电场增强结构及使用其的检测装置转让专利
申请号 : CN200880021938.4
文献号 : CN101688809A
文献日 : 2010-03-31
发明人 : D·法塔尔 , Z·李 , W·童 , D·斯图尔特 , J·布拉克斯托克
申请人 : 惠普开发有限公司
摘要 :
本发明的各个方面涉及电场增强结构(100)和使用这样的电场增强结构的检测装置(600、700、800)。在本发明的一个方面中，电场增强结构(100)包括具有表面(104)的衬底(102)。所述衬底(102)能够支持具有平面模式频率的平面模式(114)。多个纳米特征(106)与所述表面(104)相关联，并且每一个纳米特征(106)都呈现出具有近似等于平面模式频率的局部表面等离体子频率的局部表面等离体子模式(116)。
权利要求 :
1、一种电场增强结构(100)，包括：
衬底(102)，其包括表面(104)，所述衬底能够支持具有平面模 式频率的平面模式(114)；以及与所述衬底的所述表面相关联的多个纳米特征(106)，每一个所 述纳米特征都呈现出局部表面等离体子(“LSP”)模式(116)，所述 局部表面等离体子模式(116)具有近似等于所述平面模式频率的LSP 频率，其中当被激发时每一个所述纳米特征的LSP模式和所述平面模式 相长地互相干涉。
2、根据权利要求1所述的电场增强结构，其中所述多个纳米特征 包括下述各项中的至少一个：形成在所述衬底的表面中的纳米孔(306)；以及分布在所述衬底的表面上的纳米颗粒(106)。
3、根据权利要求1所述的电场增强结构，其中：
所述衬底的表面包括金属材料，所述表面邻近介电媒质定位；以及所述平面模式包括表面等离体子激元模式(116)。
4、根据权利要求1所述的电场增强结构，其中：
所述衬底(402、502)包括一个或多个介电层(503、505)；以及所述平面模式包括介电表面模式(514)或引导模式(414)。
5、根据权利要求1所述的电场增强结构，其中所述多个纳米特征 限定衍射光栅(108)，所述衍射光栅(108)被配置成将入射到其上的 电磁辐射耦合到所述平面模式。
6、根据权利要求5所述的电场增强结构，其中所述衍射光栅包括 多个光栅部件(203-206)，每一个所述光栅部件都包括所述多个纳米 特征中的多于一个的纳米特征。
7、根据权利要求1所述的电场增强结构，还包括：第一衍射光栅(710)，其被配置成将入射到其上的激发电磁辐射 耦合到所述平面模式；以及与所述第一衍射光栅间隔开的第二衍射光栅(718)，所述多个纳 米特征被定位在所述第一和第二衍射光栅之间，所述第二衍射光栅被配 置成衍射具有与所述激发电磁辐射的频率不同的频率的电磁辐射。
8、根据权利要求1所述的电场增强结构，还包括：第一衍射光栅(710)，其被配置成将入射到其上的激发电磁辐射 耦合到所述平面模式；以及与所述第一衍射光栅间隔开的第二衍射光栅(718)，所述多个纳 米特征被定位在所述第一和第二衍射光栅之间，所述第二衍射光栅被配 置成衍射耦合到所述平面模式的激发电磁辐射。
9、一种检测装置(600、700、800)，包括：至少一个激发源(606、704)，其用于发射激发电磁辐射；以及根据权利要求1所述的电场增强结构(602、702)，其中可响应于 所述激发电磁辐射来激发所述LSP模式和平面模式；以及至少一个检测器(608、706)，其在工作中耦合到所述电场增强结 构。
10、一种生成增强的电场的方法，所述方法包括：使用激发电磁辐射来照射与衬底(102)的表面(104)相关联的多 个纳米特征(106)；
响应于对所述多个纳米特征的照射，在每个所述纳米特征中激发局 部表面等离体子(“LSP”)模式(116)；以及响应于对所述多个纳米特征的照射，在所述衬底的表面中激发平面 模式(114)；以及使在每一个所述纳米特征中激发的LSP模式和在所述表面中激发的 平面模式相长地干涉以产生所述增强的电场。
说明书 :
技术领域
本发明的实施例通常涉及在许多不同的应用(例如检测装置)中使 用的电场增强结构。
背景技术
金属颗粒(particle)周围的电场增强是当前科学技术兴趣所关注 的话题。例如表面增强拉曼光谱术(“SERS”)是一种利用特别制备的 粗糙的金属表面或金属颗粒附近的增强电场来增加来自分析物的非弹 性散射的拉曼辐射的量的公知的光谱学技术。在SERS中，分析物被吸 到活化的金属表面或结构上，或者邻近活化的金属表面或结构放置。用 所选频率的电磁辐射(“EMR”)对分析物和金属表面或颗粒进行照射 激发了金属表面或颗粒中的表面等离体子激元(surface plasmon polariton，“SPP”)。
在SERS期间，分析物经历SPP的强的局部电场，并且从分析物非 弹性地散射分析物特有的拉曼光子。与在没有金属表面或颗粒的情况下 实行拉曼光谱法时相比，认为增强的电场是相对增加的拉曼辐射的一个 重要因素。例如，来自金属表面的增强的电场可以使拉曼散射强度增强 103-106倍。
最近，为了增强电场，与简单的粗糙金属表面相反，使用随机取向 的金属纳米颗粒(例如纳米级的针状物、岛状物(island)以及线)来 执行拉曼光谱法。来自被吸到这样的金属表面上的分子的拉曼散射光子 的强度可以增加大于106倍。在该等级的灵敏度下，拉曼光谱法可以被 用来检测微小量的物质并且被称为纳米增强的拉曼光谱法(“NERS”)。
从上面关于SERS和NERS的讨论可以认识到，金属颗粒周围的电场 增强可能非常有用。除了SERS和NERS之外，电场的增强可以在其它应 用中使用，例如红外光谱法、传感器、拉曼成像系统、纳米天线和许多 其它应用。因此，电场增强结构的研究人员和开发人员可以意识到对于 可以在各种各样的应用(例如传感器、拉曼光谱系统和许多其它应用) 中使用的改进的电场增强结构的需要。
在SERS期间，分析物经历SPP的强的局部电场，并且从分析物非 弹性地散射分析物特有的拉曼光子。与在没有金属表面或颗粒的情况下 实行拉曼光谱法时相比，认为增强的电场是相对增加的拉曼辐射的一个 重要因素。例如，来自金属表面的增强的电场可以使拉曼散射强度增强 103-106倍。
最近，为了增强电场，与简单的粗糙金属表面相反，使用随机取向 的金属纳米颗粒(例如纳米级的针状物、岛状物(island)以及线)来 执行拉曼光谱法。来自被吸到这样的金属表面上的分子的拉曼散射光子 的强度可以增加大于106倍。在该等级的灵敏度下，拉曼光谱法可以被 用来检测微小量的物质并且被称为纳米增强的拉曼光谱法(“NERS”)。
从上面关于SERS和NERS的讨论可以认识到，金属颗粒周围的电场 增强可能非常有用。除了SERS和NERS之外，电场的增强可以在其它应 用中使用，例如红外光谱法、传感器、拉曼成像系统、纳米天线和许多 其它应用。因此，电场增强结构的研究人员和开发人员可以意识到对于 可以在各种各样的应用(例如传感器、拉曼光谱系统和许多其它应用) 中使用的改进的电场增强结构的需要。
发明内容
