RU2694157C2 - Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light - Google Patents
Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694157C2 RU2694157C2 RU2017105831A RU2017105831A RU2694157C2 RU 2694157 C2 RU2694157 C2 RU 2694157C2 RU 2017105831 A RU2017105831 A RU 2017105831A RU 2017105831 A RU2017105831 A RU 2017105831A RU 2694157 C2 RU2694157 C2 RU 2694157C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sensor element
- element according
- nanoparticles
- dielectric layer
- elements
- Prior art date
Links
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 230000003321 amplification Effects 0.000 title abstract description 7
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 title abstract description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 23
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 239000002082 metal nanoparticle Substances 0.000 claims abstract description 13
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 14
- XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N Zinc monoxide Chemical compound [Zn]=O XLOMVQKBTHCTTD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 9
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N cadmium oxide Inorganic materials [Cd]=O CXKCTMHTOKXKQT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 6
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 6
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims description 6
- 239000011787 zinc oxide Substances 0.000 claims description 6
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N Titanium nitride Chemical compound [Ti]#N NRTOMJZYCJJWKI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910006404 SnO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N cadmium(2+);oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Cd+2] CFEAAQFZALKQPA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- HFLAMWCKUFHSAZ-UHFFFAOYSA-N niobium dioxide Chemical compound O=[Nb]=O HFLAMWCKUFHSAZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N tin dioxide Chemical compound O=[Sn]=O XOLBLPGZBRYERU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910001887 tin oxide Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 2
- CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N ceric oxide Chemical compound O=[Ce]=O CETPSERCERDGAM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910000422 cerium(IV) oxide Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 14
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 7
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 3
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 6
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 5
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 2
- 229910000420 cerium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 2
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoceriooxy)cerium Chemical compound [Ce]=O.O=[Ce]=O BMMGVYCKOGBVEV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000004416 surface enhanced Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N tetrachloromethane Chemical compound ClC(Cl)(Cl)Cl VZGDMQKNWNREIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- KIUMMUBSPKGMOY-UHFFFAOYSA-N 3,3'-Dithiobis(6-nitrobenzoic acid) Chemical compound C1=C([N+]([O-])=O)C(C(=O)O)=CC(SSC=2C=C(C(=CC=2)[N+]([O-])=O)C(O)=O)=C1 KIUMMUBSPKGMOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000031018 biological processes and functions Effects 0.000 description 1
- 231100000481 chemical toxicant Toxicity 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 231100001261 hazardous Toxicity 0.000 description 1
- 239000000383 hazardous chemical Substances 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000007479 molecular analysis Methods 0.000 description 1
- 230000003533 narcotic effect Effects 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
- G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
- Compositions Of Oxide Ceramics (AREA)
Abstract
Description
Область техникиTechnical field
Настоящее изобретение относится к области оптических сенсоров, используемых для анализа молекулярного состава вещества, для измерения химических и биологических процессов in vivo и in vitro в реальном масштабе времени и работающих на основе эффекта гигантского комбинационного рассеяния света.The present invention relates to the field of optical sensors used for analyzing the molecular composition of a substance, for measuring real-time chemical and biological processes in vivo and in vitro, and working on the basis of the effect of giant Raman scattering.
Область техники, к которой относится изобретениеThe technical field to which the invention relates.
Изобретение может быть использовано для сверхчувствительного анализа молекулярного строения вещества в разных областях: с целью повышения эффективности диагностики заболеваний, предотвращения угрозы терроризма, распространения опасных и токсичных химических веществ, наркотических веществ, контроля качества сырья в различных отраслях промышленности.The invention can be used for ultra-sensitive analysis of the molecular structure of a substance in different areas: with the aim of improving the efficiency of diagnosing diseases, preventing the threat of terrorism, spreading hazardous and toxic chemicals, narcotic substances, controlling the quality of raw materials in various industries.
