-
Querverweis auf verwandte Anmeldungen
-
Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit der gleichzeitig eingereichten U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer (200402670) mit dem Titel INTEGRATED MODULAR SYSTEM AND METHOD FOR ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY und mit der gleichzeitig eingereichten U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennummer (200402383) mit dem Titel INTEGRATED SYSTEM AND METHOD FOR TRANSVERSAL ENHANCED RAMAN SPECTROSCOPY.
-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine chemische Analyse unter Verwendung von Raman-Spektroskopie. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf integrierte Systeme für eine Verstärkung der Raman-Spektroskopie unter Kombinierung einer Strahlungsquelle und einer Raman-Streustrahlungserfassung. Zusätzlich bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Hyper-Raman, wobei die Anregungswellenlänge in etwa ein ganzzahliges Vielfaches der Raman-Wellenlänge ist.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Die Raman-Spektroskopie ist eine bekannte Spektroskopie-Technik zur Durchführung einer chemischen Analyse in der gasförmigen, flüssigen oder festen Phase. Bei der herkömmlichen Raman-Spektroskopie wird monochromatisches Licht mit hoher Intensität von einer Lichtquelle, wie z. B. einem Laser, auf einen Analyt, der chemisch analysiert werden soll, gerichtet. Der Analyt könnte eine einzelne Spezies von Molekülen oder Mischungen unterschiedlicher Moleküle beinhalten. Ferner könnte die Raman-Spektroskopie an einer Anzahl unterschiedlicher Molekularkonfigurationen, wie z. B. organischen und anorganischen Molekülen in einem kristallinen oder amorphen Zustand, durchgeführt werden.
-
Für ein System, das keine Oberflächen- oder Nanostruktur-Verstärkung aufweist, wird der Großteil der einfallenden Lichtphotonen elastisch durch das Analytmolekül gestreut. Anders ausgedrückt weisen die gestreuten Photonen die gleiche Frequenz und so die gleiche Energie auf wie die Photonen, die auf den Analyt eingefallen sind. Dies ist als Rayleigh-Streuung bekannt. Ein kleiner Bruchteil der Photonen (d. h. eines von 107 Photonen) jedoch wird durch das unverstärkte Analytmolekül mit einer unterschiedlichen optischen Frequenz als die einfallenden Photonen unelastisch gestreut. Die unelastisch gestreuten Photonen werden als die „Raman-Streustrahlung” bezeichnet und könnten bei Frequenzen gestreut werden, die größer sind als die Frequenz der einfallenden Photonen, die meisten jedoch werden üblicherweise bei einer kleineren Frequenz gestreut. Wenn die einfallenden Photonen mit den Molekülen kollidieren und einen Teil ihrer Energie abgeben, treten die Raman-Streuphotonen mit einer geringeren Energie und so einer geringeren Frequenz hervor. Die Raman-Streuphotonen mit geringerer Energie werden in der Raman-Spektroskopie üblicherweise als die „Stokes-Strahlen” bezeichnet. Ein kleiner Bruchteil der Moleküle liegt bereit in einem energetisch angeregten Zustand vor, und wenn die einfallenden Photonen mit den Molekülen kollidieren, gehen die Raman-Streuphotonen mit einer höheren Energie und so mit einer höheren Frequenz hervor. Die Raman-Streuphotonen mit höherer Energie werden in der Raman-Spektroskopie üblicherweise als die „Anti-Stokes-Strahlung” bezeichnet. Eine Raman-Streuung kann aus dem Dreh-, Vibrations- oder elektronischen Zustand der Moleküle auftreten.
-
Die Stokes- und die Anti-Stokes-Raman-Streuphotonen werden unter Verwendung von Optiken gesammelt, die unterschiedlichen Frequenzen werden räumlich mit einem bestimmten Typ von Spektrometer verstreut und die Photonen werden durch einen Detektor, wie z. B. einen Photomultiplizierer, registriert, was zu einem Spektralgraphen einer Intensität bei einer entsprechenden Frequenz (d. h. proportional zur Energie) für die Raman-Streuphotonen führt. Durch ein Darstellen der Intensität der unelastisch gestreuten Raman-Photonen gegenüber der Frequenz wird ein eindeutiges Raman-Spektrum erhalten, das den bestimmten. Analytmolekülen entspricht. Dieses Raman-Spektrum könnte verwendet werden, um chemische Spezies zu identifizieren, sowie andere physische Eigenschaften des Analyts. Während die herkömmliche Raman-Spektroskopie geeignet für eine chemische Volumenanalyse ist, ist sie für Oberflächenstudien nicht wirksam, da das Signal von den Volumen-Raman-Streuphotonen ein mögliches Signal von Raman-Streuphotonen nahe der Oberfläche erdrückt.
-
Bei der Hyper-Raman-Spektroskopie könnte, wenn Anregungsstrahlung auf ein Analytmolekül einfällt, eine sehr kleine Anzahl von Photonen mit Frequenzen gestreut werden, die den Harmonischen höherer Ordnung der Anregungsstrahlung entsprechen, wie z. B. der zweiten und dritten Harmonischen (d. h. zwei- oder dreimal die Frequenz der Anregungsstrahlung). Einige dieser Photonen könnten Raman-Streuphotonen mit einer Frequenz sein, die relativ zu den Frequenzen Raman-verschoben ist, die den Harmonischen höherer Ordnung der Anregungsstrahlung entsprechen. Deshalb weisen bei der Hyper-Raman-Spektroskopie die einfallenden Anregungsphotonen etwa 1/2, 1/3 oder 1/4 der Frequenz der Raman-Photonen auf.