本发明的各方面针对电场增强结构和使用这样的电场增强结构的 检测装置。在本发明的一个方面中，电场增强结构包括具有表面的衬底。 该衬底能够支持具有平面模式频率的平面模式(planar mode)。多个 纳米特征(nanofeature)与该表面相关联，并且每一个纳米特征都呈 现出具有近似等于平面模式频率的局部表面等离体子频率的局部表面 等离体子(localized-surface-plasmon)模式。当由激发电磁辐射激 发时，纳米特征的局部表面等离体子模式和平面模式相长地互相干涉以 产生增强的电场。
附图说明
附图示出了本发明的各种实施例，其中相同的参考标记指代在附图 中示出的不同视图或实施例中的相同元件或特征。
图1A是根据本发明的一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图；
图1B是在图1A中示出的电场增强结构的示意性平面视图；
图1C是沿线1C-1C截取的图1B所示电场增强结构的示意性横截面 视图；
图2是根据本发明的另一个实施例的电场增强结构的示意性平面视 图；
图3A是根据本发明的又一个实施例的利用纳米孔的周期布置的电 场增强结构的示意性平面视图；
图3B是沿线3B-3B截取的图3A所示电场增强结构的示意性横截面 视图；
图4是根据本发明的另一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底包括介电材料；
图5是根据本发明的又一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底被配置成支持介电表面模式；
图6是根据本发明的一个实施例的可以使用所公开的电场增强结构 的任一个的检测装置的功能框图；
图7是根据本发明的一个实施例的包括利用多个衍射光栅的电场增 强结构的检测装置的示意性等距视图；
图8是根据本发明的一个实施例的包括多个被配置为所公开的检测 装置的任一个的检测装置子单元的检测装置的功能框图。
图1A是根据本发明的一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图；
图1B是在图1A中示出的电场增强结构的示意性平面视图；
图1C是沿线1C-1C截取的图1B所示电场增强结构的示意性横截面 视图；
图2是根据本发明的另一个实施例的电场增强结构的示意性平面视 图；
图3A是根据本发明的又一个实施例的利用纳米孔的周期布置的电 场增强结构的示意性平面视图；
图3B是沿线3B-3B截取的图3A所示电场增强结构的示意性横截面 视图；
图4是根据本发明的另一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底包括介电材料；
图5是根据本发明的又一个实施例的电场增强结构的示意性等距视 图，在该电场增强结构中衬底被配置成支持介电表面模式；
图6是根据本发明的一个实施例的可以使用所公开的电场增强结构 的任一个的检测装置的功能框图；
图7是根据本发明的一个实施例的包括利用多个衍射光栅的电场增 强结构的检测装置的示意性等距视图；
图8是根据本发明的一个实施例的包括多个被配置为所公开的检测 装置的任一个的检测装置子单元的检测装置的功能框图。
具体实施方式
本发明的各种实施例涉及电场增强结构以及利用这样的电场增强 结构的检测装置。所公开的电场增强结构的实施例包括多个与衬底的表 面相关联的纳米特征。响应于所选频率处的EMR，可以激发每一个纳米 特征的局部表面等离体子(“LSP”)模式和该衬底的平面模式，以生 成邻近该表面的增强的电场。增强的电场可以用于例如SERS、红外光谱 法和许多其它应用。
图1A-1C示出了根据本发明的一个实施例的电场增强结构100。电 场增强结构100包括具有表面104的衬底102。可以在该表面104上形 成多个纳米特征，例如纳米颗粒106。每一个纳米颗粒106的代表性尺 寸可以是大约2nm到大约200nm。另外，纳米颗粒106的几何形状可以 背离所示出的几何形状。例如，每一个纳米颗粒106可以是大致球形、 半球形的、圆柱形的或另一适合的几何形状。如此处所使用的那样，术 语“纳米特征”指纳米颗粒或纳米孔。纳米颗粒106以周期布置的方式 分布在表面104上，以形成衍射光栅108。例如，纳米颗粒106被示为 以具有晶格(lattice)参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多个纳米颗粒106可以呈现出其它的周期布置而不受限制。距离d的 代表性范围可以是大约50nm到几微米。
每一个纳米颗粒106都由等离体子活性(plasmon-active)材料形 成，所述等离体子活性材料例如金属、合金或能够在其中激发表面等离 体子的简并掺杂的半导体材料。例如，每一个纳米颗粒106都可以由铜、 金、钯、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的等离体子活性材料 形成。响应于特定频率处的激发EMR，可以在每一个纳米颗粒106中激 发LSP。表面等离体子是固体表面附近的自由电子云的振荡。LSP通常 还被称为电磁表面形状谐振、颗粒等离体子以及缝隙等离体子(gap plasmon)。可以在多个纳米特征(例如纳米颗粒或纳米孔)中激发LSP 的频率或多个频率是表面等离体子被限制到的纳米特征的尺寸和形状、 纳米特征的介电常数以及纳米特征的间距的函数。多个纳米特征(例如 纳米颗粒106)通常呈现出LSP模式的频谱，除了各个纳米颗粒106的 尺寸和形状之外，晶格参数d还可能强烈影响该LSP模式的频谱。因此， 可以通过控制纳米颗粒106的尺寸、形状和间距来调谐EMR可以在每一 个纳米颗粒106中激发LSP模式的频率或多个频率。
衬底102和其表面104由诸如金属、合金或能够在其中激发SPP的 简并掺杂的半导体材料之类的材料形成。例如，衬底102可以由铜、金、 钯、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的材料形成。然而，在本 发明的其它实施例中，衬底102可以包括例如由玻璃衬底形成的基底， 以及由沉积在该基底上的任何一种前述等离体子活性材料形成的薄膜。
SPP是一种电磁激发，其中的电磁场沿着具有负介电常数的材料(例 如金属)和具有实的正介电常数的媒质之间的界面传播。作为将光子耦 合到具有负介电常数的材料的表面等离体子的结果生成了SPP。因此， 表面104在至少一EMR频率范围上呈现出实的负介电常数，并且邻近表 面104的媒质(例如空气)在表面104呈现出实的正介电常数的EMR频 率范围中的至少一部分上呈现出实的正介电常数。表面104能够支持沿 着该表面104传播的SPP模式。因为SPP模式限于表面104以及与其直 接邻近的区域，所以相对于用于激发SPP模式的EMR，SPP模式的电场 强度被增强。可以主要通过选择邻近媒质和表面104的介电常数来控制 SPP模式的频率。例如，SPP模式可以传播大约1μm到大约200μm的长 度。
