專利名稱：電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)及使用其的檢測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的實(shí)施例通常涉及在許多不同的應(yīng)用(例如檢測(cè)裝置)中使 用的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
金屬顆粒(particle)周圍的電場(chǎng)增強(qiáng)是當(dāng)前科學(xué)技術(shù)興趣所關(guān)注 的話題。例如表面增強(qiáng)拉曼光譜術(shù)("SERS")是一種利用特別制備的 粗糙的金屬表面或金屬顆粒附近的增強(qiáng)電場(chǎng)來(lái)增加來(lái)自分析物的非彈 性散射的拉曼輻射的量的公知的光譜學(xué)技術(shù)。在SERS中，分析物被吸 到活化的金屬表面或結(jié)構(gòu)上，或者鄰近活化的金屬表面或結(jié)構(gòu)放置。用 所選頻率的電磁輻射("EMR")對(duì)分析物和金屬表面或顆粒進(jìn)行照射 激發(fā)了金屬表面或顆粒中的表面等離體子激元(surface plasmon polariton,"SPP，，)。
在SERS期間，分析物經(jīng)歷SPP的強(qiáng)的局部電場(chǎng)，并且從分析物非 彈性地散射分析物特有的拉曼光子。與在沒(méi)有金屬表面或顆粒的情況下 實(shí)行拉曼光譜法時(shí)相比，認(rèn)為增強(qiáng)的電場(chǎng)是相對(duì)增加的拉曼輻射的 一 個(gè) 重要因素。例如，來(lái)自金屬表面的增強(qiáng)的電場(chǎng)可以使拉曼散射強(qiáng)度增強(qiáng) 1 03-1 06倍。
最近，為了增強(qiáng)電場(chǎng)，與簡(jiǎn)單的粗糙金屬表面相反，使用隨機(jī)取向 的金屬納米顆粒(例如納米級(jí)的針狀物、島狀物(island)以及線)來(lái) 執(zhí)行拉曼光譜法。來(lái)自被吸到這樣的金屬表面上的分子的拉曼散射光子 的強(qiáng)度可以增加大于106倍。在該等級(jí)的靈敏度下，拉曼光譜法可以被 用來(lái)檢測(cè)微小量的物質(zhì)并且被稱為納米增強(qiáng)的拉曼光鐠法("NERS")。
/人上面關(guān)于SERS和NERS的討-i侖可以認(rèn)識(shí)到，金屬顆粒周圍的電場(chǎng) 增強(qiáng)可能非常有用。除了 SERS和NERS之外，電場(chǎng)的增強(qiáng)可以在其它應(yīng) 用中使用，例如紅外光譜法、傳感器、拉曼成像系統(tǒng)、納米天線和許多 其它應(yīng)用。因此，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的研究人員和開(kāi)發(fā)人員可以意識(shí)到對(duì)于 可以在各種各樣的應(yīng)用(例如傳感器、拉曼光語(yǔ)系統(tǒng)和許多其它應(yīng)用) 中使用的改進(jìn)的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的需要。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的各方面針對(duì)電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和使用這樣的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的 檢測(cè)裝置。在本發(fā)明的 一個(gè)方面中，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)包括具有表面的襯底。
該襯底能夠支持具有平面模式頻率的平面模式(planar mode)。多個(gè) 納米特征(nanofeature )與該表面相關(guān)^關(guān)，并且每一個(gè)納米特征都呈
現(xiàn)出具有近似等于平面模式頻率的局部表面等離體子頻率的局部表面 等離體子(local ized—surface—plasmon )才莫式。當(dāng)由;敎發(fā)電》茲福射;效
發(fā)時(shí)，納米特征的局部表面等離體子模式和平面模式相長(zhǎng)地互相干涉以 產(chǎn)生增強(qiáng)的電場(chǎng)。


附圖示出了本發(fā)明的各種實(shí)施例，其中相同的參考標(biāo)記指代在附圖 中示出的不同視圖或?qū)嵤├械南嗤蛱卣鳌?br> 圖1A是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性等距視
圖1B是在圖1A中示出的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性平面視圖； 圖1C是沿線1C-1C截取的圖1B所示電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面 視圖2是根據(jù)本發(fā)明的另 一個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性平面視
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的利用納米孔的周期布置的電 場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性平面視圖3B是沿線3B-3B截取的圖3A所示電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性橫截面
視圖4是根據(jù)本發(fā)明的另 一 個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性等距視 圖，在該電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中襯底包括介電材料；