-
Aufgrund der Unzulänglichkeiten bei der Durchführung von Oberflächenstudien unter Verwendung der herkömmlichen Raman-Spektroskopie wurde eine weitere Raman-Spektroskopietechnik, die oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie (SERS; SERS = Surface Enhanced Raman Spectroscopy) genannt wird, entwickelt, die wirksam für die Durchführung von Oberflächenstudien ist. Bei der SERS wird eine Monoschicht- oder Teil-Monoschichtmenge der zu analysierenden Moleküle auf eine speziell aufgeraute Metalloberfläche adsorbiert. Typischerweise ist die Metalloberfläche aus Gold, Silber, Kupfer, Lithium, Natrium oder Kalium hergestellt. Eine Raman-Spektroskopie wurde bisher auch unter Verwendung metallischer Nanopartikel oder Nanodrähte für die Metalloberfläche, im Gegensatz zu einer aufgerauten Metalloberfläche, verwendet, was im Folgenden als Nano-verstärkte Raman-Spektroskopie (NERS; NERS = Nano-Enhanced Raman Spectroscopy) bezeichnet ist. Die Intensität der Raman-Streuphotonen von einer Sammlung von Molekülen, die auf eine derartige Oberfläche adsorbiert sind, ist typischerweise etwa 104 bis 106 Mal größer als bei einer herkömmlichen Raman-Spektroskopie von einer ähnlichen Anzahl von Molekülen in einer Volumenprobe und kann für ein einzelnes Molekül, das nahe zu zwei oder mehr Metallnanopartikeln adsorbiert ist, ganze 108 bis 1014 betragen. Obwohl nicht gänzlich verständlich, resultiert die Selektivität des Oberflächen-Raman-Signals aus dem Vorliegen der Oberflächenverstärkungsmechanismen und ist hauptsächlich zwei Hauptmechanismen zuzuschreiben: einer elektromagnetischen Verstärkung und einer chemischen Verstärkung, wobei die elektromagnetische Verstärkung der vorherrschende Mechanismus ist. Das verstärkte elektromagnetische Feld ist stark abhängig von den Oberflächenrauhigkeitsmerkmalen der Verstärkungsoberfläche. Die chemische Verstärkung hängt vermutlich von der veränderten elektronischen Struktur der Verstärkungsoberfläche aufgrund einer Adsorption des Analyts ab. Das verstärkte elektromagnetische Feld der Verstärkungsoberfläche, die benachbart zu dem Analyt ist, bestrahlt das Analyt, was ein verstärktes Raman-Signal mit einer Stärke erzeugt, die teilweise proportional zu dem Quadrat des verstärkten elektromagnetischen Felds ist. So könnte die Raman-Spektroskopie verwendet werden, um Monoschichten von Materialien, die auf Metallen adsorbiert sind, zu untersuchen, sowie sogar einzelne Moleküle, die nahe an einer geeigneten Metallnanostruktur adsorbiert sind (d. h. NERS).
-
In einem herkömmlichen SERS-System sammelt ein Spektrometer die gesamte Strahlung, einschließlich der Stokes-Strahlung, Anti-Stokes-Strahlung und der elastisch Streustrahlung, und stellt ein Spektrum der gestreuten Strahlung bereit. Das Spektrum könnte dann verwendet werden, um die chemischen Spezies, sowie andere physische Eigenschaften des Analyts zu identifizieren. Herkömmlicherweise könnte das Spektrometer verschiedene optische Elemente, wie z. B. Linsen, Gitter, Photomultiplizierer und Filter, umfassen. Während diese Anordnung flexibel sein könnte, ist sie oft voluminös, teuer und erfordert wesentlichen Eingriff durch den Benutzer zur Analyse einer chemischen Spezies.
-
Ein integriertes monolithisches Raman-Spektroskopieanalysesystem, das eine Laserlichtquelle und ein Streustrahlungs-Verstreuungs- und -Erfassungselement integriert, könnte ein kleineres und weniger kostspieliges System sein. Dieses integrierte Raman-Spektroskopieanalysesystem könnte in der Verwendung einfacher sein und könnte für die Erfassung eines vorbestimmten Satzes von Molekülen anpassbar sein. Zusätzlich könnte ein monolithisches Raman-Spektroskopieanalysesystem die Raman-Streuverstärkungsstruktur (Oberfläche oder Nanostruktur) integrieren, was ein in sich geschlossenes integriertes Raman-Spektroskopieanalysesystem erzeugt.
-
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung umfasst in einer Anzahl von Ausführungsbeispielen Vorrichtungen zum Erzeugen von Raman-Streustrahlung, Systeme einer oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS-Systeme), Systeme einer Nano-verstärkten Raman-Spektroskopie (NERS-Systeme) und Verfahren zum Durchführen einer SERS und NERS.