因为自由空间光和SPP模式的色散关系，不能使用自由空间光直接 激发SPP模式。为了在表面104中激发SPP模式，自由空间光的能量和 动量需要与SPP模式的能量和动量相匹配。因此，由所述多个纳米颗粒 106限定的电场增强结构100的衍射光栅108被配置成将由激发源112 发射的具有激发频率ω和激发波长λ的EMR 110耦合到沿着表面104传 播的SPP模式114(即平面模式)。SPP模式114具有近似等于激发频 率ω的SPP频率ωspp。波长λ近似是衍射光栅108的晶格参数d的整数 倍(即n·λ，其中n是整数，λ是EMR 110的波长)。另外，还通过控 制尺寸、形状和组成来配置每一个纳米颗粒106，以使得每一个纳米颗 粒106都呈现出LSP模式116，并且可以使用激发频率ω下的EMR110 来激发，该LSP模式116具有近似等于激发频率ω的LSP频率ωLSP。
在使用期间，具有激发频率ω的EMR 110照射电场增强结构100 以激发与所述多个纳米颗粒106相关联的具有LSP频率ωLSP的LSP模 式116。如上所述，LSP频率ωLSP近似等于EMR 110的激发频率ω。由 纳米颗粒106限定的衍射光栅108还衍射EMR 110并且衍射的EMR具 有与SPP模式114的波矢相一致的波矢。因此，EMR 110激发每一个纳 米颗粒106的LSP模式116和SPP模式114二者。因为LSP模式116 和SPP模式114同相，所以LSP模式116和SPP模式114相长地互相干 涉以生成具有增强的电场的电磁波，所述增强的电场比由LSP模式116 或SPP模式114单独引起的增强的电场的任一个都大。另外，所述增强 的电场可以主要分布在衬底102的表面104的整个区域上。
在图1A-1C中示出的衍射光栅108的设计仅代表本发明的一个实施 例。在本发明的其它实施例中，可以提供多个衍射部件，每一个衍射部 件都包括多个纳米颗粒。例如，图2示出了根据本发明的一个实施例的 电场增强结构200。该电场增强结构200包括在衬底102的表面104上 分布的多个纳米颗粒201以形成衍射光栅202。纳米颗粒201可以由与 在图1A-1C中示出的纳米颗粒106相同的材料形成。衍射光栅202包括 多个彼此周期性地间隔距离D的光栅部件203-206。光栅部件203-206 的每一个都可以包括多个彼此间隔距离a的纳米颗粒201。例如，光栅 部件203包括行207的纳米颗粒201和行208的纳米颗粒201。距离D 可以是大约0.1μm或更多，并且颗粒间的间隔距离a可以是大约1nm到 大约10nm。如之前所描述的那样，衍射光栅202用于衍射入射EMR并 且将一部分衍射的EMR耦合到与表面104相关联的SPP模式。
如上所提到的那样，纳米孔可以被用来代替在图1A-1C和图2中示 出的纳米颗粒106或201，或者与在图1A-1C和图2中示出的纳米颗粒 106或201结合使用。例如，图3A和3B示出了根据本发明的另一个实 施例的电场增强结构300。电场增强结构300包括衬底302，该衬底302 可以由与用于图1A-1C中示出的衬底102的相同的等离体子活性材料形 成。衬底302包括具有周期布置的纳米孔306的表面304，该纳米孔306 可以从表面304延伸到衬底302内的中间深度(即盲孔(blind hole))， 或者完全穿过衬底302的厚度延伸(即通孔)。纳米孔306被示为以具 有晶格参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，纳米孔306的布置可 以呈现出其它的周期布置而不受限制。在使用期间，EMR可以激发由纳 米孔306的配置和间距确定的LSP模式和与表面304相关联的SPP模式， 从而以与在图1A-1C中示出的电场增强结构100相似的方式生成增强的 电场。
电场增强结构100、200和300采用与LSP模式相结合的SPP模式， 以生成增强的电场。在本发明的其它实施例中，可以与在多个纳米特征 中激发的LSP模式相结合地在衬底中激发引导模式(guided mode)，以 生成增强的电场。图4示出了根据本发明的一个实施例的电场增强结构 400，其利用了这样的概念。电场增强结构400包括具有表面404的介 电衬底402。该介电衬底402可以由多种不同的介电材料形成，例如半 导体材料和绝缘材料(例如硅、二氧化硅等等)。多个纳米颗粒406以 周期布置的方式分布在表面404上以形成光栅408。纳米颗粒406可以 由与在图1A-1C中示出的纳米颗粒106相同的材料形成。例如，纳米颗 粒406被示为以具有晶格参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多个纳米颗粒406可以呈现出其它的周期布置而不受限制。邻近表面 404的媒质呈现出比衬底402的折射率nsub小的折射率ns。
衬底402的折射率nsub与邻近表面404的媒质的折射率ns之间的差 使得衬底402能够支持具有模式频率ωGM的引导模式414(即平面模式)。 引导模式414的强度分布被示为叠加在该衬底402上。通过适当地选择 衬底402的折射率nsub与邻近衬底402的表面404的媒质的折射率ns可 以控制介电表面模式114的频率ωGM。如之前关于在图1A-1C中示出的 电场增强结构100所描述的那样，衍射光栅408可以被配置成将从激发 源412发射的具有激发频率ω的入射EMR 410耦合到引导模式414。另 外，选择纳米颗粒406的尺寸、形状、组成和间距，以使得每一个纳米 颗粒406呈现出具有近似等于激发频率ω和介电表面模式频率ωDSW的 LSP频率ωLSP的LSP模式416。因此，在使用期间，入射EMR 410可以 激发与所述多个纳米颗粒406相关联的LSP模式416和引导模式414二 者，它们相长地互相干涉以生成具有增强的电场的电磁场。引导模式414 沿宽度方向在衬底402中延伸，并且引导模式414的强度离开表面404 渐逝地衰减足够的距离，以使得引导模式414可以与LSP模式416相互 作用并且相长地与LSP模式416干涉以生成增强的电场。换句话说，LSP 模式416呈现出相对高损耗和高电场场强，并且与低损耗和低电场场强 的引导模式414相混合，以产生保持LSP模式416的局部高电场特性的 复合(composite)谐振。然而，复合谐振呈现出比LSP模式416低的 总损耗，从而与LSP模式416单独能达到的电场场强相比允许电场场强 达到甚至更高的幅度。尽管引导模式414的能量密度通常比SPP模式的 能量密度低若干数量级，但是传播长度可以是大约1mm到大约10mm。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的电场增强结构500。电场 增强结构500包括具有表面504的衬底502，在该表面504上可以形成 所述多个纳米颗粒406。衬底502包括交替的介电层503和505的周期 栈(periodic stack)。介电层503是具有第一折射率n1的介电材料， 并且介电层505是具有第二折射率n2的介电材料，其中n2不等于n1。代 替支持衬底502内的引导模式，表面504能够支持介电表面模式514(即 平面模式)，该介电表面模式514沿着方向515传播并且沿着衬底502 的宽度方向延伸。介电表面模式514的强度分布被示为叠加在衬底502 上。如所示出的那样，介电表面模式514的强度在远离表面504的方向 上渐逝地衰减。可以通过选择第一折射率n1、第二折射率n2和交替层 的数目来控制介电表面模式514的色散关系。因此，可以通过改变上述 参数(例如n1、n2和交替介电层503和504的数目)来调谐介电表面波 514的模式频率ωDSW，以使得模式频率ωDSW近似等于每一个纳米颗粒 406的LSP频率ωLSP。尽管介电表面模式514的能量密度通常比SPP模 式的能量密度低若干数量级，但是传播长度可以是大约1mm到大约 10mm。
