CN106442468A - 一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明适用于成像系统，提供了一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底、以及在所述基底上形成的分子层，所述分子层通过纳米加工技术形成预置光栅结构。本发明实施例提供了一种拉曼光谱成像分辨率板，该拉曼光谱成像分辨率板可以作为一种通用的拉曼光谱显微成像分辨率标定标准部件，使用该标准部件可以适用于各种分辨率的拉曼显微成像系统，如表面拉曼增强显微成像、共焦拉曼成像、宽场拉曼成像等各种新型拉曼成像系统等。该拉曼光谱成像分辨率板具备加工简单、工艺稳定、可重复批量制作、使用方便、可重复利用并具有很高的运输便携性等特点。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱成像领域，尤其涉及一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法。
背景技术
拉曼光谱是光与物质相互作用过程中，具有特定微观结构及运动状态的物质与光子发生能量交换而产生的物理现象。拉曼光谱属于分子振动光谱,可以反映分子的特征结构。不同物质由于各自独特的微观结构和运动状态而具有特定的拉曼光谱，从而使得拉曼光谱具备分子指纹图谱识别能力。由于拉曼光谱的强度、偏振、频率等特征携带着丰富的物质结构信息，所以基于拉曼光谱的探测和成像技术在很多研究领域如材料、石油、化工、环保生物、医学、地质等都有广泛的应用。作为拉曼检测的一个分支，拉曼成像以其信息丰富，非接触，无损伤等特点受到人们的重视，其成像分辨率的判定也越来越重要。
常规远场拉曼光谱成像技术将显微技术与拉曼光谱仪结合，显微物镜将激光聚焦在样品上，并同时收集拉曼信号，减少了样品量和激光强度，并将拉曼测量空间分辨率提高到了亚微米量级。传统光学显微镜成像技术由于受阿贝衍射分辨极限的限制，其分辨率无法突破半波长尺度,因此只能反映一定区域内样品化学组分的平均信息。近年来，为了获得超衍射极限的分辨信息，超高分辨率荧光显微镜技术获得了极大的发展。相应的部分表面增强拉曼成像以及针尖增强拉曼成像技术均已突破光学衍射极限。由于这些成像方式已经超越了阿贝极限，无法再用传统显微镜计算分辨率的方法来标定分辨率。从整个成像过程来看，图像的分辨率除取决于光学系统的精度与灵敏度，还在极大程度上取决于拉曼信号的采集时间以及数据处理算法。不同光学平台设计和实现及算法可能带来不同的分辨率和结果。如何标定各种成像平台和各种成像方式所能达到的真实分辨率，是该研究领域中一个重要问题。因此，一种使用范围广、拉曼散射性能好、拉曼特征峰明显的分辨率板对拉曼成像分辨率标定有着重要的意义。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种拉曼光谱成像分辨率板及其制备方法，旨在为解决上述问题提供一种通用的拉曼光谱显微成像的分辨率标定标准部件。
本发明提供了一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底、以及在所述基底上形成的分子层，所述分子层通过纳米加工技术形成预置光栅结构。
进一步地，所述基底为低表面粗燥度材料制成的透明基底或非透明基底。
进一步地，所述分子层包括单层或多层石墨烯。
进一步地，所述纳米加工技术包括光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻写、原子力显微镜刻写等方式中的任一种。
进一步地，所述拉曼光谱成像分辨率板还包括位于所述基底与所述分子层之间的增强层；
通过高度聚焦的入射光在所述增强层形成表面等离激元场，所述表面等离激元场用于对石墨烯拉曼信号进行增强。
进一步地，所述增强层为金属膜层。
进一步地，所述金属膜层的厚度为10-60nm。
本发明还提供了一种拉曼光谱成像分辨率板的制备方法，包括：
按照预置生成方式在基底上形成一层分子层；
通过纳米加工技术将所述分子层加工成预置光栅结构。
进一步地，所述按照预置生成方式在基底上形成一层分子层包括：
通过蒸镀或溅射的方式在所述基底上形成增强层；
在所述增强层上转移上分子层。
进一步地，所述通过纳米加工技术将所述分子层加工成预置光栅结构包括：
通过电子束曝光，按预设图样将所述分子层加工成预置光栅结构。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明实施例提供了一种拉曼光谱成像分辨率板，该拉曼光谱成像分辨率板可以作为一种通用的拉曼光谱显微成像分辨率标定标准部件，使用该标准部件可以适用于各种分辨率的拉曼显微成像系统，如表面拉曼增强显微成像、共焦拉曼成像、宽场拉曼成像等各种新型拉曼成像系统等。该拉曼光谱成像分辨率板具备加工简单、工艺稳定、可重复批量制作、使用方便、可重复利用并具有很高的运输便携性等特点。
附图说明
图1是本发明第一实施例提供的一种拉曼光谱成像分辨率板的结构示意图；
图2是本发明第二实施例提供的一种拉曼光谱成像分辨率板的结构示意图；