圖5是根據(jù)本發(fā)明的又 一 個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的示意性等距視 圖，在該電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)中襯底被配置成支持介電表面模式；
圖6是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的可以使用所公開(kāi)的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 的任 一 個(gè)的檢測(cè)裝置的功能框圖7是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括利用多個(gè)衍射光柵的電場(chǎng)增
5強(qiáng)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置的示意性等距視圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的包括多個(gè)被配置為所公開(kāi)的檢測(cè) 裝置的任一個(gè)的檢測(cè)裝置子單元的檢測(cè)裝置的功能框圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的各種實(shí)施例涉及電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)以及利用這樣的電場(chǎng)增強(qiáng) 結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置。所公開(kāi)的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的實(shí)施例包括多個(gè)與襯底的表 面相關(guān)聯(lián)的納米特征。響應(yīng)于所選頻率處的EMR,可以激發(fā)每一個(gè)納米 特征的局部表面等離體子("LSP")模式和該襯底的平面模式，以生 成鄰近該表面的增強(qiáng)的電場(chǎng)。增強(qiáng)的電場(chǎng)可以用于例如SERS、紅外光鐠 法和許多其它應(yīng)用。
圖1A- 1C示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100。電 場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100包括具有表面104的襯底102。可以在該表面104上形 成多個(gè)納米特征，例如納米顆粒106。每一個(gè)納米顆粒106的代表性尺 寸可以是大約2nm到大約200腦。另外，納米顆粒1 06的幾何形狀可以 背離所示出的幾何形狀。例如，每一個(gè)納米顆粒106可以是大致球形、 半球形的、圓柱形的或另一適合的幾何形狀。如此處所使用的那樣，術(shù) 語(yǔ)"納米特征"指納米顆?；蚣{米孔。納米顆粒106以周期布置的方式 分布在表面104上，以形成衍射光4冊(cè)108。例如，納米顆粒106一皮示為 以具有晶格(lattice)參數(shù)d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多個(gè)納米顆粒106可以呈現(xiàn)出其它的周期布置而不受限制。距離d的 代表性范圍可以是大約5 0簡(jiǎn)到幾微米。
每一個(gè)納米顆粒106都由等離體子活性(plasmon-active )材泮+形 成，所述等離體子活性材料例如金屬、合金或能夠在其中激發(fā)表面等離 體子的簡(jiǎn)并摻雜的半導(dǎo)體材料。例如，每一個(gè)納米顆粒106都可以由銅、 金、把、銀、前述任何金屬的合金、或另一種適當(dāng)?shù)牡入x體子活性材料 形成。響應(yīng)于特定頻率處的激發(fā)EMR,可以在每一個(gè)納米顆粒106中激 發(fā)LSP。表面等離體子是固體表面附近的自由電子云的振蕩。LSP通常 還被稱為電磁表面形狀諧振、顆粒等離體子以及縫隙等離體子(gap plasmon)?？梢栽诙鄠€(gè)納米特征(例如納米顆粒或納米孔)中激發(fā)LSP 的頻率或多個(gè)頻率是表面等離體子被限制到的納米特征的尺寸和形狀、 納米特征的介電常數(shù)以及納米特征的間距的函數(shù)。多個(gè)納米特征(例如可以在每一 個(gè)納米顆粒106中激發(fā)LSP模式的頻率或多個(gè)頻率。
襯底102和其表面104由諸如金屬、合金或能夠在其中激發(fā)SPP的 簡(jiǎn)并摻雜的半導(dǎo)體材料之類的材料形成。例如，襯底102可以由銅、金、 鈀、銀、前述任何金屬的合金、或另一種適當(dāng)?shù)牟牧闲纬?。然而，在?發(fā)明的其它實(shí)施例中，襯底102可以包括例如由玻璃襯底形成的基底， 以及由沉積在該基底上的任何一種前述等離體子活性材料形成的薄膜。
SPP是一種電磁激發(fā)，其中的電磁場(chǎng)沿著具有負(fù)介電常數(shù)的材料(例 如金屬)和具有實(shí)的正介電常數(shù)的媒質(zhì)之間的界面?zhèn)鞑?。作為將光子?合到具有負(fù)介電常數(shù)的材料的表面等離體子的結(jié)果生成了 SPP。因此， 表面104在至少一EMR頻率范圍上呈現(xiàn)出實(shí)的負(fù)介電常數(shù)，并且鄰近表 面104的媒質(zhì)(例如空氣)在表面104呈現(xiàn)出實(shí)的正介電常數(shù)的EMR頻 率范圍中的至少一部分上呈現(xiàn)出實(shí)的正介電常數(shù)。表面104能夠支持沿 著該表面104傳播的SPP模式。因?yàn)镾PP模式限于表面104以及與其直 接鄰近的區(qū)域，所以相對(duì)于用于激發(fā)SPP才莫式的EMR, SPP才莫式的電場(chǎng) 強(qiáng)度被增強(qiáng)?？梢灾饕ㄟ^(guò)選擇鄰近媒質(zhì)和表面104的介電常數(shù)來(lái)控制 SPP才莫式的頻率。例如，SPP才莫式可以傳播大約1,到大約20(Vm的長(zhǎng) 度。
