偏振選擇性表面增強拉曼光譜學(xué)分析的制作方法
【專利說明】偏振選擇性表面増強拉曼光譜學(xué)分析
[0001]對相關(guān)申請的交叉引用
N/Ao
[0002]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的陳述
N/Ao
【背景技術(shù)】
[0003]未知物質(zhì)的檢測和標(biāo)識(或至少分類)長久以來引起巨大興趣并且在近年來已經(jīng)呈現(xiàn)出甚至更加巨大的重要性。在具有針對精確檢測和標(biāo)識的特定希望的技術(shù)之中的是各種形式的光譜學(xué)分析。光譜學(xué)分析可以用于通過使用在通過一定形式的電磁輻射(例如可見光)光照材料時所導(dǎo)致的吸收光譜、散射光譜和發(fā)射光譜中的一個或多個來分析、表征和標(biāo)識物質(zhì)或材料。通過光照材料產(chǎn)生的吸收、散射和發(fā)射光譜確定材料的光譜“指紋”。一般而言，光譜指紋是促進材料的標(biāo)識的特定材料的特性。在最強大的光學(xué)發(fā)射光譜學(xué)分析技術(shù)中的是基于拉曼散射的那些。
[0004]散射光譜學(xué)分析是標(biāo)識、監(jiān)視和表征范圍從相對簡單的無機化學(xué)化合物到復(fù)雜的生物分子的各種分析物種類(即分析物)的重要手段。在各種類型的散射光譜學(xué)分析中的是利用由于來自分析物的熒光(例如熒光發(fā)射)所致的拉曼散射和發(fā)射的方法。一般而言，散射光譜學(xué)分析采用信號(例如光束)來激發(fā)分析物，其進而產(chǎn)生取決于分析物的特性(例如組成元素或分子)的響應(yīng)或經(jīng)散射或經(jīng)發(fā)射的信號。通過檢測和分析經(jīng)散射或經(jīng)發(fā)射的信號(例如使用光譜分析)，分析物可以被標(biāo)識并且甚至在一些實例中被量化。
【附圖說明】
[0005]參照結(jié)合附圖考慮的以下詳細(xì)描述可以更容易地理解依照本文所描述的原理的示例的各種特征，其中相同的附圖標(biāo)記指代相同的結(jié)構(gòu)元件，并且其中:
圖1圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的偏振選擇性表面增強拉曼光譜學(xué)分析(SERS)系統(tǒng)的框圖。
[0006]圖2圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的圖1中所圖示的SERS系統(tǒng)的一部分的橫截面視圖。
[0007]圖3A圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的具有布置為二聚體的兩個納米指的SERS多聚體的頂視圖。
[0008]圖3B圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的具有布置為三聚體的三個納米指的SERS多聚體的頂視圖。
[0009]圖3C圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的具有布置為四聚體的四個納米指的SERS多聚體的頂視圖。
[0010]圖4圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的偏振選擇性表面增強拉曼光譜學(xué)分析(SERS )系統(tǒng)的框圖。
[0011]圖5圖示了根據(jù)與本文所描述的原理一致的示例的偏振選擇性表面增強拉曼光譜學(xué)分析(SERS)的方法的流程圖。
[0012]某些示例具有作為附加于和替代于以上參考的附圖中圖示的特征中的一個的其它特征。在下文中參照以上參考的附圖來詳細(xì)描述這些和其它特征。
【具體實施方式】
[0013]依照本文所描述的原理的示例提供了使用散射光譜學(xué)分析來檢測或感測各種分析物。特別地，依照本文所描述的原理的示例提供了通過表面增強拉曼光譜學(xué)分析來感測分析物。而且，表面增強拉曼光譜學(xué)分析感測可以通過使用偏振選擇性來提供拉曼散射信號與背景噪聲信號之間的辨別。例如，偏振選擇性可以促進拉曼散射信號與包括但不限于熒光背景信號和雜散環(huán)境光的各種背景噪聲信號之間的辨別。
[0014]根據(jù)各種示例，拉曼光譜學(xué)分析可以采用拉曼增強襯底(例如二聚體、三聚體等)的偏振相關(guān)等離子體模式或者與其結(jié)構(gòu)相關(guān)聯(lián)。在一些示例中，將刺激信號的偏振與偏振相關(guān)等離子體模式對準(zhǔn)可以提供偏振選擇性以辨別拉曼散射信號與(多個)背景噪聲信號。偏振對準(zhǔn)可以例如增加刺激信號與偏振相關(guān)等離子體模式之間的耦合。在其它示例中，偏振選擇性由選擇性地匹配到拉曼散射信號的偏振狀態(tài)的拉曼檢測器提供。根據(jù)各種示例，拉曼散射信號偏振狀態(tài)可以由偏振相關(guān)等離子體模式確定或規(guī)定。在再其它的示例中，刺激信號偏振對準(zhǔn)以及拉曼檢測器偏振與拉曼散射信號的選擇性匹配二者被用于辨別拉曼散射信號和背景噪聲信號。根據(jù)各種示例，辨別可以改進并且在一些示例中顯著改進拉曼散射信號的信噪比。
