以（例如通过纳米指112的运动）主动捕获或俘获分析物。
根据一些示例，纳米指112的尖端可以大体平坦化或者具有圆形（即圆顶）形状。例如，纳米指112可以具有由用于实现纳米指112的过程（例如VLS生长）自然引起的尖端。在其它示例中，纳米指尖端可以被进一步处理以向纳米指112的自由端赋予特定形状。纳米指112的尖端可以使用例如化学——机械抛光来平坦化。
在一些示例中，纳米指112可以包括半导体。例如，半导体可以掺杂或未掺杂（即大体本征）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或IV-VI化合物半导体中的一个或多个。在其它示例中，纳米指112可以是或者包括塑料或聚合物，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。在再其它示例中，纳米指112可以包括金属，诸如但不限于金、银、铂、其它贵金属、铝铜或者两种或更多金属的合金或组合。
根据一些示例，纳米指112可以包括（例如覆盖有）在纳米指112的远端或自由端处的纳米颗粒116（例如如图2中所图示的那样）。纳米颗粒116可以在例如尖端的邻域中附连到纳米指112。在一些示例中，纳米颗粒116的材料可以不同于纳米指112的材料。例如，纳米指112可以是半导体或聚合物，而纳米颗粒116可以是金属。在这些示例中的一些中，纳米颗粒116可以配置成完成以下中的一个或二者：增强拉曼散射和促进选择性分析物吸收（例如通过功能化）。特别地，在一些示例中，纳米颗粒116可以包括适合用于拉曼增强的导电材料。例如，纳米颗粒116可以是或者包括金属，诸如但不限于金、银、铂、其它贵金属、铝、铜以及这些金属中的任一个与彼此或另一金属的合金或混合物。
在一些示例中，纳米颗粒116可以大体上仅包括导电材料。例如，纳米颗粒116可以是金属纳米颗粒116。在其它示例中，导体（例如金属）可以用于形成纳米颗粒116的表面。例如，纳米颗粒116可以包括围绕诸如但不限于半导体或电介质的另一材料的核的金属壳。
根据各种示例，纳米指112是拉曼增强结构。特别地，整个纳米指112和远端处的纳米颗粒116中的一个或二者可以是拉曼增强的。例如，纳米颗粒116的导电表面（例如金属表面）可以支持表面等离子体。在其它示例中，纳米颗粒116可以支持体等离子体。类似地，在各种示例中，纳米指112自身可以支持表面和体等离子体中的一个或二者（例如当纳米指112是或者包括诸如金属之类的导电材料时）。例如，纳米指112可以包括沿纳米指112的整个长度或者在自由端处在尖端的邻域中的金属化表面。根据各种示例，表面和体等离子体的存在可以负责致使纳米指112和纳米颗粒116中的一个或二者是拉曼增强的。
根据各种示例，SERS感测衬底110的多个纳米指112布置为有序分组或“多聚体”，其在本文中被称为“SERS多聚体”118。根据各种示例，SERS多聚体118可以包括两个、三个、四个、五个、六个或更多纳米指112的分组。具有两个纳米指112的SERS多聚体118可以称为“二聚体”，具有三个纳米指112的SERS多聚体118可以称为“三聚体”，具有四个纳米指112的SERS多聚体118可以称为“四聚体”等等。在一些示例中，SERS多聚体118的纳米指112可以布置成使得至少纳米指112的自由端位于多边形（例如二角形、三角形、四边形、五边形、六边形等）的顶点处。在一些示例中，多边形可以是规则多边形。
图3A图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为二聚体的两个纳米指112的SERS多聚体118的顶视图。图3B图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为三聚体的三个纳米指112的SERS多聚体118的顶视图。图3C图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的具有布置为四聚体的四个纳米指112的SERS多聚体118的顶视图。
根据各种示例，SERS多聚体118的纳米指112可以触碰彼此或者与彼此间隔开。例如，SERS多聚体118中的纳米指112的尖端自身或纳米指112的尖端上的纳米颗粒116可以大体触碰或者接近，使得它们通过大约几纳米或更小的间隙分离。另外，SERS多聚体118中的纳米指112可以倾斜使得它们的尖端朝向彼此倚靠。倾斜可以例如促进尖端或纳米指112的尖端上的纳米颗粒116之间的接触。