因?yàn)樽杂煽臻g光和SPP模式的色散關(guān)系，不能使用自由空間光直接 激發(fā)SPP模式。為了在表面104中激發(fā)SPP模式，自由空間光的能量和 動(dòng)量需要與SPP模式的能量和動(dòng)量相匹配。因此，由所述多個(gè)納米顆粒 106限定的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100的衍射光柵108被配置成將由激發(fā)源112 發(fā)射的具有激發(fā)頻率co和激發(fā)波長(zhǎng)X的EMR IIO耦合到沿著表面104傳 播的SPP模式114 (即平面模式)。SPP模式114具有近似等于激發(fā)頻 率0)的SPP頻率cospp。波長(zhǎng)X近似是衍射光柵108的晶格參數(shù)d的整數(shù) 倍(即irX,其中n是整數(shù)，X是EMR IIO的波長(zhǎng))。另外，還通過(guò)控 制尺寸、形狀和組成來(lái)配置每一個(gè)納米顆粒106，以使得每一個(gè)納米顆 粒106都呈現(xiàn)出LSP沖莫式116,并且可以使用激發(fā)頻率co下的EMRUO 來(lái)激發(fā)，該LSP沖莫式116具有近似等于激發(fā)頻率co的LSP頻率toLSp。
在4吏用期間，具有激發(fā)頻率co的EMR 110照射電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100以激發(fā)與所述多個(gè)納米顆粒106相關(guān)聯(lián)的具有LSP頻率O)lsp的LSP模 式116。如上所述，LSP頻率O)Lsp近似等于EMR110的激發(fā)頻率o)。由 納米顆粒106限定的衍射光柵108還衍射EMR 110并且衍射的EMR具 有與SPP模式114的波矢相一致的波矢。因此，EMR110激發(fā)每一個(gè)納 米顆粒106的LSP模式116和SPP模式114 二者。因?yàn)長(zhǎng)SP才莫式116 和SPP模式114同相，所以LSP才莫式116和SPP模式U4相長(zhǎng)地互相干 涉以生成具有增強(qiáng)的電場(chǎng)的電磁波，所述增強(qiáng)的電場(chǎng)比由LSP才莫式116 或SPP模式114單獨(dú)引起的增強(qiáng)的電場(chǎng)的任一個(gè)都大。另外，所述增強(qiáng) 的電場(chǎng)可以主要分布在一十底102的表面104的整個(gè)區(qū)域上。
在圖1A-1C中示出的衍射光柵108的設(shè)計(jì)僅代表本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施 例。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以提供多個(gè)衍射部件，每一個(gè)衍射部 件都包括多個(gè)納米顆粒。例如，圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的 電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)200。該電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)200包括在襯底102的表面104上 分布的多個(gè)納米顆粒201以形成衍射光柵202。納米顆粒201可以由與 在圖1A-1C中示出的納米顆粒106相同的材料形成。衍射光柵202包括 多個(gè)彼此周期性地間隔距離D的光柵部件203 - 206。光柵部件203 - 206 的每一個(gè)都可以包括多個(gè)彼此間隔距離a的納米顆粒201。例如，光柵 部件203包括行207的納米顆粒201和行208的納米顆粒201。距離D 可以是大約O.lpm或更多，并且顆粒間的間隔距離a可以是大約lnm到 大約10nm。如之前所描述的那樣，衍射光柵202用于書(shū)f射入射EMR并 且將一部分衍射的EMR耦合到與表面104相關(guān)聯(lián)的SPP才莫式。
如上所提到的那樣，納米孔可以;故用來(lái)代替在圖1A-1C和圖2中示 出的納米顆粒106或201，或者與在圖1A-1C和圖2中示出的納米顆粒 106或201結(jié)合使用。例如，圖3A和3B示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí) 施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)300。電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)300包括襯底302，該襯底302 可以由與用于圖1A-1C中示出的襯底102的相同的等離體子活性材料形 成。襯底302包括具有周期布置的納米孔306的表面304,該納米孔306 可以從表面304延伸到襯底302內(nèi)的中間深度(即盲孔(blmd hole )), 或者完全穿過(guò)襯底302的厚度延伸(即通孔)。納米孔306 一皮示為以具 有晶格參數(shù)d的方形晶格布置的方式布置。然而，納米孔306的布置可 以呈現(xiàn)出其它的周期布置而不受限制。在使用期間，EMR可以激發(fā)由納 米孔306的配置和間距確定的LSP模式和與表面304相關(guān)聯(lián)的SPP模式，
8從而以與在圖1A-1C中示出的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100相似的方式生成增強(qiáng)的 電場(chǎng)。