可以通过许多公知的制造技术来形成所述多个纳米颗粒106、201 和406。例如，可以通过将由等离体子活性材料制成的薄膜沉积在衬底 上，并且在足够的温度下对该薄膜退火足够的时间以使等离体子活性材 料凝结来形成纳米颗粒。如果需要，例如在图2所示的衍射光栅202中， 可以使用光刻技术(例如电子束光刻或光刻蚀法)或聚焦离子束研磨来 除去这样形成的纳米颗粒的一部分。对于较大的纳米颗粒或纳米孔尺 寸，可以通过使用纳米压印(nanoimprint)光刻、电子束光刻、聚焦 离子束研磨或另一适当的技术在由等离体子活性材料形成的薄膜或衬 底中直接限定纳米颗粒或纳米孔。
关于图1A-5示出并描述的电场增强结构的任何上述实施例可以用 在许多不同的检测装置中。例如，可以在检测装置中利用所公开的电场 增强结构，以用作传感器和分析仪器(例如片上实验室(lab-on-chip) 或更大的台式分析仪器)。图6示出了根据本发明的一个实施例的检测 装置600的功能框图。检测装置600可以作为拉曼或红外光谱系统来操 作。检测装置600包括电场增强结构602，该电场增强结构602可以被 配置成之前所述的电场增强结构100、200、300、400和500的任何一 个。然而，为了说明的目的，电场增强结构600被描绘成具有支撑多个 被表示为纳米颗粒的纳米特征604的衬底603。在本发明的某些实施例 中，纳米颗粒和/或衬底603可以被涂有功能化的分子(functionalized molecule)以促进特定分析物与纳米颗粒和/或衬底603的接合。检测 装置600还包括激发EMR源606和检测器608。检测装置600还可以包 括定位在激发EMR源606和电场增强结构602之间的各种光学部件610， 以及定位在电场增强结构602和检测器608之间的各种光学部件612。
激发EMR源606可以包括用于以期望的波长/频率发射EMR的任何 适当的源，并且可能能够发射可调波长/频率的EMR。例如，商业上可得 到的半导体激光器、氦-氖激光器、二氧化碳激光器、发光二极管、白 炽灯以及许多其它公知的EMR发射源都可以被用作激发EMR源606。激 发EMR源606发射的EMR可以是任何适当的波长/频率以用于使用拉曼 或红外光谱法对分析物进行分析以及激发所述多个纳米特征604的LSP 模式和衬底603的平面模式。例如，平面模式可以是SPP模式、引导模 式或介电表面模式，这取决于衬底603的配置。例如，激发EMR源606 可以发射具有从大约350nm到大约1000nm的波长范围的EMR。由激发 EMR源606发射的激发EMR可以直接从EMR源606递送到电场增强结构 602。可替换地，在激发EMR撞击到电场增强结构602上之前，可以由 光学部件610执行激发辐射的准直、过滤和随后的聚焦。光学部件610 还可以包括一个或多个偏振板，以便选择性地控制激发EMR的偏振方向。
当检测装置600被用作拉曼光谱系统时，电场增强结构602可以增 强分析物的拉曼信号。换句话说，对所述多个纳米特征604和衬底603 的照射同时激发了所述多个纳米特征604的LSP模式和衬底603的平面 模式，它们相长地互相干涉以生成增强的电场，如上面所描述的那样。 增强的电场可以增加由定位在所述多个纳米特征604和衬底603附近或 邻近其定位的分析物614非弹性散射的光子的数目。
拉曼散射光子可以由光学部件612准直、过滤或聚焦。例如，滤波 器或多个滤波器可以被用作检测器608的结构的部分或者用作被配置成 过滤激发辐射的波长的分离的单元，从而使得检测器608仅接收拉曼散 射光子。检测器608接收并检测拉曼散射光子并且可以包括单色器(或 用于确定拉曼散射光子的波长的任何其它适当的设备)和诸如光电倍增 器之类的用于确定拉曼散射光子的数量(强度)的设备。
为了使用检测装置600执行拉曼光谱法，用户可以提供邻近电场增 强结构602的所述多个纳米特征604的分析物614。用来自激发EMR源 606的激发EMR照射分析物614和电场增强结构602。对于拉曼光谱法， 激发EMR的波长通常在紫外波长范围内。然后检测器608检测由分析物 散射的拉曼散射光子。由电场增强结构602响应于激发EMR生成的增强 电场可以使拉曼散射光子的强度增加大约108-大约1016倍，其能够检测 单个分子或其它非常低浓度的分析物。
检测装置600还可以作为反射吸收红外光谱(“RAIRS”)系统来 操作。在这样的实施例中，电场增强结构602被设计成响应于来自EMR 源600的特定频率的EMR而生成增强的电场。从EMR源600发射的激发 EMR的特定频率通常还可以对应于分析物614的振动模式。在使用期间， 可以在宽的或窄的频率范围内从激发EMR源600发射红外EMR，所述宽 的或窄的频率范围包括对应于分析物612的振动模式的特定频率。入射 的红外EMR照射分析物614和电场增强结构602。对于特定频率的红外 EMR，如上所述，由电场增强结构602生成增强的电场。增强的电场促 进分析物614在该分析物614的振动模式下对IR EMR的吸收。检测器 608检测从电场增强结构602反射的红外EMR，并且在分析物614的振 动模式下可以观察到反射谱中的明显下降(dip)，其指示存在特定类 型的分子。由电场增强结构602生成的增强的电场可以使得在该特定频 率下或该特定频率附近分析物614对红外EMR的吸收增加大约108-大约 1016倍。通过这样的增强的吸收，检测装置600可以能够检测单个分子 或其它非常低浓度的分析物。
图7示出了根据本发明的另一个实施例的检测装置700。该检测装 置700包括电场增强结构702、激发EMR源704和检测器706。电场增 强结构702包括具有表面710的衬底708，在该表面710上形成多个纳 米特征712。例如，在所示出的实施例中，每一个纳米特征712都是由 等离体子活性材料制成的纳米颗粒。然而，所有的或某些纳米特征712 可以是在衬底708的表面710中形成的纳米孔。如同之前所述的电场增 强结构一样，设计所述多个纳米特征712和衬底708，以使得由激发EMR 源704发射的频率ω的EMR 714基本上同时激发每一个纳米特征712 的LSP模式和衬底708的平面模式(例如SPP模式、介电表面模式或引 导模式)。在本发明的某些实施例中，纳米颗粒和/或衬底708的表面 710可以涂有功能化的分子以促进特定分析物与纳米颗粒和/或表面710 的接合。