-
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist eine Molekularanalysevorrichtung ein Substrat und eine Laserquelle auf, die auf dem Substrat angeordnet und konfiguriert ist, um Laserstrahlung zu erzeugen. Die Molekularanalysevorrichtung umfasst außerdem einen Wellenleiter, der auf dem Substrat angeordnet und zum im Wesentlichen Beinhalten der Laserstrahlung konfiguriert ist. Ein Wellenleiter umfasst eine Öffnung, die in einer ersten Oberfläche des Wellenleiters gebildet ist. Eine Raman-Verstärkungsstruktur könnte in der Öffnung des Wellenleiters angeordnet und konfiguriert sein, um eine Raman-Streustrahlung zu erzeugen, wenn die Laserquelle einen Analyt, der auf der Raman-Verstärkungsstruktur angeordnet ist, bestrahlt. Die Molekularanalysevorrichtung umfasst außerdem einen Wellenlängendemultiplexer, der auf dem Substrat angeordnet ist und zum Verstreuen der Raman-Streustrahlung in zumindest zwei eindeutige Wellenlängen konfiguriert ist. Zumindest zwei Strahlungssensoren, die auf dem Substrat angeordnet sind, sind zum Erfassen einer der zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen konfiguriert.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist eine Molekularanalysevorrichtung auf. Die Molekularanalysevorrichtung umfasst ein Substrat, eine Laserquelle, die auf dem Substrat angeordnet und konfiguriert ist, um eine Laserstrahlung zu erzeugen, und einen Chirp-Photonenkristall. Der Chirp-Photonenkristall weist eine Basiswellenlänge auf, die zum Empfangen und Führen der Laserstrahlung konfiguriert ist und zum Führen einer Raman-Streustrahlung konfiguriert ist. Eine Raman-Verstärkungsstruktur könnte in einer Öffnung der Basiswellenlänge angeordnet und konfiguriert sein, um die Raman-Streustrahlung zu erzeugen, wenn die Laserquelle einen Analyt, der auf der Raman-Verstärkungsstruktur angeordnet ist, bestrahlt. Der Chirp-Photonenkristall umfasst außerdem zumindest zwei wellenlängenspezifische Wellenleiter, wobei jeder wellenlängespezifische Wellenleiter an einer Position entlang einer Chirp-Achse angeordnet ist, die mit einer von zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen korreliert ist, und wobei jeder wellenlängenspezifische Wellenleiter zum Führen einer der zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen konfiguriert ist. Die Molekularanalysevorrichtung umfasst außerdem zumindest zwei Strahlungssensoren, die auf der Oberfläche angeordnet und zum Erfassen einer der zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen konfiguriert sind.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer Raman-Spektroskopie. Das Verfahren zum Durchführen der Raman-Spektroskopie weist ein Erzeugen einer Laserstrahlung von einer Laserquelle, die auf einem Substrat angeordnet ist, ein Begrenzen der Laserstrahlung in einem Wellenleiter, der auf dem Substrat angeordnet ist, und ein Anordnen eines Analyts über zumindest einem Abschnitt einer Raman-Verstärkungsstruktur, die in einer Öffnung in dem Wellenleiter angeordnet ist, auf. Das Verfahren umfasst ferner ein Bestrahlen des Analyts und der Raman-Verstärkungsstruktur mit der Laserstrahlung, um eine Raman-Streustrahlung zu erzeugen, ein Verstreuen der Raman-Streustrahlung in zumindest zwei eindeutige Wellenlängen und ein Erfassen der zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen mit zumindest zwei Strahlungssensoren, die auf dem Substrat angeordnet ist.
-
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Durchführen einer Raman-Spektroskopie. Das Verfahren zum Durchführen der Raman-Spektroskopie weist ein Erzeugen einer Laserstrahlung von einer Laserquelle, die auf einem Substrat angeordnet ist, ein Begrenzen der Laserstrahlung in einem Basis- bzw. Basiswellenleiter, der in einem Chirp-Photonenkristall gebildet ist, und ein Anordnen eines Analyts über zumindest einem Abschnitt einer Raman-Verstärkungsstruktur, die in einer Öffnung in dem Basiswellenleiter angeordnet ist, auf.
-
Das Verfahren umfasst ferner ein Bestrahlen des Analyts und der Raman-Verstärkungsstruktur mit der Laserstrahlung, um eine Raman-Streustrahlung zu erzeugen, ein Verstreuen der Raman-Streustrahlung in zumindest zwei eindeutige Wellenlängen und ein Erfassen der zumindest zwei eindeutigen Wellenlängen mit zumindest zwei Strahlungssensoren, die auf dem Substrat angeordnet sind.