電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100、200和300采用與LSP模式相結(jié)合的SPP模式， 以生成增強(qiáng)的電場(chǎng)。在本發(fā)明的其它實(shí)施例中，可以與在多個(gè)納米特征 中激發(fā)的LSP模式相結(jié)合地在襯底中激發(fā)引導(dǎo)模式(guided mode),以 生成增強(qiáng)的電場(chǎng)。圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu) 400，其利用了這樣的概念。電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)400包括具有表面404的介 電襯底402。該介電襯底402可以由多種不同的介電材料形成，例如半 導(dǎo)體材料和絕緣材料(例如硅、二氧化硅等等)。多個(gè)納米顆粒406以 周期布置的方式分布在表面404上以形成光柵408。納米顆粒406可以 由與在圖1A-1C中示出的納米顆粒106相同的材料形成。例如，納米顆 粒406被示為以具有晶格參數(shù)d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多個(gè)納米顆粒406可以呈現(xiàn)出其它的周期布置而不受限制。鄰近表面 404的媒質(zhì)呈現(xiàn)出比襯底402的折射率nsub小的折射率ns。
襯底402的折射率n^與鄰近表面404的媒質(zhì)的折射率n;之間的差 使得襯底402能夠支持具有模式頻率coGM的引導(dǎo)模式414(即平面模式)。 引導(dǎo)才莫式414的強(qiáng)度分布^f皮示為疊加在該襯底402上。通過(guò)適當(dāng)?shù)剡x4奪 襯底402的折射率n一與鄰近襯底402的表面404的媒質(zhì)的折射率n,可 以控制介電表面模式114的頻率cogm。如之前關(guān)于在圖1A-1C中示出的 電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)IOO所描述的那樣，衍射光4冊(cè)408可以凈皮配置成將從激發(fā) 源412發(fā)射的具有激發(fā)頻率co的入射EMR410耦合到引導(dǎo)模式414。另 外，選4奪納米顆粒406的尺寸、形狀、組成和間距，以使得每一個(gè)納米 顆粒406呈現(xiàn)出具有近似等于激發(fā)頻率 和介電表面沖莫式頻率codsw的 LSP頻率O)lsp的LSP才莫式416。因此，在使用期間，入射EMR410可以 激發(fā)與所述多個(gè)納米顆粒406相關(guān)聯(lián)的LSP模式416和引導(dǎo)模式414 二 者，它們相長(zhǎng)地互相干涉以生成具有增強(qiáng)的電場(chǎng)的電磁場(chǎng)。引導(dǎo)模式"4 沿寬度方向在襯底402中延伸，并且引導(dǎo)模式414的強(qiáng)度離開(kāi)表面4(M 漸逝地衰減足夠的距離，以使得引導(dǎo)模式414可以與LSP模式416相互 作用并且相長(zhǎng)地與LSP沖莫式416干涉以生成增強(qiáng)的電場(chǎng)。換句話說(shuō)，LSP 模式416呈現(xiàn)出相對(duì)高損耗和高電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)，并且與低損耗和低電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng) 的《I導(dǎo)模式414相混合，以產(chǎn)生保持LSP模式416的局部高電場(chǎng)特性的 復(fù)合(composite)諧振。然而，復(fù)合諧振呈現(xiàn)出比LSP沖莫式416低的總損耗，從而與LSP沖莫式416單獨(dú)能達(dá)到的電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)相比允許電場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng) 達(dá)到甚至更高的幅度。盡管引導(dǎo)模式414的能量密度通常比SPP模式的 能量密度低若干數(shù)量級(jí)，但是傳播長(zhǎng)度可以是大約lmm到大約10mm。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)500。電場(chǎng) 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)500包括具有表面504的襯底502,在該表面504上可以形成 所述多個(gè)納米顆粒406。襯底502包括交替的介電層503和505的周期 棧(periodic stack)。介電層503是具有第 一折射率n,的介電材料， 并且介電層505是具有第二折射率ri2的介電材料，其中n2不等于m。代 替支持襯底502內(nèi)的引導(dǎo)模式，表面504能夠支持介電表面模式514(即 平面模式)，該介電表面模式514沿著方向515傳播并且沿著襯底502 的寬度方向延伸。介電表面模式514的強(qiáng)度分布被示為疊加在襯底502 上。如所示出的那樣，介電表面模式514的強(qiáng)度在遠(yuǎn)離表面504的方向
上漸逝地衰減?？梢酝ㄟ^(guò)選擇笫一折射率m 、第二折射率112和交替層
的數(shù)目來(lái)控制介電表面模式514的色散關(guān)系。因此，可以通過(guò)改變上述 參數(shù)(例如n,、 rh和交替介電層503和504的數(shù)目)來(lái)調(diào)諧介電表面波
514的才莫式頻率C0dsw,以使得沖莫式頻率wdsw近似等于每一個(gè)納米顆粒
406的LSP頻率colsp。盡管介電表面模式514的能量密度通常比SPP模 式的能量密度低若干數(shù)量級(jí)，但是傳播長(zhǎng)度可以是大約l隱到大約 1 0mm。