电场增强结构702还包括第一衍射光栅716，其可以被定位在所述 多个纳米特征712的一侧，并且被配置成将频率ω的EMR 714衍射到 由衬底708支持的平面模式。第二衍射光栅718可以被定位在所述多个 纳米特征712的相对侧，并且被配置成衍射耦合到衬底708的平面模式 的EMR。根据本发明的各种实施例，第一和第二衍射光栅714和716 可以被配置成衍射不同频率的EMR或相同频率的EMR。第一和第二衍 射光栅716和718可以由适当尺寸和配置的颗粒或孔(例如纳米颗粒和 /或纳米孔)的阵列形成。
在本发明的某些实施例中，激发EMR源704可以是激光二极管(例 如垂直腔或边发射激光二极管)，其邻近第一衍射光栅716形成或者安 装在衬底708上。在这样的实施例中，检测器706可以是光电二极管(例 如PIN光电二极管)，其邻近第二衍射光栅718同样形成或者安装在衬 底708上。
在本发明的一个实施例中，检测装置700可以作为拉曼光谱系统来 操作。在这样的实施例中，激发EMR源704以频率ω发射EMR 714。 从第一衍射光栅716将EMR 714衍射为照射位于所述多个纳米特征712 上或其附近的分析物(未示出)并且激发每一个纳米特征712的LSP模 式和衬底708的平面模式以生成增强的电场的射束。如之前关于检测装 置600描述的那样，增强的电场增加从分析物散射的拉曼EMR的量， 并且至少一部分拉曼EMR被耦合到衬底708的平面模式。尽管非弹性 散射的拉曼EMR的频率比EMR 714的频率ω稍微大(反斯托克斯辐射) 或稍微小(斯托克斯辐射)，斯托克斯辐射、反斯托克斯辐射或这二者 的频率扩展通常都落入平面模式的频率扩展中。第二衍射光栅718可以 被配置成优先衍射耦合到平面模式的示为衍射束720的拉曼EMR，衍射 束720可以由检测器706接收。拉曼EMR表示被分析的分析物的化学 组成的特性。可以改进信噪比，因为第二衍射光栅718可以被配置成是 高度选择性的，以仅衍射耦合到平面模式的斯托克斯或反斯托克斯拉曼 EMR。
在本发明的另一个实施例中，检测装置700可以作为红外光谱系统 来操作。在这样的实施例中，激发EMR源704以落入红外频率范围内 的频率ω发射EMR 714。从第一衍射光栅716将EMR 714衍射为照射 位于所述多个纳米特征712上的分析物(未示出)并且激发每一个纳米 特征712的LSP模式和衬底708的平面模式以生成增强的电场的射束。 然而，当存在分析物时，一部分衍射束被分析物吸收，并且一部分衍射 束被耦合到衬底708的平面模式。第二衍射光束718可以被配置成衍射 耦合到平面模式的示为衍射束720的频率ω的EMR，衍射束720可以 由检测器706检测。因此，当操作为红外光谱系统时，第二衍射光栅718 被配置成通常衍射与第一衍射光栅716衍射的EMR相同频率的EMR。 当存在分析物的时候，衍射束720的强度不那么强，因为从第一衍射光 栅716衍射的束的某一部分被分析物(未示出)吸收。因此，与不存在 分析物的情况相比，衍射束720的强度的下降指示存在某种类型的分析 物。
图8示出了根据本发明的又一个实施例的检测装置800。该检测装 置800包括多个检测装置子单元801-820，它们中的每一个都可以被配 置成之前所述的检测装置实施例的任何一个。检测装置子单元801-820 可以被形成在共同衬底上，或者每一个检测装置子单元801-820都可以 是组装到一起的分立单元。每一个检测装置子单元801-820都可以包括 被配置成增强所选的不同频率的入射电场的电场增强结构。因此，每一 个检测装置子单元801-820都可以被用来检测特定类型的分析物。检测 装置800还包括系统控制822，其用于控制检测装置子单元801-820并 且接收由检测装置子单元801-820生成的数据。系统控制822还可以包 括适当的用户界面(未示出)以显示从检测装置子单元801-820生成的 数据并且进一步处理和/或操纵该数据。在本发明的某些实施例中，检测 装置800、一部分检测装置子单元801-820可以被配置成执行拉曼光谱 法，并且一部分检测装置子单元801-820可以被配置成执行红外光谱法。
尽管没有示出，但是可以在所公开的检测装置的电场增强结构的衬 底上或在其中形成微流体通道。此外，可以提供其它公知的微流体部件。 例如，微型泵可以被用来将分析物泵送到电场增强结构的多个纳米特征 上或其附近，以用于分析和/或检测。
为了解释的目的，上述描述使用特定术语提供了对本发明的全面理 解。然而，本领域技术人员显而易见的是为了实施本发明并不需要特定 细节。为了说明和描述的目的，给出了本发明的特定实施例的上述描述。 它们并不打算是本发明的穷尽描述或者将本发明限制到所公开的精确 形式。根据上面的教导，有可能进行许多修改和变化。示出并描述这些 实施例以便最好地解释本发明的原理和其实际应用，由此使得本领域技 术人员能够适于所设想的特定用途地最好地利用本发明以及具有各种 修改的各种实施例。本发明的范围旨在由权利要求书及其等同物限定。
图1A-1C示出了根据本发明的一个实施例的电场增强结构100。电 场增强结构100包括具有表面104的衬底102。可以在该表面104上形 成多个纳米特征，例如纳米颗粒106。每一个纳米颗粒106的代表性尺 寸可以是大约2nm到大约200nm。另外，纳米颗粒106的几何形状可以 背离所示出的几何形状。例如，每一个纳米颗粒106可以是大致球形、 半球形的、圆柱形的或另一适合的几何形状。如此处所使用的那样，术 语“纳米特征”指纳米颗粒或纳米孔。纳米颗粒106以周期布置的方式 分布在表面104上，以形成衍射光栅108。例如，纳米颗粒106被示为 以具有晶格(lattice)参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多个纳米颗粒106可以呈现出其它的周期布置而不受限制。距离d的 代表性范围可以是大约50nm到几微米。
每一个纳米颗粒106都由等离体子活性(plasmon-active)材料形 成，所述等离体子活性材料例如金属、合金或能够在其中激发表面等离 体子的简并掺杂的半导体材料。例如，每一个纳米颗粒106都可以由铜、 金、钯、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的等离体子活性材料 形成。响应于特定频率处的激发EMR，可以在每一个纳米颗粒106中激 发LSP。表面等离体子是固体表面附近的自由电子云的振荡。LSP通常 还被称为电磁表面形状谐振、颗粒等离体子以及缝隙等离体子(gap plasmon)。可以在多个纳米特征(例如纳米颗粒或纳米孔)中激发LSP 的频率或多个频率是表面等离体子被限制到的纳米特征的尺寸和形状、 纳米特征的介电常数以及纳米特征的间距的函数。多个纳米特征(例如 纳米颗粒106)通常呈现出LSP模式的频谱，除了各个纳米颗粒106的 尺寸和形状之外，晶格参数d还可能强烈影响该LSP模式的频谱。因此， 可以通过控制纳米颗粒106的尺寸、形状和间距来调谐EMR可以在每一 个纳米颗粒106中激发LSP模式的频率或多个频率。