Уровень техникиThe level of technology
Комбинационное рассеяние (КР) света было открыто в начале XX века. Сигнал КР света содержит детальную информацию не только о химическом составе исследуемых молекул, но и о вторичной молекулярной структуре. Однако сам сигнал КР очень слаб и его почти невозможно наблюдать на фоне люминесценции и других сигналов. Поворотным моментом стало открытие эффекта гигантского комбинационного рассеяния (ГКР) света. Эффект ГКР и связанное с ним усиление сигнала КР от молекул вещества является физической основой для разработки высокоэффективных биологических и химических сенсоров, способных регистрировать малые концентрации молекул вплоть до единичных молекул.Raman scattering (CR) of light was discovered at the beginning of the 20th century. The light KR signal contains detailed information not only about the chemical composition of the molecules under study, but also about the secondary molecular structure. However, the CD signal itself is very weak and it is almost impossible to observe against the background of luminescence and other signals. The turning point was the discovery of the effect of giant Raman scattering (HRS) of light. The effect of HRS and the associated enhancement of the signal of the RS from substance molecules is the physical basis for the development of highly efficient biological and chemical sensors capable of detecting small concentrations of molecules down to single molecules.
Экспериментальные исследования разнообразных аналитических систем, использующих эффект ГКР, показали, что ключевой стадией в получении высокой чувствительности определения является ГКР подложки или структуры, в которых и реализуются гигантские усиления локального электромагнитного поля. Такого рода структуры обычно содержат наноразмерные кластеры металлов или металлические наночастицы, островковые и просто шероховатые пленки металлов (как правило, серебро или золото) (см, например, патенты US №20030218744, US №6977767, US №7123359, M.I. Stockman, D.J. Bergman, Phys. Rev. Lett., 91 (22), 227402, 2003; D.K. Gramotnev, S.I. Bozhevolnyi, Nat. Photonics, 4 (2), 83-91, 2010, J. Lee, B. Hua, Nanoscale 6, 616-623, 2014). При взаимодействии со световой волной на поверхности металлов возникают плазмонные резонансы, что приводит к гигантским флуктуациям электромагнитного поля на поверхности на субволновом масштабе (патент US №6985223, А.K. Sarychev, V.M. Shalaev, Phys. Rep.335 (275), 2000; G. Shvets, S. Trendafilov, et al., Phys. Rev. Lett. 99, 053903, 2007). Это свойство может быть использовано для увеличения чувствительности линейной и нелинейной спектроскопии. Например, сигнал комбинационного рассеяния пропорционален четвертой степени локального электрического поля в плазмонных наноструктурах, поэтому при локальном усилении поля в 100 и более раз, комбинационное рассеяние может быть усилено в 6-9 порядков величины (см., например, J.-A. Huang, Y.-Q. Zhao et al. Nano Lett. 13 (11), 5039-5045, 2013). Вместе с тем, получаемые усиленные сигналы комбинационного рассеяния не выходят на уровень предельного усиления, позволяющего определять ультранизкие концентрации аналитов. Это связано со сложностью процедур локальной адсорбции молекул-аналитов, а также, зачастую, с наличием больших потерь в металлических наночастицах, которые вызывают выделение большого количества тепла и вследствие этого деградацию сенсоров (см., например, G. Naik, V. Shalaev et al., Adv. Mater. 25, 3264-3294, 2013). Кроме того, полностью металлические наноструктурированные поверхности обладают паразитной химической активностью, что приводит также к быстрой деградации ГКР сенсоров.Experimental studies of a variety of analytical systems using the SERS effect have shown that the SERS of a substrate or structure, in which gigantic amplifications of a local electromagnetic field are realized, is a key stage in obtaining high detection sensitivity. Such structures usually contain nanoscale clusters of metals or metal nanoparticles, island and simply rough films of metals (usually silver or gold) (see, for example, US patents №20030218744, US №6977767, US №7123359, MI Stockman, DJ Bergman, Phys. Rev. Lett., 91 (22), 227402, 2003; DK Gramotnev, SI Bozhevolnyi, Nat. Photonics, 4 (2), 83-91, 2010, J. Lee, B. Hua, Nanoscale 6, 616- 623, 2014). When interacting with a light wave, plasmon resonances arise on the surface of metals, which leads to giant fluctuations of the electromagnetic field on the surface on a subwavelength scale (US Patent No. 6,952,223, A.K. Sarychev, VM Shalaev, Phys. Rep.335 (275), 2000; G. Shvets, S. Trendafilov, et al., Phys. Rev. Lett. 99, 053903, 2007). This property can be used to increase the sensitivity of linear and nonlinear spectroscopy. For example, the Raman scattering signal is proportional to the fourth power of the local electric field in plasmon nanostructures; therefore, with local field amplification 100 or more times, Raman scattering can be amplified by 6-9 orders of magnitude (see, for example, J.-A. Huang, Y.-Q. Zhao et al., Nano Lett. 13 (11), 5039-5045, 2013). At the same time, the obtained amplified Raman scattering signals do not reach the level of limiting amplification, which makes it possible to determine ultra low analyte concentrations. This is due to the complexity of the procedures for local adsorption of analyte molecules, as well as, often, the presence of large losses in metal nanoparticles, which cause the release of large amounts of heat and consequently the degradation of sensors (see, for example, G. Naik, V. Shalaev et al ., Adv. Mater. 25, 3264-3294, 2013). In addition, fully metallic nanostructured surfaces possess parasitic chemical activity, which also leads to a rapid degradation of the HRS sensors.