可以通過(guò)許多公知的制造技術(shù)來(lái)形成所述多個(gè)納米顆粒106、 201 和406。例如，可以通過(guò)將由等離體子活性材料制成的薄膜沉積在襯底 上，并且在足夠的溫度下對(duì)該薄膜退火足夠的時(shí)間以使等離體子活性材 料凝結(jié)來(lái)形成納米顆粒。如果需要，例如在圖2所示的衍射光柵202中， 可以使用光刻技術(shù)(例如電子束光刻或光刻蝕法)或聚焦離子束研磨來(lái) 除去這樣形成的納米顆粒的一部分。對(duì)于較大的納米顆?；蚣{米孔尺 寸，可以通過(guò)4吏用納米壓印(nanoimprint )光刻、電子束光刻、聚焦 離子束研磨或另 一適當(dāng)?shù)募夹g(shù)在由等離體子活性材料形成的薄膜或襯 底中直接限定納米顆?；蚣{米孔。
關(guān)于圖1A- 5示出并描述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的任何上述實(shí)施例可以用 在許多不同的檢測(cè)裝置中。例如，可以在檢測(cè)裝置中利用所公開(kāi)的電場(chǎng) 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，以用作傳感器和分析儀器(例如片上實(shí)驗(yàn)室(lab-on-chip) 或更大的臺(tái)式分析儀器)。圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)裝置600的功能框圖。檢測(cè)裝置600可以作為拉曼或紅外光語(yǔ)系統(tǒng)來(lái)操作。檢測(cè)裝置600包括電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602,該電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602可以械_配置成之前所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)100、 200、 300、 400和500的任何一個(gè)。然而，為了說(shuō)明的目的，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)600被描繪成具有支撐多個(gè)被表示為納米顆粒的納米特征604的襯底603。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，納米顆粒和/或襯底603可以;故涂有功能化的分子(functionalizedmolecule)以促進(jìn)特定分析物與納米顆粒和/或襯底603的接合。檢測(cè)裝置600還包^"激發(fā)EMR源606和;險(xiǎn)測(cè)器608。；險(xiǎn)測(cè)裝置600還可以包括定位在激發(fā)E M R源6 0 6和電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)6 0 2之間的各種光學(xué)部件610 ，以及定位在電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602和;險(xiǎn)測(cè)器608之間的各種光學(xué)部件612。
激發(fā)EMR源606可以包括用于以期望的波長(zhǎng)/頻率發(fā)射EMR的任何適當(dāng)?shù)脑?，并且可能能夠發(fā)射可調(diào)波長(zhǎng)/頻率的EMR。例如，商業(yè)上可得到的半導(dǎo)體激光器、氦-氖激光器、二氧化碳激光器、發(fā)光二極管、白熾燈以及許多其它公知的EMR發(fā)射源都可以-故用作激發(fā)EMR源606。激發(fā)EMR源606發(fā)射的EMR可以是任何適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)/頻率以用于^f吏用拉曼或紅外光譜法對(duì)分析物進(jìn)行分析以及激發(fā)所述多個(gè)納米特征604的LSP模式和襯底603的平面模式。例如，平面模式可以是SPP模式、引導(dǎo)模式或介電表面模式，這取決于襯底603的配置。例如，激發(fā)EMR源606可以發(fā)射具有從大約350nm到大約IOOO園的波長(zhǎng)范圍的EMR。由激發(fā)EMR源606發(fā)射的激發(fā)EMR可以直接從EMR源606遞送到電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602?？商鎿Q地，在激發(fā)EMR撞擊到電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602上之前，可以由光學(xué)部件610執(zhí)行激發(fā)輻射的準(zhǔn)直、過(guò)濾和隨后的聚焦。光學(xué)部件610還可以包括一個(gè)或多個(gè)偏振板，以便選才奪性地控制激發(fā)EMR的偏振方向。
當(dāng)檢測(cè)裝置600被用作拉曼光語(yǔ)系統(tǒng)時(shí)，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602可以增強(qiáng)分析物的拉曼信號(hào)。換句話說(shuō)，對(duì)所述多個(gè)納米特征604和襯底603的照射同時(shí)激發(fā)了所述多個(gè)納米特征604的LSP模式和襯底603的平面模式，它們相長(zhǎng)地互相干涉以生成增強(qiáng)的電場(chǎng)，如上面所描述的那樣。增強(qiáng)的電場(chǎng)可以增加由定位在所述多個(gè)納米特征604和襯底6 03附近或鄰近其定位的分析物614非彈性散射的光子的數(shù)目。
拉曼散射光子可以由光學(xué)部件612準(zhǔn)直、過(guò)濾或聚焦。例如，濾波器或多個(gè)濾波器可以被用作檢測(cè)器608的結(jié)構(gòu)的部分或者用作被配置成過(guò)濾激發(fā)輻射的波長(zhǎng)的分離的單元，從而使得檢測(cè)器608僅接收拉曼散射光子。檢測(cè)器608接收并檢測(cè)拉曼散射光子并且可以包括單色器(或
