基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法

摘要

本发明的基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法属于光谱分析与检测的技术领域。使用具有周期性微结构的表面增强拉曼散射基底，周期尺寸范围在0.05～50微米范围；先用P偏振的与激发拉曼所用波长相同的激光在不同角度下入射到吸附了样品的基底上，测量基底的激光反射率，低反射率对应的入射角为基底在激发拉曼波长下的表面等离子体入射共振角；再在吸附了样品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振角方向上接收拉曼信号。本发明可以更加有效的激发表面等离子体，使SERS信号在共振角度下集中发射，从而提高信号的能量密度，进而提高光信号的收集效率。

权利要求

1.一种基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法，使用具有周期性微结构的表面增强拉曼散射基底，周期尺寸范围在0.05～50微米范围；

首先，用基底的变角反射光谱确定表面等离子体入射共振角：用P偏振的与激发拉曼所用波长相同的激光在不同角度下入射到吸附了样品的基底上，测量激光反射率，低反射率对应的入射角为基底在激发拉曼波长下的表面等离子体入射共振角；或者用宽谱带的白光在不同角度下入射到吸附了样品的基底上，测量白光反射率，选取激发拉曼所用波长作图，确定低反射率的角度为基底在激发拉曼波长下的表面等离子体入射共振角；

其次，在吸附了样品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振角方向上接收拉曼信号。

2.按照权利要求1所述的基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法，其特征是，所述的具有周期性微结构的表面增强拉曼散射基底，是金属条带光栅结构、金属环状结构、金属点阵结构或聚苯乙烯微球有序排列的镀有金属的阵列结构。

3.按照权利要求1或2所述的基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法，其特征是，所述的接收拉曼信号，采用可变接收角度的检测器，检测镜头(7)与激发镜头(6)是分开的。

说明书

基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法

技术领域

[0001] 本发明与光谱的分析检测技术有关，特别涉及一种能够利用干涉和衍射方式激发和检测表面增强拉曼光谱的技术，进而提高表面增强拉曼散射信号的光谱检测质量、提高分析检测的灵敏度。

背景技术

[0002] 表面增强拉曼散射效应(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)是指样4 10
品拉曼信号在金属纳米结构与材料上可获得达10 ～10 的增强。表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)技术发展到今天经历多个阶段。人们对产生SERS的机理进行了不断的探讨和争论，先后提出了多种理论模型，但从总体上可分为物理增强模型和化学增强模型。目前，被人们接受的物理增强模型之一是表面等离子体共振(surface-plasmon resonance；SPR)模型。良导体表面有自由活动的电子可以形象地看作电子气，电子气的集体激发称作等离子体。如果激发只局限在表面区域，就叫做表面等离激子。光与表面等离子体耦合并发生共振，从而使金属表面的电场增强。当探针分子位于局域增强的电场下，分子就会被SPR激发出超强的拉曼散射。通常用于增强拉曼的基底有：
电化学活化电极、金属溶胶、真空蒸镀的金属岛膜、金属纳米粒子二维组装膜等。但是这些方法制备的SERS基底通常均为无序结构。利用这些基底进行SERS检测时，其激发的方式仅仅匹配了激发光波长，在激发和信号收集的方向上没有进一步匹配。

[0003] 根据有关SPR的众多报道，能实现SPR需要入射光的能量和动量与表面等离子体激元的能量和动量相匹配。将光波与表面等离子体子耦合并使其发生共振，必须使用耦合器件。按其结构可分为棱镜耦合、光栅耦合、光波导耦合、近场耦合。关于棱镜型的耦合方式激发SERS的专利为“表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪”ZL200510016622.4，发明人：徐蔚青，赵冰，徐抒平，卜凤泉，徐翔。而光波导型耦合型的专利为“表面增强拉曼散射活性液芯光纤及其制作方法和应用”，专利号：03111550.0，发明人：徐蔚青，赵冰，徐抒平；“基于纳米颗粒表面增强拉曼谱的光子晶体光纤微探针传感器，申请号：200610008177.1，发明人：杨昌喜，顾向光，陆思，闫贺，刘洁，金国藩。利用近场耦合激发SERS的主要为厦门大学田中群和任斌进行的针尖增强拉曼散射光谱(Tip-enhanced Raman scattering；TERS)。国内公布的专利中没有关于光栅耦合型SPR激发SERS的专利。

[0004] 从已经公开的资料看，有两个研究组已经开始了一些与SERS基底相关的工作，“大面积微纳树状结构阵列的表面增强拉曼活性基底的制备方法”(申请号200810100562.8)以及“有序可控的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法”(申请号：200910026881.3)。虽然这两个专利申请中均提到了利用微纳加工工艺制备有序的阵列结构，但其结构分别为树状阵列和梅花状排列，并且拉曼光谱检测是使入射光垂直基底进行的。本发明正是立足于金属周期阵列结构的干涉现象，使得入射光及发射光与表面等离子体的波矢得以匹配，从而获得定向的高效耦合效率，提高SERS信号强度和检测灵敏度，是基于干涉型SPR增强SERS的一种新型激发和检测方式。

发明内容

[0005] 本发明要解决的技术问题是，提供了一种利用干涉和衍射现象激发和检测表面增强拉曼的方法。在周期性基底的表面等离子体共振角度下激发样品的表面增强拉曼光谱，提高信号的强度；并且由于周期性基底的表面等离子体特性，所发出的表面增强拉曼信号在空间上向其共振角度集中，从而提高信号的能量密度，进而提高光信号的收集效率。