Островковые и шероховатые кластеры металлов, распределенные случайным образом, обладают малой селективностью, которая заключается в усилении сигнала комбинационного рассеяния от всех молекул-аналитов, чьи колебательные моды находятся в области плазмонных резонансов металлических кластеров.Islet and rough metal clusters distributed randomly have low selectivity, which consists in enhancing the Raman scattering signal from all analyte molecules whose vibrational modes are in the region of plasmon resonances of metal clusters.
Отсутствие порядка KP-активной поверхности приводит к невозможности оптимизировать частоту и ширину резонансной кривой, а значит не позволяет с высокой точностью усиливать конкретные спектральные линии молекул-аналитов. Для этих целей используют поверхности с регулярными наноструктурами, которые изготавливаются, например, методом электронно-лучевой литографии (см., например, М. Cottat, N. Lidgi-Guigui et al., Nanoscale Rep. Lett. 9, 623 (2014).The lack of order of the KP-active surface makes it impossible to optimize the frequency and width of the resonance curve, and therefore does not allow to enhance specific spectral lines of analyte molecules with high accuracy. For these purposes, surfaces with regular nanostructures are used, which are manufactured, for example, by the method of electron-beam lithography (see, for example, M. Cottat, N. Lidgi-Guigui et al., Nanoscale Rep. Lett. 9, 623 (2014).
Известен тип двумерных и трехмерных периодических наноструктур, реализующих фокусировку гигантских электромагнитных полей на поверхности за счет возбуждения плазмонных резонансов на заданных частотах (см. например, W.-D. Li, F. Ding et al., Opt. Express 19 (5), 3925-2936 (2011); N. Mattiucci, G.D' Aguanno et al., Opt. Express 20 (2), 1868-1877 (2012); J.-A. Huang, Y.-Q. Zhao et al. Nano Lett. 13 (11), 5039-5045 (2013), патент US 7351588).A type of two-dimensional and three-dimensional periodic nanostructures is known that realize the focusing of giant electromagnetic fields on the surface due to the excitation of plasmon resonances at given frequencies (see, for example, W.-D. Li, F. Ding et al., Opt. Express 19 (5), 3925-2936 (2011); N. Mattiucci, GD 'Aguanno et al., Opt. Express 20 (2), 1868-1877 (2012); J.-A. Huang, Y.-Q. Zhao et al. Nano Lett. 13 (11), 5039-5045 (2013), patent US 7351588).
Известен чувствительный элемент сенсора для молекулярного анализа (патент РФ №2524453), выполненный в виде регулярной щелевой кремниевой структуры, параметры которой подобраны таким образом, чтобы усиливать основные спектральные линии комбинационного рассеяния тетрахлорида углерода. Данный чувствительный элемент сенсора наиболее близок к заявляемому изобретению, поэтому взят за прототип.Known sensitive element of the sensor for molecular analysis (RF patent №2524453), made in the form of a regular slit silicon structure, the parameters of which are chosen in such a way as to enhance the main spectral lines of Raman scattering of carbon tetrachloride. This sensitive element of the sensor is closest to the claimed invention, therefore, taken as a prototype.