[0015]本文所描述的原理的示例采用表面增強拉曼光譜學(xué)分析(SERS)來檢測或感測分析物或目標(biāo)種類的存在。在本文中，可以使用的其它適用形式的散射光譜學(xué)分析包括但不限于:表面增強相干反斯托克斯拉曼散射(SECARS)、共振拉曼光譜學(xué)分析、超拉曼光譜學(xué)分析、各種空間偏移和共焦版本的拉曼光譜學(xué)分析、以及等離子體共振的直接監(jiān)視。SERS可以提供分析物的檢測和標(biāo)識，并且在一些示例中提供分析物的量化。特別地，根據(jù)各種示例，可以針對被吸收到SERS中的表面上或者與其緊密相關(guān)聯(lián)的分析物提供檢測或感測。在本文中，為了討論的簡化，一般將參照基于SERS的散射光譜學(xué)分析來描述散射光譜學(xué)分析，并且這不作為具體限制，除非以其它方式指示。
[0016]如本文所引用的，拉曼散射光學(xué)光譜學(xué)分析(或簡單地稱為拉曼光譜學(xué)分析)采用由通過被光照的材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對光子的非彈性散射產(chǎn)生的其散射光譜或光譜分量。包含在由非彈性散射產(chǎn)生的響應(yīng)信號(例如拉曼散射信號)中的這些光譜分量可以促進分析物種類的材料特性的確定，包括但不限于分析物的標(biāo)識。表面增強拉曼光譜學(xué)分析(SERS)是采用“拉曼有效”或“拉曼增強”表面的拉曼光譜學(xué)分析的形式。SERS可以顯著增強由特定分析物種類產(chǎn)生的拉曼散射信號的信號水平或強度。特別地，在一些實例中，拉曼增強表面包括與諸如但不限于納米指或納米棒的納米結(jié)構(gòu)的尖端相關(guān)聯(lián)的區(qū)。納米指的尖端可以充當(dāng)納米天線以完成以下中的一個或二者:集中光照場和放大拉曼發(fā)射，從而例如導(dǎo)致拉曼散射信號的強度的進一步增強。
[0017]在SERS的一些示例中，包括多個納米指的SERS表面被配置成增強來自分析物的拉曼散射信號的產(chǎn)生和發(fā)射。具體地，在一些示例中，與處于“拉曼增強”配置中的納米指(例如納米指的尖端)相關(guān)聯(lián)并且在其周圍的電磁場可以增強來自分析物的拉曼散射。處于拉曼增強配置中的納米指自身以及納米指的尖端的相對位置可以提供增強的拉曼散射。
[0018]“納米棒”或等同地為“納米指”在本文中被限定為細(xì)長、納米尺度結(jié)構(gòu)，其例如具有超過在垂直于長度的平面中取得的納米尺度橫截面尺寸(例如寬度)的長度(或高度)。在一些示例中，該長度可以超過納米尺度橫截面尺寸的若干倍。特別地，納米指的長度一般比納米指寬度大得多(例如，長度是寬度的大約2-3倍)。在一些示例中，長度可以超過橫截面尺寸(或者寬度)的5或10倍以上。
[0019]例如，寬度可以是大約40納米(nm)并且高度可以是大約400nm。在另一示例中，納米指寬度或直徑可以在大約10nm與200nm之間并且長度可以超過大約500nm。例如，寬度可以是大約130-170nm并且長度可以是大約500-800nm。在又一示例中，在納米指底部處的寬度可以在大約20nm與大約10nm之間的范圍并且長度可以大于大約I微米(μπι)。在另一示例中，納米指可以是圓錐形，其帶有具有范圍從大約10nm與大約500nm之間的寬度和可以范圍在大約半(0.5) ym與幾微米之間的長度的底部。
[0020]在各種示例中，多個納米指可以生長(即通過添加過程產(chǎn)生)或通過蝕刻或消去過程產(chǎn)生。例如，納米指可以通過使用氣一一液一一固(VLS)生長過程生長為納米線。在其它示例中，納米線生長可以采用氣一一固(V-S)生長過程和溶液生長過程中的一個。在再其它的示例中，生長可以通過諸如但不限于聚焦離子束(FIB)沉積和激光引發(fā)的自組裝之類的直接或經(jīng)刺激的自組織技術(shù)來實現(xiàn)。在另一示例中，納米指可以通過使用諸如但不限于反應(yīng)離子蝕刻之類的蝕刻過程以移除周圍材料而留下納米指來產(chǎn)生。在再其它的示例中，各種形式的印記光刻技術(shù)包括但不限于:納米印記光刻技術(shù)以及使用在微機電系統(tǒng)(MEMS)和納米機電系統(tǒng)(NEMS )的制作中的各種技術(shù)，所述各種形式的印記光刻技術(shù)適用于納米指和本文所描述的各種其它元件的制作。
[0021]本文中的“納米顆?！北幌薅榫哂写篌w類似的長度、寬度和深度尺寸的納米尺度結(jié)構(gòu)。例如，納米顆粒的形狀可以是柱形、球形、橢球形或刻面球形或橢球形，或者立方體、八面體、十二面體或另一多邊形。在其它示例中，納米顆粒可以是大體不規(guī)則的三維形狀。例如，在直徑或尺寸方面，納米顆粒的大小的范圍可以從大約5nm到大約300nm。在一些示例中，納米顆粒尺寸可以在大約50nm到大約lOOnm、或者大約25nm到大約lOOnm、或者大約10nm到大約200nm、或者大約1nm到大約150nm、或者大約20nm到大約200nm的范圍內(nèi)。
[0022]在一些示例中，納米顆粒可以是大體均質(zhì)的結(jié)構(gòu)。例如，納米顆粒可以是納米尺度金屬顆粒(例如金、銀、銅等的納米顆粒)。在其它示例中，根據(jù)定義，納米顆?？梢允谴篌w非均質(zhì)的核——殼結(jié)構(gòu)。例如，納米顆?？梢园ū豢梢圆煌诘谝徊牧系牡诙牧贤糠蟮牡谝徊牧系暮?。涂層或殼的第二材料可以是金屬，而第一材料可以是導(dǎo)體或電介質(zhì)材料。在另一示例中