用于確定拉曼散射光子的波長(zhǎng)的任何其它適當(dāng)?shù)脑O(shè)備)和諸如光電倍增器之類的用于確定拉曼散射光子的數(shù)量(強(qiáng)度)的設(shè)備。
為了使用檢測(cè)裝置600執(zhí)行拉曼光譜法，用戶可以提供鄰近電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602的所述多個(gè)納米特征604的分析物614。用來(lái)自激發(fā)EMR源606的激發(fā)EMR照射分析物614和電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602。對(duì)于拉曼光語(yǔ)法，激發(fā)EMR的波長(zhǎng)通常在紫外波長(zhǎng)范圍內(nèi)。然后檢測(cè)器608檢測(cè)由分析物散射的拉曼散射光子。由電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602響應(yīng)于激發(fā)EMR生成的增強(qiáng)電場(chǎng)可以使拉曼散射光子的強(qiáng)度增加大約108-大約IO"倍，其能夠檢測(cè)單個(gè)分子或其它非常低濃度的分析物。
-險(xiǎn)測(cè)裝置600還可以作為反射吸收紅外光譜("RAIRS")系統(tǒng)來(lái)操作。在這樣的實(shí)施例中，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602被設(shè)計(jì)成響應(yīng)于來(lái)自EMR源600的特定頻率的EMR而生成增強(qiáng)的電場(chǎng)。從EMR源600發(fā)射的激發(fā)EMR的特定頻率通常還可以對(duì)應(yīng)于分析物614的振動(dòng)才莫式。在使用期間，可以在寬的或窄的頻率范圍內(nèi)從激發(fā)EMR源600發(fā)射紅外EMR,所述寬的或窄的頻率范圍包括對(duì)應(yīng)于分析物612的振動(dòng)模式的特定頻率。入射的紅外EMR照射分析物614和電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602。對(duì)于特定頻率的紅外EMR,如上所述，由電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602生成增強(qiáng)的電場(chǎng)。增強(qiáng)的電場(chǎng)促進(jìn)分析物614在該分析物614的振動(dòng)才莫式下對(duì)IR EMR的吸收。檢測(cè)器608檢測(cè)從電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602反射的紅外EMR,并且在分析物614的振動(dòng)模式下可以觀察到反射譜中的明顯下降(dip),其指示存在特定類型的分子。由電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)602生成的增強(qiáng)的電場(chǎng)可以使得在該特定頻率下或該特定頻率附近分析物614對(duì)紅外EMR的吸收增加大約1QL大約1016倍。通過(guò)這樣的增強(qiáng)的吸收，檢測(cè)裝置600可以能夠檢測(cè)單個(gè)分子或其它非常低濃度的分析物。
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)裝置700。該檢測(cè)裝置700包括電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)702、激發(fā)EMR源704和4企測(cè)器706。電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)702包括具有表面710的襯底708,在該表面710上形成多個(gè)納米特征712。例如，在所示出的實(shí)施例中，每一個(gè)納米特征712都是由等離體子活性材料制成的納米顆粒。然而，所有的或某些納米特征712可以是在襯底708的表面710中形成的納米孔。如同之前所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)一樣，設(shè)計(jì)所述多個(gè)納米特征712和襯底708,以使得由激發(fā)EMR源704發(fā)射的頻率co的EMR 714基本上同時(shí)激發(fā)每一個(gè)納米特征712的LSP模式和襯底708的平面模式(例如SPP模式、介電表面模式或引導(dǎo)模式)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，納米顆粒和/或襯底708的表面710可以涂有功能化的分子以促進(jìn)特定分析物與納米顆粒和/或表面710的接合。
電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)702還包括第一衍射光柵716，其可以一皮定位在所述多個(gè)納米特征712的一側(cè)，并Jbf皮配置成將頻率co的EMR 714衍射到由襯底708支持的平面才莫式。第二衍射光柵718可以;坡定位在所述多個(gè)納米特征712的相對(duì)側(cè)，并且被配置成衍射耦合到襯底708的平面沖莫式的EMR。根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例，第一和第二衍射光柵714和716可以被配置成衍射不同頻率的EMR或相同頻率的EMR。第一和第二衍射光柵716和718可以由適當(dāng)尺寸和配置的顆?；蚩?例如納米顆粒和/或納米孔)的陣列形成。