图3是本发明第三实施例提供的一种拉曼光谱成像分辨率板的制备方法的流程图；
图4a为本发明第二实施例中表面增强拉曼显微成像标尺的全分布图；
图4b为本发明第二实施例中表面增强拉曼显微成像标尺制作成功后的电镜成像图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1示出了本发明实施例提供的一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底101、以及在基底上101形成的分子层102，分子层102通过纳米加工技术形成预置光栅结构。
在具体应用中，基底101选用低表面粗燥度的材料制成，如玻璃树脂或硅片，分为透明基底和非透明基底两种，根据成像方式的差异进行相应的选择。如在透射式成像中必须选择透明基底，反射式成像中可以任意选择透明基底或非透明基底。因为显微镜物镜对基底101的厚度有限制，而微纳米加工系统也对期间的尺寸有所限制，因此在本实施例中优选地，基底101为边长为22mm的正方形的玻璃，该玻璃的厚度为0.175mm。
分子层102易于旋涂、生长或者方便转移到基底101上，分子层102采用单层或者多层石墨烯，石墨烯的制备可以采用气相化学沉积(PECVD，Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition)的方法来制取，也可以采用PMMA转移技术转移，还可以使用其他方法，此处不做具体限制。因此石墨烯本身具备导电性，因此当石墨烯转移到非金属基底上也能在电子束曝光中使用。
在石墨烯层上加工形成光栅结构的加工技术包括光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻写、原子力显微镜刻写等，一般光刻技术光衍射极限限制，分辨率最高能达到几百纳米，但是光刻的加工方式简单价格便宜，对于低分辨率成像系统的标尺可以采用光刻的加工方式。聚焦离子束刻写加工工艺相对于电子束曝光要简单，但是聚焦离子束刻写的加工精度、加工时间以及工艺精准都不如电子束曝光。而原子力直接刻写面临着样品表面堆积等问题，因此使用原子力显微镜刻写的实现方案较少。基于上述考虑，为了达到最优的实现成像效果，本实施例中采用电子束曝光的纳米加工技术对石墨烯进行加工，以得到预置光栅结构。
在第一实施例的基础上，图2还示出了本发明提供的第二实施例，一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底201、在基底201上形成的增强层202、以及在增强层202上形成的分子层203，分子层203通过纳米加工技术形成预置光栅结构；通过高度聚焦的入射光在增强层202形成表面等离激元场，所述表面等离激元场用于对石墨烯拉曼信号进行增强。
具体地，本实施例中的增强层为均匀的金属膜层，具体可采用金或者银。为了更好的达到成像效果，该金属膜层的厚度为10-60nm，优选的为45nm。入射光通过高度聚焦以后可以在该金属膜层表面形成表面等离激元场，对石墨烯拉满信号进行进一步增强。
本实施例中的石墨烯每层仅吸收2.3％的光，同时具有两个典型的拉曼特征峰，拉曼强度高，当形成分子层的石墨烯的层数较少时，厚度仅为几个纳米，即保证了高透光率，又可以在显微镜下看到清晰的结构。
在石墨烯构成的分子层上刻蚀不同周期的光栅结构，如10纳米、20纳米、50纳米、100纳米、300纳米、600纳米、1微米等，基于石墨烯特有的拉曼光谱分布应用于光谱成像(主要是拉曼光谱成像)分辨率的标定中。该光栅结构的周期从几十纳米到几百纳米，甚至几十微米不等，边缘清晰，与金属膜层粘合性好。
本发明还提供了如图3所示的一种拉曼光谱成像分辨率板的制备方法，包括：
S301，按照预置生成方式在基底上形成一层分子层；
S302，通过纳米加工技术将所述分子层加工成预置光栅结构。在具体应用中，分子层包括单层或者多层石墨烯。
具体地，步骤S302具体包括：
通过蒸镀、溅射或者其他方式在所述基底上形成增强层；
在所述增强层上转移上分子层。
则步骤S302具体包括：
通过电子束曝光，按预设图样将所述分子层加工成预置光栅结构。
下面通过图2和图4对上述实施例进行进一步地阐述：
图2提供示出了本发明提供的实施例一种拉曼光谱成像分辨率板，包括基底201，在基底201上形成的表面拉曼信号的增强层202，在增强层202上形成的拉曼信号分子层203，其中分子层203为单层或者多层石墨烯。在透射式显微成像中，基底201选择透明材质，而在反射式成像中，基底201可以采用透明材质或者非透明材质均可。拉曼信号分子层203通过标准的纳米加工技术形成预置光栅结构。
在本实施例中，选择22mm*22mm*0.17mm的玻璃片作为基底201，因为显微镜成像需要高数字孔径的油镜，所以最好选择超薄的并且表面粗燥度非常低的玻璃基底，同时为了让玻璃片能够顺利的安装在电子束曝光的载物台上，选择22mm*22mm*0.17mm的玻璃片作为基底201最为合适。
为了去除玻璃片基底201表面污染物引起的自发荧光，需要用如浓铬酸或碱液的强氧化试剂和如丙酮异丙醇的有机溶剂以及等离子清洗剂对玻璃片表面进行清洗。