在一些示例中，SERS感测衬底110可以包括多个SERS多聚体118。例如，多个SERS多聚体118可以包括若干、数十个、数百个或更多SERS多聚体118。例如，SERS多聚体118可以跨支撑衬底114从彼此间隔开。在其它示例中，SERS多聚体118可以直接邻近或甚至触碰彼此（例如第一SERS多聚体118的纳米指112可以触碰邻近的SERS多聚体118的纳米指112）。根据各种示例，多个SERS多聚体118在间隔开时其之间的间隔可以是规则的（即周期性间隔）或不规则的（例如大体随机间隔）。
特别地，在一些示例中，多个SERS多聚体118可以布置在特定重复有序图案或“阵列”中。包括小阵列（例如捆束）和大阵列二者的SERS多聚体118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）。例如，对于1-D阵列，多个SERS多聚体118可以布置在行中。例如，SERS多聚体118的多个1-D阵列或行可以靠近彼此布置以形成SERS多聚体118的2-D直线阵列。各种其它的2-D阵列可以用于偏振选择性SERS系统100（包括但不限于多边形阵列和圆形阵列）中。
根据各种示例，SERS多聚体118被配置成根据各种示例而展现出偏振相关等离子体模式。特别地，作为SERS多聚体118的纳米指112的布置被配置成支持（即，如处于“一个或多个”）特定或所选等离子体模式。根据一些示例，特定等离子体模式可以由具有对准以优选地耦合到SERS多聚体118的特定等离子体模式中的特定偏振状态的刺激信号104（例如入射光照信号）刺激。进而，根据各种示例，SERS多聚体118的特定等离子体模式可以促进具有同样与SERS多聚体118的特定等离子体模式对准或者由其规定的特定偏振状态的拉曼散射信号102的发射或散射。在本文中，“偏振相关等离子体模式”被限定为前述的特定等离子体模式与刺激信号和拉曼散射信号中的一个或二者的偏振状态的对准。
SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式可以参照例如图3A来理解。如图3A中所图示的，SERS多聚体118是包括一对纳米指112和所附连的纳米颗粒116的二聚体。二聚体具有穿过每一个纳米颗粒116的中心的长轴。根据一些示例，所图示的二聚体配置可以支持沿二聚体的长轴取向的偶极子等离子体模式。例如，图3A中的双头箭头图示了偶极子等离子体模式（和二聚体的长轴）的取向。图3B图示了表示可以与作为三聚体的SERS多聚体118相关联的多个可能的示例偶极子等离子体模式的取向的若干双头箭头。例如，在图3B中图示的那些之外的其它偶极子等离子体模式也是可能的。具有高于偶极子等离子体模式的模式阶的等离子体模式是可能的，特别是在包括比二聚体更多的元素（例如纳米指112）的多聚体中是可能的。
考虑作为示例而非限制的图3A中所图示的二聚体，刺激信号104的入射电磁波可以优选地耦合到并且随后激发或刺激偶极子等离子体模式，如果入射电磁波的电场矢量大体平行于二聚体的长轴取向的话。例如，线性偏振的电磁波（即线性偏振光）具有描述或描画出垂直于电磁波的传播方向的线的电场矢量。线及其定义在电磁波的局部坐标系统中的角度描述电磁波的偏振状态。如果偏振状态与二聚体的长轴对准，电磁波的电场可以耦合到偶极子等离子体模式中并且优选地对其进行刺激。
除了优选地被刺激或激发之外，SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式还可以规定拉曼散射信号的偏振状态。例如，图3A中图示的二聚体可以支持如以上所描述的偶极子等离子体模式。偶极子等离子体模式进而可以通过与分析物的相互作用产生拉曼散射信号102。拉曼散射信号102可以具有大体线性的偏振状态（即线性偏振）以及具有对应于二聚体的长轴的取向的取向（即偏振角度）。类似的偏振状态相关性可以与SERS多聚体118中存在的其它偏振相关等离子体模式相关联或由其规定。
再次参照图1，偏振选择性SERS系统100还包括刺激源120，如所图示的那样。刺激源120被配置成利用刺激信号104光照SERS感测衬底118的SERS多聚体118。在一些示例中，由配置成光照SERS多聚体118的刺激源120提供的刺激信号104偏振以优选地刺激SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式。特别地，刺激信号104可以根据预确定的偏振状态偏振。预确定的偏振状态可以对准以优选地耦合到SERS多聚体118的特定等离子体模式中。