Однако недостатком данного изобретения является его ограниченная селективность, потому что для усиления каждой из основных спектральных линий комбинационного рассеяния вещества, необходимо применять свой набор чувствительных элементов сенсора с разными геометрическими параметрами - периодом и глубиной.However, the disadvantage of this invention is its limited selectivity, because to enhance each of the main spectral lines of Raman scattering of a substance, it is necessary to apply its own set of sensitive sensor elements with different geometrical parameters - period and depth.
Помимо недостаточной селективности, почти во всех вышеупомянутых наноструктурированных поверхностях не достигается достаточно высокий уровень сигнала комбинационного рассеяния.In addition to the lack of selectivity, in almost all the above-mentioned nanostructured surfaces, a sufficiently high level of the Raman scattering signal is not achieved.
Раскрытие изобретениеDisclosure invention
Наш подход основан на использовании периодических диэлектрических нано резонаторных структур для возбуждения коллективных интерференционных волн. Комбинация диэлектрических структур с металлическими включениями позволит достичь коллективного эффекта - металлические включения будут играть роль наноантенн, фокусирующих падающее излучение и возбуждать в системе плазмонный резонанс, в то время как диэлектрические структуры будут возбуждать диэлектрический резонанс (см, например, A. Lagarkov et al., Opt. Express 24(7), 7133-7150, 2016).Our approach is based on the use of periodic dielectric nano-resonator structures for the excitation of collective interference waves. The combination of dielectric structures with metal inclusions will allow achieving a collective effect - metal inclusions will play the role of nanoantennas, focusing the incident radiation and excite plasmon resonance in the system, while dielectric structures will excite dielectric resonance (see, for example, A. Lagarkov et al., Opt. Express 24 (7), 7133-7150, 2016).
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение заключается в повышении селективности сенсорных элементов на основе эффекта ГКР, дополнительном усилении сигнала гигантского комбинационного рассеяния от молекул-аналитов.The technical result, the achievement of which the invention is directed, is to increase the selectivity of sensor elements based on the effect of HRS, further enhancing the signal of giant Raman scattering from analyte molecules.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что сенсорный элемент для селективного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света, имеет структурированный периодический диэлектрический слой, содержащий на поверхности последовательно расположенные металлическую пленку, на ней периодически расположенные элементы, при этом размеры элементов могут быть в интервале значений от 10 нм до 10000 нм, а расстояние между элементами от 1 нм до 10000 нм и металлические наночастицы с размером от 1 нм до 200 нм, размещенные на элементах, при этом взаимное расположение вышеуказанных элементов и металлических наночастиц выбирают таким образом, чтобы добиться плазмонного и диэлектрического резонансов на выбранной частоте.The claimed technical result is achieved due to the fact that the sensor element for selectively amplifying the signal of a giant Raman scattering light, has a structured periodic dielectric layer containing successively arranged metal film on the surface, periodically arranged elements on it, and the dimensions of the elements can be in the range of values from 10 nm to 10,000 nm, and the distance between elements from 1 nm to 10,000 nm and metal nanoparticles with sizes from 1 nm to 200 nm, placed on el menthyl, the mutual arrangement of the aforementioned elements and the metal nanoparticles are selected so as to achieve and dielectric plasmon resonance at the selected frequency.