-
Kurze Beschreibung der mehreren Ansichten der Zeichnungen
-
Während die Beschreibung mit Ansprüchen endet, die das, was als die vorliegende Erfindung erachtet wird, besonders herausstellen und speziell beanspruchen, können die Vorteile dieser Erfindung aus der folgenden Beschreibung der Erfindung leichter festgestellt werden, wenn dieselbe in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen:
-
1A eine Draufsicht einer exemplarischen Molekularanalysevorrichtung ist, die eine Raman-Verstärkungsstruktur umfasst, die in einer Öffnung eines Wellenleiters angeordnet ist;
-
1B eine Seitenansicht der exemplarischen Molekularanalysevorrichtung aus 1A ist;
-
2 eine Draufsicht eines exemplarischen Wellenlängendemultiplexers ist, der ein Array-Wellenleitergitter verwendet; und
-
3 eine Draufsicht eines exemplarischen Wellenlängendemultiplexers ist, der einen Chirp-Photonenkristall verwendet; und
-
4 eine Draufsicht einer weiteren exemplarischen Molekularanalysevorrichtung ist, die eine Raman-Verstärkungsstruktur umfasst, die in einer Öffnung eines Wellenleiters angeordnet ist, wobei der Wellenleiter in einem Chirp-Photonenkristall gebildet ist.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung umfasst in einer Anzahl von Ausführungsbeispielen Strukturen und Vorrichtungen zur Verwendung in Systemen einer oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (SERS), Systemen einer Nano-verstärkten Raman-Spektroskopie (NERS) und Verfahren zur Durchführung einer SERS und NERS. Systeme, die SERS- und NERS-Techniken beinhalten könnten, werden hierin allgemein als eine verstärkte Raman-Spektroskopie (ERS; ERS = Enhanced Raman Spectroscopy) einsetzend bezeichnet. Wie in den Figuren gezeigt und unten detaillierter beschrieben ist, beinhalten Molekularanalysestrukturen und Molekularanalysevorrichtungen der vorliegenden Erfindung eine Laserquelle, einen Wellenleiter, einen Wellenlängendemultiplexer und zumindest zwei Strahlungssensoren, die auf ein Substrat integriert sind. Eine Raman-Verstärkungsstruktur könnte in einer Öffnung in dem Wellenleiter angeordnet sein, wobei die Raman-Verstärkungsstruktur und ein Analyt, der auf der Raman-Verstärkungsstruktur angeordnet ist, Laserstrahlung von der Laserquelle ausgesetzt sein können. Zusätzlich könnte die Empfindlichkeit von Raman-Spektroskopiesystemen der vorliegenden Erfindung durch den Typ von Oberfläche auf der Raman-Verstärkungsstruktur verstärkt werden, um eine genauere und empfindlichere Erfassung chemischer Spezies und anderer physischer Eigenschaften der zu analysierenden Probe, einschließlich einer Einzelmolekülerfassung, zu ermöglichen. Ferner könnten die Raman-Spektroskopiesysteme der vorliegenden Erfindung als ein analytisches Instrument zum Erfassen bestimmter chemischer Substanzen eingesetzt werden.
-
Die 1A und 1B stellen ein exemplarisches Ausführungsbeispiel einer Molekularanalysevorrichtung 100, die eine ERS einsetzt, dar. Die Molekularanalysevorrichtung 100 umfasst das Substrat 110, die Laserquelle 120, die auf dem Substrat 110 angeordnet ist, den Wellenleiter 130, der auf dem Substrat 110 angeordnet ist, den Wellenlängendemultiplexer 240, der auf dem Substrat 110 angeordnet ist, und zumindest zwei Strahlungssensoren 290, die auf dem Substrat 110 angeordnet sind.
-
Dieses Ausführungsbeispiel der 1A und 1B könnte als ein in sich geschlossenes ERS-Analysesystem verwendet werden. Eine Raman-Verstärkungsstruktur 300 könnte in einer Öffnung 138 des Wellenleiters 130 angeordnet sein, ein Analyt 310 könnte dann auf der Raman-Verstärkungsstruktur 300 angeordnet sein. Bei Betrieb emittiert die Laserquelle 120 eine Laserstrahlung 125, um den Analyt 310 auf der Raman-Verstärkungsstruktur 300 zu bestrahlen. Die kombinierte Strahlung der Raman-Verstärkungsstruktur 300 und des Analyts 310 kann Raman-Streustrahlung 160 erzeugen. Die Raman-Streustrahlung 160 kann durch die Strahlungssensoren 290 als eine Vielzahl von Wellenlängen erfasst werden, wie unten detaillierter erläutert ist.
-
Der Wellenleiter 130 könnte zum Beinhalten der Laserstrahlung 125, die von der Laserquelle 120 ausgeht, und der Raman-Streustrahlung 160, die von dem Analyt 310 auf die Raman-Verstärkungsstruktur 300 ausgeht, konfiguriert sein. Der Wellenleiter 130 könnte gebildet sein, um einen Resonanzhohlraum bzw. -resonator 134 zu umfassen, der zwischen einem ersten Reflektor 132 und einem zweiten Reflektor 136 gebildet ist. Zusätzlich kann, wenn der Resonanzhohlraum 134, der zweite Reflektor 136 und der erste Reflektor 132 für eine spezifische Wellenlänge konfiguriert sind, der Wellenleiter 130 auch die Laserstrahlung 125 verstärken, die im Wesentlichen nahe bei dieser spezifischen Wellenlänge ist. Eine Öffnung 138 könnte derart durch den ersten Reflektor 132 (auch als eine erste Oberfläche bezeichnet) gebildet sein, dass die Raman-Verstärkungsstruktur 300 innerhalb des Resonanzhohlraums 134 und auf einer Oberfläche des zweiten Reflektors 136 angeordnet ist, wie in 1A gezeigt ist.