在一些示例中，刺激源120可以包括诸如但不限于激光器的光源。光源可以例如是线性偏振的（即具有线性偏振状态）。根据一些示例，刺激源120还可以包括旋转或以其它方式调节刺激源120的偏振状态以与SERS多聚体118的特定等离子体模式对准的偏振器。在一些示例中，偏振器可以具有可选偏振状态。根据各种示例，可选偏振状态可以被配置成产生具有与SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式对应并且优选地对其进行激发的偏振状态的刺激信号104。例如，偏振器可以是四分之一波片以将刺激信号104的线性偏振转换成圆偏振。例如，偏振器还可以包括具有可调节或可选偏振角度以产生具有对应于偏振角度的线性偏振状态的刺激信号104的线性偏振器。例如，可以采用的线性偏振器包括但不限于二向色偏振器、薄膜电介质涂层和有关射束分离（例如双折射晶体）偏振器和线栅或狭缝偏振器。
在一些示例中，偏振器可以提供可旋转偏振。例如，半波片可以用于旋转（例如线性偏振的刺激信号104的）偏振。可旋转偏振可以提供旋转通过多个偏振角度的刺激信号104的线性偏振状态。特别地，线性偏振状态的旋转在首次可以通过或展现出大体对应于并且例如优选地激发SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式的刺激信号104的第一偏振状态。在第二次，线性偏振状态可以通过或展现出大体正交于第一偏振状态的第二偏振状态。正交于第一偏振状态的第二偏振状态可以不对应于并且因此未能激发SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式。根据一些示例，在第一和第二偏振状态处的偏振相关等离子体模式的激发之间的差异可以促进涉及偏振相关等离子体模式的激发的拉曼散射信号与大体不涉及偏振相关等离子体模式激发的背景噪声信号之间的辨别。根据其它示例，使用第一和第二偏振状态的类似激发差异可以通过具有与可旋转偏振相对的可选偏振状态的偏振器来提供。
如图1中所图示的，偏振选择性SERS系统100还包括拉曼检测器130。根据各种示例，拉曼检测器130被配置成检测由SERS感测衬底110的SERS多聚体118的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号102。拉曼散射信号102具有与偏振相关等离子体模式相关联或者由其规定的偏振状态。在一些示例中，拉曼检测器130被配置成辨别拉曼散射信号102的偏振状态和背景噪声信号的不同偏振状态。
在一些示例中，拉曼检测器130包括偏振辨别器和光谱仪。光谱仪被配置成检测和测量拉曼散射信号102的光谱。偏振辨别器被配置成选择性地辨别所接收的信号（包括但不限于拉曼散射信号102）的各种可能的偏振。特别地，偏振辨别器被配置成提供对应于由SERS多聚体118的偏振相关等离子体模式所规定的拉曼散射信号102的偏振状态的偏振状态的偏振辨别。
在一些示例中，偏振辨别器被配置成提供可选偏振状态。例如，偏振辨别器可以被配置成处理（例如传递）具有特定偏振角度的线性偏振状态。在一些示例中，偏振辨别器被配置成处理可旋转偏振状态。例如，偏振辨别器可以包括旋转通过多个偏振状态的线性偏振器。在一些示例中，偏振辨别器被配置成优选地接收拉曼散射信号102的偏振状态的主要分量和正交于主要分量的偏振状态的分量中的一个或二者。例如，偏振辨别器可以优选地处理两个正交偏振状态，一个对应于主要分量并且另一个对应于正交于主要分量的分量。根据一些示例，在第一和第二偏振状态处的偏振相关等离子体模式的检测之间的差异可以促进涉及偏振相关等离子体模式的发射的拉曼散射信号与大体不涉及偏振相关等离子体模式激发的背景噪声信号之间的辨别。
在一些示例中，偏振辨别器包括或者大体共享刺激源120的偏振器。例如，光源可以产生刺激信号104，其然后穿过偏振器。在SERS多聚体118处产生的拉曼散射信号102然后可以穿过偏振器，与刺激信号104分离（例如通过射束分离器）并且被引导到例如光谱仪。
图4图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统200的框图。如所图示的，偏振选择性SERS系统200包括布置为多聚体的多个纳米指210。根据各种示例，每一个纳米指210包括在自由端处的SERS增强纳米颗粒212。多聚体被配置成展现出偏振相关等离子体模式。在一些示例中，纳米指210和SERS增强纳米颗粒212大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的纳米指112和纳米颗粒116。此外，在一些示例中，多聚体大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的SERS多聚体118。