Заявленный технический результат достигается также за счет того, что элементарная ячейка поверхности диэлектрического слоя может быть анизотропной, т.е. состоящей из двух и более элемента, отличающихся геометрическими параметрами. Заявленный технический результат достигается также за счет того, что тонкая металлическая пленка и наночастицы на поверхности диэлектрического слоя выполнены из материала: золота (Au), серебра (Ag), алюминия (Al), меди (Cu), платины (Pt), нитрида титана (TiN); структурированный диэлектрический слой выполнен из материала: кремния (Si), оксида кремния (SiO2), полиметилметакрилата (ПММА), оксида церия (CeO2), оксида цинка (ZnO2), оксида олова (SnO2), оксида титана (TiO2), оксида кадмия (CdO2), оксида ниобия (NbO2); элементы диэлектрического слоя выполнены в форме: многогранников с 4 и более гранями, в сферической, цилиндрической, эллипсоидальной, тороидальной, конусообразной формах; наночастицы на поверхности диэлектрического слоя выполнены в сферической, эллипсоидальной, цилиндрической форах, в форме многогранников с 4 и более гранями, в форме звездчатых многогранников.The claimed technical result is also achieved due to the fact that the unit cell of the surface of the dielectric layer can be anisotropic, i.e. consisting of two or more elements that differ in geometric parameters. The claimed technical result is also achieved due to the fact that a thin metal film and nanoparticles on the surface of the dielectric layer are made of material: gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), titanium nitride (TiN); structured dielectric layer is made of material: silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ), polymethyl methacrylate (PMMA), cerium oxide (CeO 2 ), zinc oxide (ZnO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), cadmium oxide (CdO 2 ), niobium oxide (NbO 2 ); the elements of the dielectric layer are made in the form of: polyhedra with 4 or more faces, in spherical, cylindrical, ellipsoidal, toroidal, conical shapes; The nanoparticles on the surface of the dielectric layer are made in a spherical, ellipsoidal, cylindrical form, in the form of polyhedra with 4 or more faces, in the form of star-shaped polyhedrons.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На Фиг. 1 приведена принципиальная схема сенсорного элемента с анизотропной элементарной ячейкой для селективного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света.FIG. 1 is a schematic diagram of a sensor element with an anisotropic unit cell for selectively amplifying a signal of a giant Raman scattering.
На Фиг. 2 приведена элементарная ячейка, которая включает металлическую тонкую пленку 1, диэлектрические прямоугольные параллелепипеды 2, металлические наночастицы 3, расположенные на поверхности прямоугольных параллелепипедов.FIG. 2 shows the unit cell, which includes a metallic
На Фиг. 3 изображен результат модельного эксперимента - локальная напряженность электрического поля в зависимости от волнового вектора на поверхности сенсорного элемента, включающего металлическую тонкую пленку, диэлектрические прямоугольные параллелепипеды, металлические наночастицы, расположенные на поверхности прямоугольных параллелепипедов.FIG. 3 shows the result of a model experiment — a local electric field strength depending on the wave vector on the surface of the sensor element, including a metallic thin film, dielectric rectangular parallelepipeds, metal nanoparticles, located on the surface of rectangular parallelepipeds.
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
Изобретение поясняется Фиг. 1-3.The invention is illustrated FIG. 1-3.
Сенсорный элемент имеет структурированный периодический диэлектрический слой (фиг. 1), на поверхности которого расположена металлическая пленка 1, на ней расположены с определенным периодом элементы 2, на которых размещены металлические наночастицы 3 (фиг. 2).The sensor element has a structured periodic dielectric layer (Fig. 1), on the surface of which a
Структурированный диэлектрический слой выполнен из материала по выбору: кремния (Si), оксида кремния (SiO2), полиметилметакрилата (ПММА), оксида церия (CeO2), оксида цинка (ZnO2), оксида олова (SnO2), оксида титана (TiO2), оксида кадмия (CdO2), оксида ниобия (NbO2).The structured dielectric layer is made of a material of choice: silicon (Si), silicon oxide (SiO 2 ), polymethyl methacrylate (PMMA), cerium oxide (CeO 2 ), zinc oxide (ZnO 2 ), tin oxide (SnO 2 ), titanium oxide ( TiO 2 ), cadmium oxide (CdO 2 ), niobium oxide (NbO 2 ).
Металлическая пленка характеризуется выполнением из металлов по выбору золото (Au), серебро (Ag), алюминий (Al), медь (Cu), платина (Pt), нитрид титана (TiN)The metal film is characterized by making of metals of choice: gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper (Cu), platinum (Pt), titanium nitride (TiN)
Элементы 2 могут быть выполнены в форме многогранников с 4 и более гранями, в сферической, цилиндрической, эллипсоидальной, тороидальной, конусообразной формах. Размеры элементов могут быть в интервале значений от 10 нм до 10000 нм, а расстояние между элементами от 1 нм до 10000 нм и металлические наночастицы с размером от 1 нм до 200 нм. Геометрические параметры элементов 2 могут совпадать или быть отличными.