-
Der erste Reflektor 132 und der zweite Reflektor 136 könnten Strukturen, wie z. B. verteilte Bragg-Reflektoren (auch als Bragg-Spiegel bezeichnet) oder verteilte Bragg-Gitter, sein. Bragg-Reflektoren könnten in einer Anzahl von Weisen unter Verwendung einer Vielzahl von Materialien gebildet sein, die als abwechselnde Schichten konfiguriert sind, nämlich eine Schicht mit einem niedrigen Brechungsindex und die andere Schicht mit einem hohen Brechungsindex. Jede Schicht ist mit einer Dicke von etwa einem Viertel eines ungeraden Vielfachen der spezifischen Wellenlänge, die durch den Wellenleiter 130 begrenzt werden soll, konfiguriert. Die Schichten könnten z. B. mit einer Dicke von 1/4 einer Wellenlänge oder 3/4 einer Wellenlänge konfiguriert sein. Der resultierende Bragg-Reflektor könnte auch als ein Viertelwellenstapel bezeichnet werden. Als ein Beispiel könnte ein Bragg-Reflektor aus abwechselnden Schichten aus GaAs (Galliumarsenid) und AlGaAs (Aluminiumgalliumarsenid) gebildet sein. Eine andere geeignete Materialkombination zum Bilden von Bragg-Reflektoren ist abwechselnde Schichten, die aus Silizium bzw. Siliziumdioxid gebildet sind. Ein Implementieren einer größeren Anzahl abwechselnder Paare in einem Bragg-Reflektor führt zu einem höheren Brechungsindex. Etwa 30 Schichten könnten ein Reflexionsvermögen von ganzen 99,99% erzeugen.
-
Die Raman-Verstärkungsstruktur 300, die in der Öffnung 138 angeordnet ist, könnte verwendet werden, um die elektromagnetische Verstärkung des Raman-Signals, eine chemische Verstärkung des Raman-Signals oder beides zu bewirken. Die Raman-Verstärkungsstruktur 300 könnte dem zweiten Reflektor 136 durch ein chemisches Binden oder bloßes Anordnen derselben auf dem zweiten Reflektor 136, gefolgt durch ein schwaches Binden an denselben oder alternativ überhaupt kein Binden, zugeordnet sein.
-
Wie der Ausdruck „Raman-Verstärkungsstruktur” hierin verwendet wird, bedeutet er eine beliebige Struktur, die konfiguriert und aus einem Material gebildet ist, das eine chemische Verstärkung des Raman-Signals, eine elektromagnetische Verstärkung des Raman-Signals oder beides erzeugen kann. Exemplarische Materialien zur Bildung der Raman-Verstärkungsstruktur 300 sind metallische Materialien, die Gold, Silber, Kupfer, Aluminium, Chrom, Lithium, Natrium, Kalium umfassen. Ein beliebiges anderes geeignetes Material jedoch, das eine chemische Verstärkung des Raman-Signals, eine elektromagnetische Verstärkung des Raman-Signals oder beides erzeugen kann, wird als innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung erachtet.
-
Es hat sich gezeigt, dass eine relativ raue Oberfläche die Menge an Raman-Streustrahlung 160, die aus der Raman-Verstärkungsstruktur 300 ausgeht, wenn ein Analyt 310, der auf der Raman-Verstärkungsstruktur 300 angeordnet ist, bestrahlt wird, verbessert. Als ein Ergebnis könnte die Raman-Verstärkungsstruktur 300 als eine einzelne monolithische Schicht, möglicherweise mit einer aufgerauten Oberfläche, gebildet sein oder die Raman-Verstärkungsstruktur 300 könnte eines oder mehrere einzelne Teilchen aufweisen.
-
Als eines oder mehrere einzelne Teilchen könnte die Raman-Verstärkungsstruktur 300 eine Vielzahl exemplarischer Konfigurationen aufweisen, wie z. B. Nanodrähte (z. B. eine stabförmige Konfiguration), Nanopunkte, Nanoteilchen (einschließlich der Verwendung eines einzelnen Nanoteilchens) oder metallische Teilchen in einer Kolloidsuspension. Gegenwärtig wird es bevorzugt, zumindest zwei Silbernanoteilchen, die voneinander beabstandet sind, zu verwenden, derart, dass ein Molekül eines Analyts 310 zwischen denselben drapiert werden kann. Die vorstehend genannten Nanostrukturen für die Raman-Verstärkungsstruktur 300 könnten durch chemische Aufdampfung (CVD; CVD = chemical vapor deposition), Molekularstrahlepitaxie (MBE; MBE = molecular beam epitaxy), Atomarschichtaufbringung (ALD; ALD = atomic layer deposition) oder eine beliebige andere bekannte Technik zum Aufbringen der Raman-Verstärkungsstruktur 300 auf einer Oberfläche gebildet sein.
-
Das Substrat 110 könnte ein beliebiges geeignetes Substrat zum Integrieren der Laserquelle 120, des Wellenlängendemultiplexers 240 und der Strahlungssensoren 290 sein. Zusätzlich könnte das Substrat 110, wenn optionale Komponenten 190 vorliegen, nach seinen Eigenschaften eines Richtens und Modifizierens von entweder optischen Signalen, elektrischen Signalen oder sowohl optischen Signalen als auch elektrischen Signalen ausgewählt werden. Beispielhaft könnten herkömmliche Siliziumsubstrate, wie auch Materialien der Gruppe III–V, wie z. B. Galliumarsenid und Indiumphosphid, wünschenswert sein.
-
Es könnte erwünscht sein, weitere optionale Komponenten 190 zu beinhalten, um ein Analysesystem mit verstärkter Raman-Spektroskopie zu erzeugen. Beispielhaft könnten anwendungsspezifische integrierte Schaltungen (ASICs; ASIC = Application Specific Integrated Circuit), Mikroprozessoren, Mikrosteuerungen, Digitalsignalprozessoren und diskrete Komponenten nützlich sein. Zusätzlich könnten optische Komponenten, wie z. B. Kollimatoren, Linsen, Filter, Wellenleiter und Resonanzhohlräume, nützlich sein. Ferner könnten Nanodraht-Typ-Sensorarrays zum Verifizieren des Vorliegens und der Zusammensetzung bestimmter Analyte 310 wünschenswert sein.