在清洗干净的玻璃片表面用电子束蒸发镀膜的方式镀一层45nm厚度的金属银膜，该金属银膜作为增强层202。
通过等离子体化学气相沉积(PECVD)的方法在铜箔上生长单层或者多层石墨烯，该生成的单层或多层石墨烯作为分子层203。
在铜箔上的石墨烯上旋涂上PMMA胶，然后化学腐蚀液体将石墨烯下的铜腐蚀掉。
将转移到PMMA上的石墨烯膜紧贴在金属银膜上，用丙酮去除PMMA层露出石墨烯。
在石墨烯膜层上用每分钟4000转的转速旋凃一层90nm厚的ZEP520或旋凃上电子束光刻胶PMMA原液。把转移好石墨烯膜并旋涂上光刻胶的样品安装到电子束曝光平台上，按预设的图样曝光并用乙酸正戊脂进行显影。旋涂的光刻胶ZEP520属正胶，因此曝光区域的光刻胶经显影后被溶掉，未曝光区域的光刻胶将作为掩膜保留下来。
经等离子体刻蚀机采用氧气等离子体去除无光刻胶保护区域的石墨烯层。
最后用有机溶剂丁酮异丙醇去除表面的光刻胶，形成一系列间隔设置的、具有预设纳米尺度的石墨烯光栅结构。
经过上述处理步骤得到的最终样品经电子显微镜表征所形成的结构如图4a所示，其中的成像结果如图4b所示，可见一系列间隔设置的、具有预设纳米尺度的石墨烯光栅结构。
在做出如图4a所示结构的荧光纳米标尺部件后，可以携带运输到世界各地任何一个实验室作为对方拉曼显微镜成像的系统分辨率的标定。
本发明提供的一种拉曼光谱成像分辨率板，因为石墨烯有G峰和D峰两个典型的拉曼光谱特征峰，可以方便的通过拉曼光谱获得石墨烯的分布。基于石墨烯的典型拉曼光谱，利用加工技术在石墨烯层样品上制作不同周期的光栅结构条带作为拉曼显微成像系统分辨率的标板。该分辨率板包含三个部分：第一层是基底层；第二层为拉曼信号增强层，通常为均匀的金属膜层如金或银等；第三层为在金膜上转移单层/多层石墨烯，然后在石墨烯层上刻出不同周期的光栅结构，作为分辨率标定的基准。本发明通过测量石墨烯拉曼光谱特征峰清晰的独特性质，对基于拉曼光谱成像系统的分辨率进行准确严格的标定。本发明实施例在表面增强拉曼散射(SERS)、针尖拉曼增强散射(TERS)等拉曼成像领域都有非常重要的意义。本发明的上述实施例提供的拉曼光谱成像分辨率板加工简单、工艺稳定、可重复批量制作、使用方便、可重复利用并具有很高的运输便携性等特点。
在本发明提供的上述实施例中，基底是一种可安装在相应成像系统的基片，如玻璃硅片等，它可以作为增强层和分子层的支撑。增强层是一种金属层，其主要作用是与聚焦光作用在表面形成表面等离激元。表面等离激元场再与分子层作用，会使分子层如同共振一样产生更强的拉曼信号。分子层采用的材料是一种能产生拉曼信号的物质，理论上只要能产生拉曼信号的物质都可以，石墨烯只是本发明实施例中优选的材料。但是考虑到加工的难度、材料是否容易获取、拉曼信号的强弱以及样品是否能长期保存等因素真正可用的材料并不多。作为一种层状二维材料，石墨烯为本发明的优选材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述拉曼光谱成像分辨率板包括基底、以及在所述基底上形成的分子层，所述分子层通过纳米加工技术形成预置光栅结构。
2.如权利要求1所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述基底为低表面粗燥度材料制成的透明基底或非透明基底。
3.如权利要求1或2所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述分子层包括单层或多层石墨烯。
4.如权利要求3所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述纳米加工技术包括光刻、电子束曝光、聚焦离子束刻写、原子力显微镜刻写中的一种。
5.如权利要求1所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述拉曼光谱成像分辨率板还包括位于所述基底与所述分子层之间的增强层；
通过高度聚焦的入射光在所述增强层形成表面等离激元场，所述表面等离激元场用于对石墨烯拉曼信号进行增强。
6.如权利要求5所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述增强层为金属膜层。
7.如权利要求6所述的拉曼光谱成像分辨率板，其特征在于，所述金属膜层的厚度为10-60nm。
8.一种拉曼光谱成像分辨率板的制备方法，其特征在于，包括：
按照预置生成方式在基底上形成一层分子层；
通过纳米加工技术将所述分子层加工成预置光栅结构。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述按照预置生成方式在基底上形成一层分子层包括：
通过蒸镀或溅射的方式在所述基底上形成增强层；
在所述增强层上转移上分子层。
10.如权利要求8或9所述的制备方法，其特征在于，所述通过纳米加工技术将所述分子层加工成预置光栅结构包括：
通过电子束曝光或聚焦离子束刻写的方式，按预设图样将所述分子层加工成预置光栅结构。
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