Металлические наночастицы с размером от 1 нм до 200 нм выполнены в сферической, эллипсоидальной, цилиндрической форах, в форме многогранников с 4 и более гранями, в форме звездчатых многогранников из золота (Au), серебра (Ag), алюминия (Al), меди (Cu), платины (Pt) или нитрида титана (TiN).Metal nanoparticles with sizes ranging from 1 nm to 200 nm are made in spherical, ellipsoidal, cylindrical forors, in the form of polyhedra with 4 or more faces, in the form of star-shaped polyhedrons made of gold (Au), silver (Ag), aluminum (Al), copper ( Cu), platinum (Pt) or titanium nitride (TiN).
Элементарная ячейка, под которой понимают повторяющийся период диэлектрического слоя (см. фиг. 1 и 2), выбирается исходя из количества необходимых для идентификации спектральных линий комбинационного рассеяния.The unit cell, which is understood as the repeating period of the dielectric layer (see Figs. 1 and 2), is selected based on the number of spectral lines of Raman scattering necessary for identification.
Так, например, для усиления одновременно двух спектральных линий комбинационного рассеяния, необходимо добиться возбуждения в системе трех резонансов на трех частотах - на частоте лазерного излучения и на двух частотах, соответствующих стоксовским. Для этих целей выбирается элементарная ячейка, содержащая, например, два элемента 2 в форме прямоугольных параллелепипеда с металлическими наночастицами 3 на поверхности с таким соотношением геометрических параметров, чтобы настроить резонансные частоты в системе на необходимые три частоты (Фиг. 2). Для увеличения числа степеней свободы, т.е. для усиления одновременно трех и более спектральных линий комбинационного рассеяния, необходимо в элементарную ячейку добавлять еще один и более элементов с геометрическими параметрами, отличными от имеющихся. Геометрические параметры структурных элементов выбираются такими, чтобы при облучении системы электромагнитной волной плазмонный резонанс, возбуждаемый в металлических элементах 3 и диэлектрический резонанс - в диэлектрических 2, были локализованы в одном месте на частотах, соответствующих необходимому числу стоксовских частот комбинационного рассеяния анализируемых веществ. Такой подход позволяет добиться селективного каскадного усиления электромагнитного поля на поверхности сенсорного элемента и, соответственно, дополнительного усиления сигнала гигантского комбинационного рассеяния света от анализируемых молекул на заданных частотах.For example, to simultaneously amplify two spectral lines of Raman scattering, it is necessary to achieve excitation in the system of three resonances at three frequencies — at the frequency of laser radiation and at two frequencies corresponding to the Stokes ones. For these purposes, an elementary cell is selected, containing, for example, two
На поверхность сенсорного элемента адсорбируются молекулы анализируемого вещества. В силу оптических свойств металла в видимом и инфракрасном диапазоне частот, взаимодействие электромагнитной волны с металлическими/диэлектрическими включениями приводит к возбуждению плазмонных/диэлектрических резонансов в системе, и, как следствие, к гигантским флуктуациям электромагнитного поля на частотах, соответствующих стоксовским частотам комбинационного рассеяния анализируемых молекул.The analyte molecules are adsorbed on the surface of the sensor element. Due to the optical properties of the metal in the visible and infrared frequency range, the interaction of an electromagnetic wave with metal / dielectric inclusions leads to the excitation of plasmon / dielectric resonances in the system, and, as a result, to huge fluctuations of the electromagnetic field at frequencies corresponding to the Stokes frequencies of Raman scattering of the analyzed molecules .