衬底102和其表面104由诸如金属、合金或能够在其中激发SPP的 简并掺杂的半导体材料之类的材料形成。例如，衬底102可以由铜、金、 钯、银、前述任何金属的合金、或另一种适当的材料形成。然而，在本 发明的其它实施例中，衬底102可以包括例如由玻璃衬底形成的基底， 以及由沉积在该基底上的任何一种前述等离体子活性材料形成的薄膜。
SPP是一种电磁激发，其中的电磁场沿着具有负介电常数的材料(例 如金属)和具有实的正介电常数的媒质之间的界面传播。作为将光子耦 合到具有负介电常数的材料的表面等离体子的结果生成了SPP。因此， 表面104在至少一EMR频率范围上呈现出实的负介电常数，并且邻近表 面104的媒质(例如空气)在表面104呈现出实的正介电常数的EMR频 率范围中的至少一部分上呈现出实的正介电常数。表面104能够支持沿 着该表面104传播的SPP模式。因为SPP模式限于表面104以及与其直 接邻近的区域，所以相对于用于激发SPP模式的EMR，SPP模式的电场 强度被增强。可以主要通过选择邻近媒质和表面104的介电常数来控制 SPP模式的频率。例如，SPP模式可以传播大约1μm到大约200μm的长 度。
因为自由空间光和SPP模式的色散关系，不能使用自由空间光直接 激发SPP模式。为了在表面104中激发SPP模式，自由空间光的能量和 动量需要与SPP模式的能量和动量相匹配。因此，由所述多个纳米颗粒 106限定的电场增强结构100的衍射光栅108被配置成将由激发源112 发射的具有激发频率ω和激发波长λ的EMR 110耦合到沿着表面104传 播的SPP模式114(即平面模式)。SPP模式114具有近似等于激发频 率ω的SPP频率ωspp。波长λ近似是衍射光栅108的晶格参数d的整数 倍(即n·λ，其中n是整数，λ是EMR 110的波长)。另外，还通过控 制尺寸、形状和组成来配置每一个纳米颗粒106，以使得每一个纳米颗 粒106都呈现出LSP模式116，并且可以使用激发频率ω下的EMR110 来激发，该LSP模式116具有近似等于激发频率ω的LSP频率ωLSP。
在使用期间，具有激发频率ω的EMR 110照射电场增强结构100 以激发与所述多个纳米颗粒106相关联的具有LSP频率ωLSP的LSP模 式116。如上所述，LSP频率ωLSP近似等于EMR 110的激发频率ω。由 纳米颗粒106限定的衍射光栅108还衍射EMR 110并且衍射的EMR具 有与SPP模式114的波矢相一致的波矢。因此，EMR 110激发每一个纳 米颗粒106的LSP模式116和SPP模式114二者。因为LSP模式116 和SPP模式114同相，所以LSP模式116和SPP模式114相长地互相干 涉以生成具有增强的电场的电磁波，所述增强的电场比由LSP模式116 或SPP模式114单独引起的增强的电场的任一个都大。另外，所述增强 的电场可以主要分布在衬底102的表面104的整个区域上。
在图1A-1C中示出的衍射光栅108的设计仅代表本发明的一个实施 例。在本发明的其它实施例中，可以提供多个衍射部件，每一个衍射部 件都包括多个纳米颗粒。例如，图2示出了根据本发明的一个实施例的 电场增强结构200。该电场增强结构200包括在衬底102的表面104上 分布的多个纳米颗粒201以形成衍射光栅202。纳米颗粒201可以由与 在图1A-1C中示出的纳米颗粒106相同的材料形成。衍射光栅202包括 多个彼此周期性地间隔距离D的光栅部件203-206。光栅部件203-206 的每一个都可以包括多个彼此间隔距离a的纳米颗粒201。例如，光栅 部件203包括行207的纳米颗粒201和行208的纳米颗粒201。距离D 可以是大约0.1μm或更多，并且颗粒间的间隔距离a可以是大约1nm到 大约10nm。如之前所描述的那样，衍射光栅202用于衍射入射EMR并 且将一部分衍射的EMR耦合到与表面104相关联的SPP模式。
如上所提到的那样，纳米孔可以被用来代替在图1A-1C和图2中示 出的纳米颗粒106或201，或者与在图1A-1C和图2中示出的纳米颗粒 106或201结合使用。例如，图3A和3B示出了根据本发明的另一个实 施例的电场增强结构300。电场增强结构300包括衬底302，该衬底302 可以由与用于图1A-1C中示出的衬底102的相同的等离体子活性材料形 成。衬底302包括具有周期布置的纳米孔306的表面304，该纳米孔306 可以从表面304延伸到衬底302内的中间深度(即盲孔(blind hole))， 或者完全穿过衬底302的厚度延伸(即通孔)。纳米孔306被示为以具 有晶格参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，纳米孔306的布置可 以呈现出其它的周期布置而不受限制。在使用期间，EMR可以激发由纳 米孔306的配置和间距确定的LSP模式和与表面304相关联的SPP模式， 从而以与在图1A-1C中示出的电场增强结构100相似的方式生成增强的 电场。
电场增强结构100、200和300采用与LSP模式相结合的SPP模式， 以生成增强的电场。在本发明的其它实施例中，可以与在多个纳米特征 中激发的LSP模式相结合地在衬底中激发引导模式(guided mode)，以 生成增强的电场。图4示出了根据本发明的一个实施例的电场增强结构 400，其利用了这样的概念。电场增强结构400包括具有表面404的介 电衬底402。该介电衬底402可以由多种不同的介电材料形成，例如半 导体材料和绝缘材料(例如硅、二氧化硅等等)。多个纳米颗粒406以 周期布置的方式分布在表面404上以形成光栅408。纳米颗粒406可以 由与在图1A-1C中示出的纳米颗粒106相同的材料形成。例如，纳米颗 粒406被示为以具有晶格参数d的方形晶格布置的方式布置。然而，所 述多个纳米颗粒406可以呈现出其它的周期布置而不受限制。邻近表面 404的媒质呈现出比衬底402的折射率nsub小的折射率ns。