在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，激發(fā)EMR源704可以是激光二極管(例如垂直腔或邊發(fā)射激光二極管)，其鄰近第一衍射光柵716形成或者安裝在襯底708上。在這樣的實(shí)施例中，檢測(cè)器706可以是光電二極管(例如PIN光電二極管)，其鄰近第二衍射光柵718同樣形成或者安裝在襯底708上。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)裝置700可以作為拉曼光譜系統(tǒng)來(lái)操作。在這樣的實(shí)施例中，激發(fā)EMR源704以頻率o)發(fā)射EMR 714。從第 一衍射光柵716將EMR 714衍射為照射位于所述多個(gè)納米特征712上或其附近的分析物(未示出)并且激發(fā)每一個(gè)納米特征712的LSP模式和襯底708的平面才莫式以生成增強(qiáng)的電場(chǎng)的射束。如之前關(guān)于檢測(cè)裝置600描述的那樣，增強(qiáng)的電場(chǎng)增加從分析物散射的拉曼EMR的量，并且至少一部分拉曼EMR被耦合到襯底708的平面模式。盡管非彈性散射的拉曼EMR的頻率比EMR 714的頻率co稍微大(反斯托克斯輻射)或稍微小(斯托克斯輻射)，斯托克斯輻射、反斯托克斯輻射或這二者的頻率擴(kuò)展通常都落入平面模式的頻率擴(kuò)展中。第二衍射光柵718可以被配置成優(yōu)先衍射耦合到平面模式的示為衍射束720的拉曼EMR,衍射束720可以由檢測(cè)器706接收。拉曼EMR表示被分析的分析物的化學(xué)組成的特性?？梢愿倪M(jìn)信噪比，因?yàn)榈诙苌涔鈻?18可以被配置成是高度選擇性的，以僅衍射耦合到平面模式的斯托克斯或反斯托克斯拉曼EMR。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)裝置700可以作為紅外光譜系統(tǒng)來(lái)操作。在這樣的實(shí)施例中，激發(fā)EMR源704以落入紅外頻率范圍內(nèi)的頻率co發(fā)射EMR 714。從第一衍射光柵716將EMR 714衍射為照射位于所述多個(gè)納米特征712上的分析物(未示出)并且激發(fā)每一個(gè)納米特征712的LSP模式和襯底708的平面模式以生成增強(qiáng)的電場(chǎng)的射束。然而，當(dāng)存在分析物時(shí)， 一部分衍射束纟皮分析物吸收，并且一部分衍射束被耦合到襯底708的平面才莫式。第二衍射光束718可以被配置成衍射耦合到平面模式的示為衍射束720的頻率co的EMR,衍射束720可以由檢測(cè)器706檢測(cè)。因此，當(dāng)操作為紅外光譜系統(tǒng)時(shí)，第二衍射光柵718被配置成通常衍射與第一衍射光柵716衍射的EMR相同頻率的EMR。當(dāng)存在分析物的時(shí)候，衍射束720的強(qiáng)度不那么強(qiáng)，因?yàn)閺牡谝谎苌涔鈻?16衍射的束的某一部分被分析物(未示出)吸收。因此，與不存在分析物的情況相比，衍射束720的強(qiáng)度的下降指示存在某種類型的分析物。
圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例的檢測(cè)裝置800。該檢測(cè)裝置800包括多個(gè)4全測(cè)裝置子單元801-820,它們中的每一個(gè)都可以:帔配置成之前所述的檢測(cè)裝置實(shí)施例的任何一個(gè)。檢測(cè)裝置子單元801-820可以被形成在共同襯底上，或者每一個(gè)檢測(cè)裝置子單元801-820都可以是組裝到一起的分立單元。每一個(gè)才企測(cè)裝置子單元801-820都可以包括被配置成增強(qiáng)所選的不同頻率的入射電場(chǎng)的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。因此，每一個(gè)檢測(cè)裝置子單元801-820都可以被用來(lái)檢測(cè)特定類型的分析物。檢測(cè)裝置800還包括系統(tǒng)控制822,其用于控制檢測(cè)裝置子單元801-820并且接收由斥全測(cè)裝置子單元801-820生成的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)控制822還可以包括適當(dāng)?shù)挠脩艚缑?未示出)以顯示從檢測(cè)裝置子單元801-820生成的數(shù)據(jù)并且進(jìn)一步處理和/或操縱該數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的某些實(shí)施例中，檢測(cè)裝置800、 一部分檢測(cè)裝置子單元801-820可以被配置成執(zhí)行拉曼光譜法，并且一部分檢測(cè)裝置子單元801-820可以纟皮配置成#1行紅外光譜法。
盡管沒(méi)有示出，但是可以在所公開(kāi)的檢測(cè)裝置的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的襯底上或在其中形成微流體通道。此外，可以提供其它公知的微流體部件。例如，微型泵可以被用來(lái)將分析物泵送到電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的多個(gè)納米特征上或其附近，以用于分析和/或檢測(cè)。為了解釋的目的，上述描述使用特定術(shù)語(yǔ)提供了對(duì)本發(fā)明的全面理解。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)的是為了實(shí)施本發(fā)明并不需要特定細(xì)節(jié)。為了說(shuō)明和描述的目的，給出了本發(fā)明的特定實(shí)施例的上述描述。它們并不打算是本發(fā)明的窮盡描述或者將本發(fā)明限制到所公開(kāi)的精確形式。根據(jù)上面的教導(dǎo)，有可能進(jìn)行許多修改和變化。示出并描述這些實(shí)施例以便最好地解釋本發(fā)明的原理和其實(shí)際應(yīng)用，由此使得本領(lǐng)域才支術(shù)人員能夠適于所設(shè)想的特定用途地最好地利用本發(fā)明以及具有各種修改的各種實(shí)施例。本發(fā)明的范圍旨在由權(quán)利要求書(shū)及其等同物限定。