-
Die Laserquelle 120 könnte eine herkömmliche Laserdiode sein, die eine Laserstrahlung 125 mit einer Wellenlänge emittiert, die für eine ERS-Analyse wirksam ist. Beispielhaft ist eine Kantenemissions-Laserdiode in den exemplarischen Ausführungsbeispielen dargestellt. Es wird jedoch darauf verwiesen, dass andere Laserdiodenimplementierungen möglich sind und durch den Schutzbereich der Erfindung beinhaltet sind, wie z. B. ein Vertikalresonatoroberflächenemissionslaser (VCSEL; VCSEL = Vertical Cavity Surface Emitting Surface). Zusätzlich könnte die Laserdiode als Teil einer monolithischen Integration in das Substrat 110 integriert sein, einschließlich des Substrats 110 und möglicherweise anderer optionaler Komponenten 190.
-
Ähnlich könnten der Wellenlängendemultiplexer 240 und Strahlungssensoren 290 als Teil einer monolithischen Integration in das Substrat 110 integriert sein. Exemplarische Ausführungsbeispiele eines Wellenlängendemultiplexers 240 umfassen ein Element 240' mit Array-Wellenleiter-Gitter (AWG-Element; AWG = Arrayed Waveguide Grating) (2) und einen Chirp-Photonenkristall 240'' (3). Ein AWG könnte als ein Wellenlängenmultiplexer und ein Wellenlängendemultiplexer arbeiten. Ein exemplarisches AWG 240' ist in 2 gezeigt. Ein Basiswellenleiter 242' führt die Raman-Streustrahlung 160 zu einer Region 244 freier Ausbreitung, in der die Raman-Streustrahlung 160 zu einem Array von Wellenleitern 246 divergieren kann. Das Array von Wellenleitern 246 ist derart konfiguriert, dass die Längen eines optischen Wegs benachbarter Wellenleiter sich um einen Wert, der im Wesentlichen nahe bei einem ganzzahligen Vielfachen der Mittenwellenlänge ist, unterscheiden. Die einzelnen Wellenleiter des Arrays von Wellenleitern 246 kommen an einer Ausgangsapertur 248 an, wo diese rekombiniert werden. Empfängerwellenleiter (auch als wellenlängenspezifische Wellenleiter 258' bezeichnet) sind an einer geeigneten Position entlang einer Bildebene in der Ausgangsapertur 248 derart platziert, dass eine räumliche Trennung der verschiedenen Wellenlängen die Wellenlängendemultiplexfunktion erzielt. Als ein Ergebnis trägt jeder wellenlängenspezifische Wellenleiter 258' eine eindeutige Wellenlänge 260' aus dem AWG 240' heraus.
-
Ein weiterer exemplarischer Wellenlängendemultiplexer 240, der in 3 dargestellt ist, umfasst einen Chirp-Photonenkristall 240''. Das Material eines herkömmlichen zweidimensionalen Photonenkristalls 240'' könnte durch periodisches Verstreuen von Stäben oder Säulen 254 aus einem Material eines Brechungsindex innerhalb einer Matrix 255 mit einem unterschiedlichen Brechungsindex gebildet sein. Zweidimensionale Photonenkristalle 240'' zeigen eine Periodizität in nur zwei Dimensionen (d. h. den Richtungen, die senkrecht zu der Länge der Stäbe oder Säulen 254 sind), jedoch keine Periodizität zeigt sich in der Richtung parallel zu der Länge der Säulen 254. Das Material des Photonenkristalls 240'', wie in einer Draufsicht in 3 gezeigt, erzeugt ein stark brechendes Verhalten in den beiden Dimensionen des Materials des Photonenkristalls 240''. Als ein Ergebnis könnte ein Wellenleiter in dem Photonenkristall 240'' durch Einführen einer Serie von Defekten erzeugt werden. Die Defekte könnten durch Entfernen oder Nicht-Bilden einer oder mehrerer Säulen 254 entlang eines Wegs, dem die Strahlung folgen soll, gebildet werden. Alternativ könnten die Defekte als Luftzwischenräume oder als räumlich begrenzte Bereiche eines unterschiedlichen Materials, wie z. B. Glas oder Epoxyd, gebildet sein. Die Defekte in dem Photonenkristallmaterial erzeugen aufgrund des großen Reflexionsvermögens in der Ebene senkrecht zu den Säulen 254 einen Wellenleiter entlang des Wegs der Defekte. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel aus 3 z. B. sind ein Basiswellenleiter 242'' und drei wellenlängenspezifische Wellenleiter 258'' gezeigt.
-
Zusätzlich zu einer herkömmlichen periodischen Anordnung von Säulen 254, die den Photonenkristall 240'' bilden, könnte ein Photonenkristall 240'' mit einer „Chirp”-Anordnung gebildet sein. Als ein Chirp-Photonenkristall 240'' verändert sich die Periodizität (d. h. Beabstandung zwischen Säulen 254) entlang der Chirp-Achse 256. Dieses Chirp-Verhalten bzw. Chirpen ist bei der Erzeugung wellenlängenspezifischer Wellenleiter 258'' nützlich.