В модельном эксперименте в качестве металла использовалось серебро, в качестве диэлектрика - диоксид кремния. Наночастицы 3 на поверхности диэлектрических параллелепипедов 2 были выбраны цилиндрической формы с диаметром 50 нм, с отношением высоты цилиндра к диаметру равным 1/14. Остальные характерные параметры: период вдоль двух ортогональных осей составил 817 нм и 698 нм, ширина граней одного из прямоугольных параллелепипедов составила 568 нм и 704 нм, ширина граней другого прямоугольного параллелепипеда - 284 нм и 704 нм, высота граней параллелепипедов составила 148 нм.In the model experiment, silver was used as the metal, and silicon dioxide as the dielectric. The
Геометрические параметры системы выбраны таким образом, чтобы в системы были реализованы резонансные моды на трех частотах, одна из которых соответствует длине волны лазерного возбуждения 785 нм, а две другие - двум основным стоксовским частотам комбинационного рассеяния 5,5'-дитиобис (2-нитробензойной кислоты): 1338 см-1 и 326 см-1:The geometrical parameters of the system are chosen so that resonant modes at three frequencies are implemented in the system, one of which corresponds to a laser excitation wavelength of 785 nm and the other two to the two main Stokes frequencies of Raman scattering of 5,5'-dithiobis ): 1338 cm -1 and 326 cm -1 :
Δω1=ω3-ω1=1338 см-1, Δω2=ω3-ω2=326 см-1 (ω1=11400 см-1, ω2=12412 см-1, ω3=12738 см-1).Δω 1 = ω 3 -ω 1 = 1338 cm -1 , Δω 2 = ω 3 -ω 2 = 326 cm -1 (ω 1 = 11,400 cm -1 , ω 2 = 12412 cm -1 , ω 3 = 12738 cm - 1 ).
Сигнал комбинационного рассеяния пропорционален четвертой степени локального электрического поля, поэтому при размещении на поверхности такой структуры молекул 5,5'-дитиобис (2-нитробензойной кислоты), сигнал ГКР от анализируемых молекул достигает значения девять порядков величины (Фиг. 3).The Raman scattering signal is proportional to the fourth power of the local electric field; therefore, when 5,5'-dithiobis (2-nitrobenzoic acid) is placed on the surface of such a structure, the HRS signal from the analyzed molecules reaches nine orders of magnitude (Fig. 3).
Claims (28)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017105831A RU2694157C2 (en) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017105831A RU2694157C2 (en) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2017105831A RU2017105831A (en) | 2018-08-22 |
| RU2017105831A3 RU2017105831A3 (en) | 2019-01-30 |
| RU2694157C2 true RU2694157C2 (en) | 2019-07-09 |
Family
ID=63255444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017105831A RU2694157C2 (en) | 2017-02-22 | 2017-02-22 | Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694157C2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111289493A (en) * | 2020-03-27 | 2020-06-16 | 电子科技大学 | Surface-enhanced Raman substrate and preparation method thereof |
| RU2794993C1 (en) * | 2022-04-04 | 2023-04-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) | Optical sensor with a plasmonic structure for determining low concentrations of fluorescent amino acids in a platelet and a method for producing it |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2709411C1 (en) * | 2019-05-16 | 2019-12-17 | Общество с ограниченной ответственностью "Биоплазмоника" | Sensor element for additional selective amplification of signal of giant raman scattering of light |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080129980A1 (en) * | 2006-11-30 | 2008-06-05 | North Carolina State University | In-line fiber optic sensor devices and methods of fabricating same |
| US20130182249A1 (en) * | 2010-09-20 | 2013-07-18 | Vanderbilt University | Nanoscale porous gold film sers template |
| RU2572801C1 (en) * | 2015-01-14 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Chemically modified planar optical sensor, method of making same and method of analysing polyaromatic heterocyclic sulphur-containing compounds using same |
-
2017
- 2017-02-22 RU RU2017105831A patent/RU2694157C2/en active
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080129980A1 (en) * | 2006-11-30 | 2008-06-05 | North Carolina State University | In-line fiber optic sensor devices and methods of fabricating same |
| US20130182249A1 (en) * | 2010-09-20 | 2013-07-18 | Vanderbilt University | Nanoscale porous gold film sers template |