權(quán)利要求
1、一種電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)，包括襯底(102)，其包括表面(104)，所述襯底能夠支持具有平面模式頻率的平面模式(114)；以及與所述襯底的所述表面相關(guān)聯(lián)的多個(gè)納米特征(106)，每一個(gè)所述納米特征都呈現(xiàn)出局部表面等離體子(“LSP”)模式(116)，所述局部表面等離體子模式(116)具有近似等于所述平面模式頻率的LSP頻率，其中當(dāng)被激發(fā)時(shí)每一個(gè)所述納米特征的LSP模式和所述平面模式相長(zhǎng)地互相干涉。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中所迷多個(gè)納米特征 包括下述各項(xiàng)中的至少一個(gè)形成在所述襯底的表面中的納米孔(306 );以及 分布在所述襯底的表面上的納米顆粒(106)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中 所述襯底的表面包括金屬材料，所述表面鄰近介電媒質(zhì)定位；以及 所述平面模式包括表面等離體子激元模式(116)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中所述襯底(402、 502 )包括一個(gè)或多個(gè)介電層(503、 50";以及 所述平面模式包括介電表面模式(514)或引導(dǎo)模式(414)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中所述多個(gè)納米特征 限定衍射光柵(108 ),所述衍射光柵(108 )被配置成將入射到其上的 電磁輻射耦合到所述平面模式。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，其中所述衍射光柵包括 多個(gè)光柵部件(203 - 206 ),每一個(gè)所述光柵部件都包括所述多個(gè)納米 特征中的多于 一 個(gè)的納米特征。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，還包括 第一衍射光柵(710)，其被配置成將入射到其上的激發(fā)電磁輻射耦合到所述平面模式；以及與所述第一衍射光柵間隔開(kāi)的第二衍射光柵(718 ),所述多個(gè)納 米特征:陂定位在所述第一和第二衍射光柵之間，所述第二衍射光柵被配 置成衍射具有與所述激發(fā)電磁輻射的頻率不同的頻率的電磁輻射。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，還包括第一衍射光柵(710),其被配置成將入射到其上的激發(fā)電磁輻射 耦合到所述平面模式；以及與所述第一衍射光柵間隔開(kāi)的笫二衍射光柵(718),所述多個(gè)納 米特征被定位在所述第一和第二衍射光柵之間，所述第二衍射光柵被配 置成衍射耦合到所述平面模式的激發(fā)電磁輻射。
9、 一種檢測(cè)裝置(600、 700、 800 ),包括 至少一個(gè)激發(fā)源(606、 704 ),其用于發(fā)射激發(fā)電磁輻射；以及 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(602、 702 ),其中可響應(yīng)于所述激發(fā)電磁輻射來(lái)激發(fā)所述LSP模式和平面模式；以及至少一個(gè)檢測(cè)器(608、 706 ),其在工作中耦合到所述電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)。
10、 一種生成增強(qiáng)的電場(chǎng)的方法，所述方法包括 使用激發(fā)電磁輻射來(lái)照射與襯底U02)的表面(104)相關(guān)聯(lián)的多個(gè)納米特征(106);響應(yīng)于對(duì)所述多個(gè)納米特征的照射，在每個(gè)所述納米特征中激發(fā)局 部表面等離體子("LSP，，)模式UlO;以及響應(yīng)于對(duì)所述多個(gè)納米特征的照射，在所述襯底的表面中激發(fā)平面 模式(114);以及使在每一個(gè)所述納米特征中激發(fā)的LSP模式和在所述表面中激發(fā)的 平面^t式相長(zhǎng)地干涉以產(chǎn)生所述增強(qiáng)的電場(chǎng)。
全文摘要
本發(fā)明的各個(gè)方面涉及電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)和使用這樣的電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的檢測(cè)裝置(600、700、800)。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，電場(chǎng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)(100)包括具有表面(104)的襯底(102)。所述襯底(102)能夠支持具有平面模式頻率的平面模式(114)。多個(gè)納米特征(106)與所述表面(104)相關(guān)聯(lián)，并且每一個(gè)納米特征(106)都呈現(xiàn)出具有近似等于平面模式頻率的局部表面等離體子頻率的局部表面等離體子模式(116)。
文檔編號(hào)G01J3/44GK101688809SQ200880021938
公開(kāi)日2010年3月31日 申請(qǐng)日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月26日
發(fā)明者D·斯圖爾特, D·法塔爾, J·布拉克斯托克, W·童, Z·李 申請(qǐng)人:惠普開(kāi)發(fā)有限公司