-
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst der Photonenkristall 240'' eine Chirp-Achse 256 im Wesentlichen in einer horizontalen Richtung. Anders ausgedrückt werden die Säulen 254 weiter auseinander (oder näher beieinander) angeordnet, wenn sich die Strahlung von links nach rechts entlang der Chirp-Achse 256 bewegt. Ein Basiswellenleiter 242'' könnte die Raman-Streustrahlung 160 entlang dieser Chirp-Achse 256 tragen. Wellenlängenspezifische Wellenleiter 258'' könnten an verschiedenen Punkten entlang des Basiswellenleiters 242'' abzweigen. Nur Strahlung von Wellenlängen, die im Wesentlichen mit der Periodizität der Säulen 254 an diesem Punkt entlang der Chirp-Achse 256 übereinstimmt (d. h. eindeutige Wellenlängen 260''), durchläuft den Photonenkristall 240'' und gelangt an diesem Ort in den wellenlängenspezifischen Wellenleiter 258''.
-
Durch ein Demultiplexen der Raman-Streustrahlung 160 könnten die eindeutigen Wellenlängen 260, die den Wellenlängendemultiplexer 240 verlassen, durch einen Strahlungssensor 290 erfasst werden, der für jede eindeutige Wellenlänge konfiguriert ist. Herkömmliche Photodioden, die auf einen breiten Bereich von Wellenlängen ansprechen, könnten als die Strahlungssensoren 290 verwendet werden.
-
Wenn die Strahlungssensoren 290 nicht im Wesentlichen nahe an dem Wellenlängendemultiplexer 240 positioniert sind, könnten optionale Übertragungswellenleiter 270 (wie in den 1A und 1B gezeigt) die eindeutigen Wellenlängen 260 von dem Wellenlängendemultiplexer 240 zu den Strahlungssensoren 290 richten. Während die Übertragungswellenleiter 270 in 1A als gerade Linien gezeigt sind, wird ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet erkennen, dass dieselben in einer großen Vielzahl von Formen gebildet sein könnten, die für verschiedene Konfigurationen auf dem Substrat 110 nützlich sein könnten. Außerdem könnten, falls dies erwünscht ist, optische Verstärker 275 in den Übertragungswellenleitern 270 implementiert sein, um die eindeutigen Wellenlängen 260 zu verstärken und verstärkte eindeutige Wellenlängen zum Empfang durch jeden Strahlungssensor zu erzeugen.
-
Als ein Ergebnis der Konfiguration des Wellenlängendemultiplexers 240 und von Strahlungssensoren 290 könnte die Molekularanalysevorrichtung 100 konfiguriert sein, um gleichzeitig eine Vielzahl von Wellenlängen von Raman-Streustrahlung 160 zu erfassen, derart, dass ein Raman-Spektrum erhalten werden könnte. Das Raman-Spektrum könnte verwendet werden, um spezifische Analyte 310 zu bestimmen. Auf diese Weise könnte eine billige Molekularanalysevorrichtung 100 entwickelt werden, um einen vorbestimmten Satz von Analyten 310 zu erfassen.
-
Die Molekularanalysevorrichtung 100 könnte auch für eine Hyper-Raman-Spektroskopie verwendet werden. Wenn Anregungsstrahlung auf ein Molekül eines Analyts 310 einfällt, könnte eine kleine Anzahl von Photonen bei Frequenzen gestreut werden, die den Harmonischen höherer Ordnung der Anregungsstrahlung entsprechen, wie z. B. der zweiten und dritten Harmonischen (d. h. zwei- oder dreimal die Frequenz der Anregungsstrahlung). Einige dieser Photonen könnten Raman-Streuphotonen mit einer Frequenz sein, die relativ zu den Frequenzen Raman-verschoben ist, die den Harmonischen höherer Ordnung der Anregungsstrahlung entsprechen. Deshalb könnten bei der Hyper-Raman-Spektroskopie als Beispiele und nicht als Einschränkungen von Harmonischen höherer Ordnung die einfallenden Anregungsphotonen etwa 1/2, 1/3 oder 1/4 der Frequenz der Raman-Photonen aufweisen.
-
Diese Hyper-Raman-Anregung hat den zusätzlichen Vorteil, dass die Anregungsfrequenz und Rayleigh-Streustrahlung bei der Anregungsfrequenz ohne weiteres durch ein billiges optisches Filter 170 aus der Raman-Signalfrequenz herausgefiltert werden kann. In dieser Erfindung definieren wir ERS, um Raman-, Hyper-Raman- und Anregungsphotonen höherer Vielfacher zu umfassen.
-
Zur Darstellung eines spezifischen Beispiels und nicht als Einschränkung könnte das Anregungsphoton eine Wellenlänge von etwa 980 nm aufweisen und das Raman-Signal könnte Wellenlängen von etwa 490 nm aufweisen. Als ein Ergebnis könnte das optische Filter 170 konfiguriert sein, um die Strahlung bei und nahe der 980 nm-Wellenlänge im Wesentlichen herauszufiltern, während die kürzeren Wellenlängen durchlaufen. Alternativ könnten Photodioden, die GaN/InGaN/AlGaN verwenden, die durchlässig für 980 nm sind, die jedoch Frequenzen nahe 490 nm erfassen, verwendet werden.