衬底402的折射率nsub与邻近表面404的媒质的折射率ns之间的差 使得衬底402能够支持具有模式频率ωGM的引导模式414(即平面模式)。 引导模式414的强度分布被示为叠加在该衬底402上。通过适当地选择 衬底402的折射率nsub与邻近衬底402的表面404的媒质的折射率ns可 以控制介电表面模式114的频率ωGM。如之前关于在图1A-1C中示出的 电场增强结构100所描述的那样，衍射光栅408可以被配置成将从激发 源412发射的具有激发频率ω的入射EMR 410耦合到引导模式414。另 外，选择纳米颗粒406的尺寸、形状、组成和间距，以使得每一个纳米 颗粒406呈现出具有近似等于激发频率ω和介电表面模式频率ωDSW的 LSP频率ωLSP的LSP模式416。因此，在使用期间，入射EMR 410可以 激发与所述多个纳米颗粒406相关联的LSP模式416和引导模式414二 者，它们相长地互相干涉以生成具有增强的电场的电磁场。引导模式414 沿宽度方向在衬底402中延伸，并且引导模式414的强度离开表面404 渐逝地衰减足够的距离，以使得引导模式414可以与LSP模式416相互 作用并且相长地与LSP模式416干涉以生成增强的电场。换句话说，LSP 模式416呈现出相对高损耗和高电场场强，并且与低损耗和低电场场强 的引导模式414相混合，以产生保持LSP模式416的局部高电场特性的 复合(composite)谐振。然而，复合谐振呈现出比LSP模式416低的 总损耗，从而与LSP模式416单独能达到的电场场强相比允许电场场强 达到甚至更高的幅度。尽管引导模式414的能量密度通常比SPP模式的 能量密度低若干数量级，但是传播长度可以是大约1mm到大约10mm。
图5示出了根据本发明的另一个实施例的电场增强结构500。电场 增强结构500包括具有表面504的衬底502，在该表面504上可以形成 所述多个纳米颗粒406。衬底502包括交替的介电层503和505的周期 栈(periodic stack)。介电层503是具有第一折射率n1的介电材料， 并且介电层505是具有第二折射率n2的介电材料，其中n2不等于n1。代 替支持衬底502内的引导模式，表面504能够支持介电表面模式514(即 平面模式)，该介电表面模式514沿着方向515传播并且沿着衬底502 的宽度方向延伸。介电表面模式514的强度分布被示为叠加在衬底502 上。如所示出的那样，介电表面模式514的强度在远离表面504的方向 上渐逝地衰减。可以通过选择第一折射率n1、第二折射率n2和交替层 的数目来控制介电表面模式514的色散关系。因此，可以通过改变上述 参数(例如n1、n2和交替介电层503和504的数目)来调谐介电表面波 514的模式频率ωDSW，以使得模式频率ωDSW近似等于每一个纳米颗粒 406的LSP频率ωLSP。尽管介电表面模式514的能量密度通常比SPP模 式的能量密度低若干数量级，但是传播长度可以是大约1mm到大约 10mm。
可以通过许多公知的制造技术来形成所述多个纳米颗粒106、201 和406。例如，可以通过将由等离体子活性材料制成的薄膜沉积在衬底 上，并且在足够的温度下对该薄膜退火足够的时间以使等离体子活性材 料凝结来形成纳米颗粒。如果需要，例如在图2所示的衍射光栅202中， 可以使用光刻技术(例如电子束光刻或光刻蚀法)或聚焦离子束研磨来 除去这样形成的纳米颗粒的一部分。对于较大的纳米颗粒或纳米孔尺 寸，可以通过使用纳米压印(nanoimprint)光刻、电子束光刻、聚焦 离子束研磨或另一适当的技术在由等离体子活性材料形成的薄膜或衬 底中直接限定纳米颗粒或纳米孔。
关于图1A-5示出并描述的电场增强结构的任何上述实施例可以用 在许多不同的检测装置中。例如，可以在检测装置中利用所公开的电场 增强结构，以用作传感器和分析仪器(例如片上实验室(lab-on-chip) 或更大的台式分析仪器)。图6示出了根据本发明的一个实施例的检测 装置600的功能框图。检测装置600可以作为拉曼或红外光谱系统来操 作。检测装置600包括电场增强结构602，该电场增强结构602可以被 配置成之前所述的电场增强结构100、200、300、400和500的任何一 个。然而，为了说明的目的，电场增强结构600被描绘成具有支撑多个 被表示为纳米颗粒的纳米特征604的衬底603。在本发明的某些实施例 中，纳米颗粒和/或衬底603可以被涂有功能化的分子(functionalized molecule)以促进特定分析物与纳米颗粒和/或衬底603的接合。检测 装置600还包括激发EMR源606和检测器608。检测装置600还可以包 括定位在激发EMR源606和电场增强结构602之间的各种光学部件610， 以及定位在电场增强结构602和检测器608之间的各种光学部件612。
激发EMR源606可以包括用于以期望的波长/频率发射EMR的任何 适当的源，并且可能能够发射可调波长/频率的EMR。例如，商业上可得 到的半导体激光器、氦-氖激光器、二氧化碳激光器、发光二极管、白 炽灯以及许多其它公知的EMR发射源都可以被用作激发EMR源606。激 发EMR源606发射的EMR可以是任何适当的波长/频率以用于使用拉曼 或红外光谱法对分析物进行分析以及激发所述多个纳米特征604的LSP 模式和衬底603的平面模式。例如，平面模式可以是SPP模式、引导模 式或介电表面模式，这取决于衬底603的配置。例如，激发EMR源606 可以发射具有从大约350nm到大约1000nm的波长范围的EMR。由激发 EMR源606发射的激发EMR可以直接从EMR源606递送到电场增强结构 602。可替换地，在激发EMR撞击到电场增强结构602上之前，可以由 光学部件610执行激发辐射的准直、过滤和随后的聚焦。光学部件610 还可以包括一个或多个偏振板，以便选择性地控制激发EMR的偏振方向。
当检测装置600被用作拉曼光谱系统时，电场增强结构602可以增 强分析物的拉曼信号。换句话说，对所述多个纳米特征604和衬底603 的照射同时激发了所述多个纳米特征604的LSP模式和衬底603的平面 模式，它们相长地互相干涉以生成增强的电场，如上面所描述的那样。 增强的电场可以增加由定位在所述多个纳米特征604和衬底603附近或 邻近其定位的分析物614非弹性散射的光子的数目。
拉曼散射光子可以由光学部件612准直、过滤或聚焦。例如，滤波 器或多个滤波器可以被用作检测器608的结构的部分或者用作被配置成 过滤激发辐射的波长的分离的单元，从而使得检测器608仅接收拉曼散 射光子。检测器608接收并检测拉曼散射光子并且可以包括单色器(或 用于确定拉曼散射光子的波长的任何其它适当的设备)和诸如光电倍增 器之类的用于确定拉曼散射光子的数量(强度)的设备。
为了使用检测装置600执行拉曼光谱法，用户可以提供邻近电场增 强结构602的所述多个纳米特征604的分析物614。用来自激发EMR源 606的激发EMR照射分析物614和电场增强结构602。对于拉曼光谱法， 激发EMR的波长通常在紫外波长范围内。然后检测器608检测由分析物 散射的拉曼散射光子。由电场增强结构602响应于激发EMR生成的增强 电场可以使拉曼散射光子的强度增加大约108-大约1016倍，其能够检测 单个分子或其它非常低浓度的分析物。