如所图示的，偏振选择性SERS系统200还包括包含偏振器222的刺激源220和包含偏振辨别器232的拉曼检测器230中的一个或二者。根据各种示例，包括偏振器222的刺激源220被配置成产生具有可控偏振状态的刺激信号。具有可控偏振状态的刺激信号进而被配置成光照具有对应于多聚体的偏振相关等离子体模式的偏振状态的多聚体。根据各种示例，包括偏振辨别器232的拉曼检测器230被配置成检测由多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号。特别地，拉曼检测器230被配置成优选地接收拉曼散射信号的偏振状态并且拒绝或大体拒绝具有与拉曼散射信号的不同的偏振状态的背景噪声信号。
在一些示例中，刺激源220大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的刺激源120。特别地，刺激源220还可以包括光源224（例如激光器）以生成刺激信号。在一些示例中，拉曼检测器230大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的拉曼检测器130。特别地，拉曼检测器230还可以包括光谱仪234或另一装置以检测和测量拉曼散射信号。
在一些示例中，刺激源偏振器222和偏振辨别器232中的一个或二者可以包括可旋转偏振器。在一些示例中，可旋转偏振器由刺激源220和拉曼检测器230二者共享。例如，可旋转偏振器可以定位成拦截和偏振刺激信号和拉曼散射信号二者以充当偏振器222和偏振辨别器232二者，如图4中所图示的那样。系统200还可以包括被配置成分离刺激信号和拉曼散射信号并且还将拉曼散射信号引导到光谱仪234的射束分离器240，如图4中进一步图示的那样。在另一示例（未示出）中，偏振器222可以位于光源224与射束分离器240之间，而偏振辨别器232位于射束分离器240与光谱仪234之间。在该配置中，刺激信号的偏振和偏振辨别可以独立受控。根据其它示例，包括不使用射束分离器240的其它配置也是可能的。
在一些示例中，多聚体可以是被配置成展现出与二聚体的长轴大体对准的偏振相关等离子体模式的二聚体。在一些示例中，背景噪声信号可以是大体未偏振的荧光信号。在一些示例中，背景噪声信号可以是杂散环境光。在再其它的示例中，背景噪声信号可以是荧光信号和杂散环境光的组合。
图5图示了根据与本文所描述的原理一致的示例的偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）的方法300的流程图。如所图示的，偏振选择性SERS的方法300包括利用刺激信号光照310SERS衬底。根据各种示例，SERS衬底包括布置为多聚体的多个纳米指。每一个纳米指可以包括在纳米指的自由端处的SERS增强纳米颗粒。自由端可以与例如附连到支撑物的纳米指的端部大体相对。
在各种示例中，所光照的多聚体被配置成展现出偏振相关等离子体模式。在一些示例中，光照310SERS衬底包括发射偏振刺激信号或具有特定偏振状态的刺激信号。例如，特定偏振状态可以是与多聚体对准的偏振状态。利用偏振刺激信号光照310SERS衬底可以用于优选地耦合到或优选地刺激（例如激发）多聚体的偏振相关等离子体模式。例如，当多聚体是二聚体时，刺激信号的偏振状态可以是具有对应于二聚体的长轴的取向的预确定的偏振角度的线性偏振状态。
在一些示例中，SERS衬底可以大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的SERS感测衬底110。特别地，纳米指和SERS增强纳米颗粒可以大体类似于如以上所描述的SERS感测衬底110的纳米颗粒116和纳米指112中的相应一个。类似地，在一些示例中，所光照的多聚体可以大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的SERS多聚体118。
偏振选择性SERS的方法300还包括检测320由多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号。在一些示例中，检测320拉曼散射信号选择性地辨别与多聚体的偏振相关等离子体模式相关联或者由其规定的拉曼散射信号的偏振状态和具有不同偏振状态的背景噪声信号。在一些示例中，检测320拉曼散射信号可以使用大体类似于以上关于偏振选择性SERS系统100所描述的拉曼检测器130的检测器来执行。特别地，检测320拉曼散射信号可以采用由例如大体类似于以上所描述的偏振辨别器的偏振辨别器提供的偏振辨别。在一些示例中，偏振用于光照310SERS衬底和检测320拉曼散射信号二者中，因为所发射的刺激信号是偏振的、并且检测320选择性地辨别偏振状态二者。