-
Bei Betrieb eines Raman-Spektroskopiesystems und unter Bezugnahme auf die 1A, 1B, 2 und 3 bestrahlt die Laserquelle 120 die Raman-Verstärkungsstruktur 300 und den Analyt 310, was einen Verstärkungseffekt in diesen erzeugt (d. h. chemisch, elektromagnetisch oder beides). Anders ausgedrückt erzeugt eine Bestrahlung der Raman-Verstärkungsstruktur 300 und des Analyts 310 durch Strahlung, die auf die Raman-Verstärkungsstruktur 300 und den Analyt 310 einfällt, teilweise ein starkes elektromagnetisches Feld in der Raman-Verstärkungsstruktur 300. Da das elektromagnetische Feld benachbart zu dem Analyt 310 ist, wird der Analyt 310 wiederum durch ein sehr starkes elektromagnetisches Feld bestrahlt. Die Bestrahlung des Analyts 310 durch das verstärkte Feld von der Raman-Verstärkungsstruktur 300 erzeugt die zuvor genannten Stokes-, Anti-Stokes- oder kombinierten (Stokes-/Anti-Stokes-) Raman-Streuphotonen (auch als Raman-Streustrahlung 160 bezeichnet), die charakteristisch für den gerade analysierten bestimmten Analyt 310 sind. Da die Intensität der Raman-Streuphotonen teilweise proportional zu dem Quadrat des elektromagnetischen Felds ist, das den Analyt 310 bestrahlt, könnte der Verstärkungseffekt von der Raman-Verstärkungsstruktur 300 die Intensität des Raman-Signals um ganze 1014 erhöhen.
-
Ein Teil der Raman-Streustrahlung 160 könnte in den Wellenlängendemultiplexer 240 gehen. Der Wellenlängendemultiplexer 240 trennt die Raman-Streustrahlung 160 in eine Mehrzahl eindeutiger Wellenlängen 260, die durch die Strahlungssensoren 290 erfasst werden. Die Strahlungssensoren 290 wandeln die erfasste Intensität in elektrische Signale um.
-
Die elektrischen Signale könnten zur Entwicklung eines Raman-Spektrums zur Verwendung beim Identifizieren spezifischer Analyte 310 zu elektronischer Ausrüstung gerichtet werden, die von der Molekularanalysevorrichtung 100 entfernt angeordnet ist, oder könnten zu anderen optionalen Komponenten 190 gerichtet werden, die auf dem Substrat 110 angeordnet sein könnten.
-
4 stellt eine Draufsicht eines weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiels einer Molekularanalysevorrichtung 100' dar. Bei dem Ausführungsbeispiel aus 4 lässt die Laserquelle 120 die Laserstrahlung 125 direkt in den Basiswellenleiter 242'' des Wellenlängendemultiplexers 240 laufen, der als ein Photonenkristall 240'' konfiguriert ist. Eine Öffnung 138 ist in dem Photonenkristall 240'' derart gebildet, dass eine Raman-Verstärkungsstruktur 300 in dem Photonenkristall 240'' und in dem Weg des Basiswellenleiters 242'' angeordnet sein könnte. Wie bereits erläutert wurde, könnte die Laserstrahlung 125, die auf einen Analyt 310 auftrifft, der auf der Raman-Verstärkungsstruktur 300 angeordnet ist, eine Raman-Streustrahlung 160 erzeugen. Ein Teil der Raman-Streustrahlung 160 könnte in den Basiswellenleiter 242'' laufen. Wellenlängenspezifische Wellenleiter 258'' könnten an verschiedenen Punkten entlang des Basiswellenleiters 242'' abzweigen. Nur Strahlung mit Wellenlängen, die im Wesentlichen mit der Periodizität der Säulen 254 an diesem Punkt entlang der Chirp-Achse 256 übereinstimmen, gelangt durch den Photonenkristall 240'' und tritt an diesem Ort in den wellenlängenspezifischen Wellenleiter 258'' ein. Strahlungssensoren 290, die nahe an dem anderen Ende des wellenlängenspezifischen Wellenleiters 258'' positioniert sind, könnten die eindeutige Wellenlänge in diesem wellenlängenspezifischen Wellenleiter 258'' erfassen.
-
Die Strahlungssensoren 290 wandeln die Intensität der erfassten eindeutigen Wellenlängen 260 in elektrische Signale um. Die elektrischen Signale könnten zur Entwicklung eines Raman-Spektrums zur Verwendung beim Identifizieren spezifischer Analyte 310 zu elektronischer Ausrüstung gerichtet werden, die sich von der Molekularanalysevorrichtung 100 entfernt befindet, oder könnten zu anderen optionalen Komponenten 190 gerichtet werden, die auf dem Substrat 110 angeordnet sein könnten. Zusätzlich könnte die Molekularanalysevorrichtung aus 4 für eine Hyper-Raman-Spektroskopie verwendet werden, wie zuvor beschrieben wurde.
-
Obwohl die vorstehende Beschreibung viele spezifischen Details beinhaltet, sollen diese nicht als Einschränkung des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung aufgefasst werden, sondern lediglich bestimmte exemplarische Ausführungsbeispiele liefern. Ähnlich könnten andere Ausführungsbeispiele der Erfindung entwickelt werden, die nicht von der Wesensart oder dem Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abweichen. Der Schutzbereich der Erfindung ist deshalb lediglich durch die beigefügten Ansprüche und deren legale Äquivalente angezeigt und eingeschränkt, und nicht durch die vorstehende Beschreibung. Alle Hinzufügungen, Weglassungen und Modifizierungen an der Erfindung, wie sie hierin offenbart ist, die in die Bedeutung und den Schutzbereich der Ansprüche fallen, sind durch die vorliegende Erfindung eingeschlossen.