检测装置600还可以作为反射吸收红外光谱(“RAIRS”)系统来 操作。在这样的实施例中，电场增强结构602被设计成响应于来自EMR 源600的特定频率的EMR而生成增强的电场。从EMR源600发射的激发 EMR的特定频率通常还可以对应于分析物614的振动模式。在使用期间， 可以在宽的或窄的频率范围内从激发EMR源600发射红外EMR，所述宽 的或窄的频率范围包括对应于分析物612的振动模式的特定频率。入射 的红外EMR照射分析物614和电场增强结构602。对于特定频率的红外 EMR，如上所述，由电场增强结构602生成增强的电场。增强的电场促 进分析物614在该分析物614的振动模式下对IR EMR的吸收。检测器 608检测从电场增强结构602反射的红外EMR，并且在分析物614的振 动模式下可以观察到反射谱中的明显下降(dip)，其指示存在特定类 型的分子。由电场增强结构602生成的增强的电场可以使得在该特定频 率下或该特定频率附近分析物614对红外EMR的吸收增加大约108-大约 1016倍。通过这样的增强的吸收，检测装置600可以能够检测单个分子 或其它非常低浓度的分析物。
图7示出了根据本发明的另一个实施例的检测装置700。该检测装 置700包括电场增强结构702、激发EMR源704和检测器706。电场增 强结构702包括具有表面710的衬底708，在该表面710上形成多个纳 米特征712。例如，在所示出的实施例中，每一个纳米特征712都是由 等离体子活性材料制成的纳米颗粒。然而，所有的或某些纳米特征712 可以是在衬底708的表面710中形成的纳米孔。如同之前所述的电场增 强结构一样，设计所述多个纳米特征712和衬底708，以使得由激发EMR 源704发射的频率ω的EMR 714基本上同时激发每一个纳米特征712 的LSP模式和衬底708的平面模式(例如SPP模式、介电表面模式或引 导模式)。在本发明的某些实施例中，纳米颗粒和/或衬底708的表面 710可以涂有功能化的分子以促进特定分析物与纳米颗粒和/或表面710 的接合。
电场增强结构702还包括第一衍射光栅716，其可以被定位在所述 多个纳米特征712的一侧，并且被配置成将频率ω的EMR 714衍射到 由衬底708支持的平面模式。第二衍射光栅718可以被定位在所述多个 纳米特征712的相对侧，并且被配置成衍射耦合到衬底708的平面模式 的EMR。根据本发明的各种实施例，第一和第二衍射光栅714和716 可以被配置成衍射不同频率的EMR或相同频率的EMR。第一和第二衍 射光栅716和718可以由适当尺寸和配置的颗粒或孔(例如纳米颗粒和 /或纳米孔)的阵列形成。
在本发明的某些实施例中，激发EMR源704可以是激光二极管(例 如垂直腔或边发射激光二极管)，其邻近第一衍射光栅716形成或者安 装在衬底708上。在这样的实施例中，检测器706可以是光电二极管(例 如PIN光电二极管)，其邻近第二衍射光栅718同样形成或者安装在衬 底708上。
在本发明的一个实施例中，检测装置700可以作为拉曼光谱系统来 操作。在这样的实施例中，激发EMR源704以频率ω发射EMR 714。 从第一衍射光栅716将EMR 714衍射为照射位于所述多个纳米特征712 上或其附近的分析物(未示出)并且激发每一个纳米特征712的LSP模 式和衬底708的平面模式以生成增强的电场的射束。如之前关于检测装 置600描述的那样，增强的电场增加从分析物散射的拉曼EMR的量， 并且至少一部分拉曼EMR被耦合到衬底708的平面模式。尽管非弹性 散射的拉曼EMR的频率比EMR 714的频率ω稍微大(反斯托克斯辐射) 或稍微小(斯托克斯辐射)，斯托克斯辐射、反斯托克斯辐射或这二者 的频率扩展通常都落入平面模式的频率扩展中。第二衍射光栅718可以 被配置成优先衍射耦合到平面模式的示为衍射束720的拉曼EMR，衍射 束720可以由检测器706接收。拉曼EMR表示被分析的分析物的化学 组成的特性。可以改进信噪比，因为第二衍射光栅718可以被配置成是 高度选择性的，以仅衍射耦合到平面模式的斯托克斯或反斯托克斯拉曼 EMR。
在本发明的另一个实施例中，检测装置700可以作为红外光谱系统 来操作。在这样的实施例中，激发EMR源704以落入红外频率范围内 的频率ω发射EMR 714。从第一衍射光栅716将EMR 714衍射为照射 位于所述多个纳米特征712上的分析物(未示出)并且激发每一个纳米 特征712的LSP模式和衬底708的平面模式以生成增强的电场的射束。 然而，当存在分析物时，一部分衍射束被分析物吸收，并且一部分衍射 束被耦合到衬底708的平面模式。第二衍射光束718可以被配置成衍射 耦合到平面模式的示为衍射束720的频率ω的EMR，衍射束720可以 由检测器706检测。因此，当操作为红外光谱系统时，第二衍射光栅718 被配置成通常衍射与第一衍射光栅716衍射的EMR相同频率的EMR。 当存在分析物的时候，衍射束720的强度不那么强，因为从第一衍射光 栅716衍射的束的某一部分被分析物(未示出)吸收。因此，与不存在 分析物的情况相比，衍射束720的强度的下降指示存在某种类型的分析 物。
图8示出了根据本发明的又一个实施例的检测装置800。该检测装 置800包括多个检测装置子单元801-820，它们中的每一个都可以被配 置成之前所述的检测装置实施例的任何一个。检测装置子单元801-820 可以被形成在共同衬底上，或者每一个检测装置子单元801-820都可以 是组装到一起的分立单元。每一个检测装置子单元801-820都可以包括 被配置成增强所选的不同频率的入射电场的电场增强结构。因此，每一 个检测装置子单元801-820都可以被用来检测特定类型的分析物。检测 装置800还包括系统控制822，其用于控制检测装置子单元801-820并 且接收由检测装置子单元801-820生成的数据。系统控制822还可以包 括适当的用户界面(未示出)以显示从检测装置子单元801-820生成的 数据并且进一步处理和/或操纵该数据。在本发明的某些实施例中，检测 装置800、一部分检测装置子单元801-820可以被配置成执行拉曼光谱 法，并且一部分检测装置子单元801-820可以被配置成执行红外光谱法。
尽管没有示出，但是可以在所公开的检测装置的电场增强结构的衬 底上或在其中形成微流体通道。此外，可以提供其它公知的微流体部件。 例如，微型泵可以被用来将分析物泵送到电场增强结构的多个纳米特征 上或其附近，以用于分析和/或检测。
为了解释的目的，上述描述使用特定术语提供了对本发明的全面理 解。然而，本领域技术人员显而易见的是为了实施本发明并不需要特定 细节。为了说明和描述的目的，给出了本发明的特定实施例的上述描述。 它们并不打算是本发明的穷尽描述或者将本发明限制到所公开的精确 形式。根据上面的教导，有可能进行许多修改和变化。示出并描述这些 实施例以便最好地解释本发明的原理和其实际应用，由此使得本领域技 术人员能够适于所设想的特定用途地最好地利用本发明以及具有各种 修改的各种实施例。本发明的范围旨在由权利要求书及其等同物限定。