在一些示例中，偏振选择性SERS的方法300还包括旋转刺激信号的偏振状态和用于可选择地辨别拉曼散射信号偏振状态的偏振辨别器的偏振状态中的一个或二者。在一些示例中，检测320拉曼散射信号包括检测拉曼散射信号偏振状态的主分量或主要分量和大体正交于主要分量的分量二者。例如，主要分量和正交分量之间的差异可以用于可选择地检测拉曼散射信号。
因此，已经描述了偏振选择性SERS系统和采用SERS多聚体的偏振相关等离子体模式的偏振选择性SERS的方法的示例。应当理解的是，以上所描述的示例仅仅说明表示本文所描述的原理的许多具体示例中的一些。显然，本领域技术人员可以容易设想到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 (15)
1.一种偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统，其包括：
SERS感测衬底，其包括布置为SERS多聚体的多个纳米指以展现出偏振相关等离子体模式；
利用刺激信号光照SERS多聚体的刺激源；以及
检测由SERS多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号的拉曼检测器，拉曼散射信号具有与偏振相关等离子体模式相关联的偏振状态，
其中，刺激信号被偏振以优选地刺激SERS多聚体的偏振相关等离子体模式和拉曼检测器辨别拉曼散射信号的偏振状态和背景噪声信号的不同偏振状态中的一个或二者。
2.权利要求1所述的偏振选择性SERS系统，其中SERS多聚体的纳米指包括在与附连到SERS感测衬底的支撑表面的端部相对的纳米指的自由端处的SERS增强纳米颗粒。
3.权利要求2所述的偏振选择性SERS系统，其中纳米颗粒包括被功能化以优选地吸收分析物的金属表面。
4.权利要求1所述的偏振选择性SERS系统，其中SERS多聚体是二聚体，偏振相关等离子体模式和拉曼散射信号偏振状态二者与二聚体的长轴大体对准。
5.权利要求1所述的偏振选择性SERS系统，其中背景噪声信号包括荧光背景信号和杂散环境光中的一个或二者。
6.权利要求1所述的偏振选择性SERS系统，其中刺激源包括具有可选偏振状态以产生具有对应于并且优选地激发SERS多聚体的偏振相关等离子体模式的偏振状态的刺激信号的偏振器。
7.权利要求1所述的偏振选择性SERS系统，其中检测器包括偏振辨别器，其优选地接收拉曼散射信号的偏振状态的主要分量和正交于主要分量的偏振状态的分量中的一个或二者。
8.一种偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）系统，其包括：
布置为多聚体的多个纳米指，纳米指包括在自由端处的SERS增强纳米颗粒，多聚体展现出偏振相关等离子体模式；以及以下中的一个或二者：
包括产生具有可控偏振状态的刺激信号的偏振器的刺激源，刺激信号利用对应于偏振相关等离子体模式的偏振状态光照多聚体；以及
检测由多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号的拉曼检测器，拉曼检测器包括偏振辨别器以优选地接收拉曼散射信号的偏振状态并且拒绝具有不同偏振状态的背景噪声信号。
9.权利要求8所述的偏振选择性SERS系统，其中刺激源偏振器和偏振辨别器中的一个或二者包括可旋转偏振器。
10.权利要求9所述的偏振选择性SERS系统，其中可旋转偏振器由刺激源和拉曼检测器二者共享。
11.权利要求8所述的偏振选择性SERS系统，其中多聚体是展现出与二聚体的长轴大体对准的偏振相关等离子体模式的二聚体。
12.权利要求8所述的偏振选择性SERS系统，其中背景噪声信号包括大体未偏振的荧光信号。
13.一种偏振选择性表面增强拉曼光谱学分析（SERS）的方法，所述方法包括：
利用刺激信号光照SERS衬底，SERS衬底包括布置为多聚体的多个纳米指，纳米指包括在与附连到支撑物的纳米指的端部相对的自由端处的SERS增强纳米颗粒，所光照的多聚体展现出偏振相关等离子体模式；以及
检测由多聚体的邻域中的分析物所发射的拉曼散射信号，
其中，刺激信号被偏振以优选地刺激多聚体的偏振相关等离子体模式和所检测到的拉曼散射信号具有与从具有不同的偏振状态的背景噪声信号选择性地辨别的偏振相关等离子体模式相关联的偏振状态中的一个或二者。
14.权利要求13所述的偏振选择性SERS的方法，还包括旋转刺激信号的偏振状态和用于可选择地辨别拉曼散射信号偏振状态的偏振辨别器的偏振状态中的一个或二者。
15.权利要求13所述的偏振选择性SERS的方法，其中背景噪声信号包括大体未偏振的荧光信号。
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