| RU2572801C1 (en) * | 2015-01-14 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Нефтяная компания "Роснефть" | Chemically modified planar optical sensor, method of making same and method of analysing polyaromatic heterocyclic sulphur-containing compounds using same |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| HONG-YING FU, статья "NANOPOROUS AU/SnO/AG HETEROGENEOUS FILMS FOR ULTRAHIGH AND UNIFORM SURFACE-ENHANCED RAMAN SCATTERING" в журнале "ROYAL SOCIETE OF CHEMISTRY", 06.07.2014. * |
| SWE ZIN OO, статья "NANOPOROUS GOLD MEMBRANE FOR SENSING APPLICATIONS" в журнале "SENSING AND BIO-SENSING RESEARCH", номер 7, 2016 год. * |
| SWE ZIN OO, статья "NANOPOROUS GOLD MEMBRANE FOR SENSING APPLICATIONS" в журнале "SENSING AND BIO-SENSING RESEARCH", номер 7, 2016 год. HONG-YING FU, статья "NANOPOROUS AU/SnO/AG HETEROGENEOUS FILMS FOR ULTRAHIGH AND UNIFORM SURFACE-ENHANCED RAMAN SCATTERING" в журнале "ROYAL SOCIETE OF CHEMISTRY", 06.07.2014. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111289493A (en) * | 2020-03-27 | 2020-06-16 | 电子科技大学 | Surface-enhanced Raman substrate and preparation method thereof |
| CN111289493B (en) * | 2020-03-27 | 2021-08-06 | 电子科技大学 | Surface-enhanced Raman substrate and preparation method thereof |
| RU2794993C1 (en) * | 2022-04-04 | 2023-04-27 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта" (БФУ им. И. Канта) | Optical sensor with a plasmonic structure for determining low concentrations of fluorescent amino acids in a platelet and a method for producing it |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2017105831A (en) | 2018-08-22 |
| RU2017105831A3 (en) | 2019-01-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yang et al. | A dynamic surface enhanced Raman spectroscopy method for ultra-sensitive detection: from the wet state to the dry state | |
| RU2361193C2 (en) | Optical sensor with multilayered plasmon structure for improved detection of chemical groups through sers | |
| Quero et al. | Nanosphere lithography on fiber: Towards engineered lab-on-fiber SERS optrodes | |
| Brolo et al. | Nanohole-enhanced Raman scattering | |
| Pirotta et al. | Surface-enhanced Raman scattering in purely dielectric structures via Bloch surface waves | |
| US8837039B2 (en) | Multiscale light amplification structures for surface enhanced Raman spectroscopy | |
| Bhalla et al. | Dewetting metal nanofilms—Effect of substrate on refractive index sensitivity of nanoplasmonic gold | |
| Novikov et al. | Fractal shaped periodic metal nanostructures atop dielectric-metal substrates for SERS applications | |
| Lu et al. | Large-scale fabrication of nanostructure on bio-metallic substrate for surface enhanced Raman and fluorescence scattering | |
| Hardy et al. | Detection of low-concentration contaminants in solution by exploiting chemical derivatization in surface-enhanced Raman spectroscopy | |
| CN103439308A (en) | Surface-enhanced Raman substrate and preparation method thereof | |
| Singh et al. | Circular differential two-photon luminescence from helically arranged plasmonic nanoparticles | |
| RU2694157C2 (en) | Sensor element for selective amplification of giant raman scattering of light | |
| CN104034658A (en) | Analysis device, analysis method, optical element, method of designing optical element, and electronic apparatus | |
| Zhang et al. | Plasmonic structure with nanocavity cavities for SERS detection of pesticide thiram | |
| Nguyen et al. | Recent advances in Metaphotonic biosensors | |
| Shahine et al. | Nanoporous gold stacked layers as substrates for SERS detection in liquids or gases with ultralow detection limits and long-term stability | |
| Nishijima et al. | Tunable Raman selectivity via randomization of a rectangular pattern of nanodisks | |
| Cesaria et al. | Long-and short-range ordered gold nanoholes as large-area optical transducers in sensing applications | |
| Yaremchuk et al. | Optimization of the grating-based structures for the efficient SERS substrates | |
| Colombelli et al. | Shape modulation of plasmonic nanostructures by unconventional lithographic technique | |
| Kim et al. | Nano sensing and energy conversion using surface plasmon resonance (SPR) | |
| Baikova et al. | Diffraction microgratings as a novel optical biosensing platform | |
| Sakamoto et al. | Large-area plasmon mapping via an optical technique: silver nanohole array and nano-sawtooth structures | |
| RU2709411C1 (en) | Sensor element for additional selective amplification of signal of giant raman scattering of light |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| HE9A | Changing address for correspondence with an applicant |