[0006] 具体技术方案：

[0007] 1、制备一维、二维或三维周期性微纳结构，尺寸范围在微米或亚微米范围。制备的周期性微结构金属层的方法为微加工技术，包括模板法(例如以不同尺度的多孔氧化铝模板、多孔硅模板、以及胶体晶体等为模板)、压印技术、电子束曝光技术、金属剥离技术、干法刻蚀技术等。

[0008] 2、在该一维、二维或三维周期性结构用物理或化学的方法修饰金属材料的膜层或是金属或者半导体材料等纳米粒子，制备表面增强拉曼散射的基底。金属指金、银、铜、铝等贵金属或过渡金属。

[0009] 3、测量所述基底的变角反射光谱，确定其表面等离子体入射共振角。可以采用的方法一：用P偏振的与激发拉曼所用波长相同的激光在不同角度下入射到基底上，测量其反射率，反射率低的角度为此基底在该波长下的表面等离子体入射共振角。方法二：用宽谱带的白光在不同角度下入射到基底上，测量其反射率，选取激发拉曼所用波长作图，确定反射率低的角度，即为此基底在该波长下的表面等离子体入射共振角。

[0010] 4、用P偏振的激光在基底的入射共振角度下入射。此时可以有效地激发表面等离子体波，表面等离子体波增强的电磁场会极大的提高表面增强拉曼信号的强度。

[0011] 5、在基底的反射共振角度附近接收拉曼信号，反射共振角度与入射共振角大致相同。由于表面等离子体波会耦合成远场光并向共振角度下集中，提高了了信号的能量密度，因此提高了表面增强拉曼的收集效率。

[0012] 6、表面增强拉曼散射光谱质量被有效提升。

[0013] 上述的入射共振角是激发光反射率极小值时激发光与基底的法线之间的夹角。反射共振角是检测拉曼光对应波长反射率极小值时检测信号方向与基底的法线之间的夹角，反射共振角大致与入射共振角相等。

[0014] 本发明的具体检测过程叙述如下。

[0015] 一种基于干涉和衍射激励的表面增强拉曼光谱检测方法，使用具有周期性微结构的表面增强拉曼散射基底，周期尺寸范围在微米或亚微米，最好在0.05～50微米范围；

[0016] 首先，用基底的变角反射光谱确定表面等离子体入射共振角：用P偏振的与激发拉曼所用波长相同的激光在不同角度下入射到吸附了样品的基底上，测量激光反射率，低反射率对应的入射角为基底在激发拉曼波长下的表面等离子体入射共振角；或者用宽谱带的白光在不同角度下入射到吸附了样品的基底上，测量白光反射率，选取激发拉曼所用波长作图，确定低反射率的角度为基底在激发拉曼波长下的表面等离子体入射共振角；

[0017] 其次，在吸附了样品的基底上，用P偏振的激光在入射共振角下入射，在反射共振角方向上接收拉曼信号。

[0018] 所述的具有周期性微结构的表面增强拉曼散射基底，是金属条带光栅结构、金属环状结构、金属点阵结构或聚苯乙烯微球有序排列的镀有金属的阵列结构。

[0019] 本发明的有益效果：

[0020] 本发明是一种新的表面增强拉曼光谱的激发和检测方式，是利用了光的干涉和衍射现象使得入射光及发射光与基底的表面等离子体的波矢相匹配，从而更加有效的激发和检测表面增强拉曼光谱的方式。

[0021] 与已有的在无序基底上激励SERS的方式相比，这种可控周期的阵列金属结构在共振角度下可以更加有效的激发表面等离子体，提高SERS信号的发射强度，并且使SERS信号在共振角度下集中发射，又提高了信号的收集效率，总体效果使得SERS光谱质量被有效提高。

附图说明

[0022] 图1是本发明的几种干涉型激发SERS的周期性金属阵列结构基底示意图。

[0023] 图2是本发明设计的干涉型激发和检测SERS的装置示意图。

[0024] 图3是本发明的聚苯乙烯微球有序排列的二维阵列结构的扫描电镜照片。

[0025] 图4是本发明聚苯乙烯微球的表面蒸镀金属前后对比的原子力显微镜照片。

[0026] 图5是本发明金属条带光栅结构基底的光学照片。

[0027] 图6是镀银光栅结构基底在785nm波长下不同角度入射的反射率曲线。

[0028] 图7是罗丹明6G分子在镀银光栅结构基底上不同收集角度下的SERS光谱。

[0029] 图8是本发明的镀银光栅结构基底在532nm波长下不同角度入射的反射率曲线。

[0030] 图9是以镀银光栅结构为基底，用532nm激光激发，在66度角下接收，分别在45度角和65度角下激发的对巯基苯胺表面增强拉曼光谱。

[0031] 图10是本发明的镀银膜的聚苯乙烯微球单层膜基底在532nn波长下的反射率曲线。

[0032] 图11是以镀银膜的聚苯乙烯微球单层膜为基底，用532nm激光激发，在30度下激发，分别在30和70度下接收的对巯基苯胺表面增强拉曼光谱

具体实施方式

[0033] 下面结合附图及具体实例对利用干涉和衍射激发的表面增强拉曼光谱技术进行说明。

[0034] 实施例1结合附图说明本发明的各种基底实施表面增强拉曼光谱的检测[0035] 具体实施方式包括以下步骤：

[0036] 1、制备一维、二维或三维周期性微纳结构，尺寸范围在微米或亚微米范围。制备的周期性微结构金属层的方法为微加工技术，包括模板法(例如以不同尺度的多孔氧化铝模板、多孔硅模板、以及胶体晶体等为模板)、压印技术、电子束曝光技术、金属剥离技术、干法刻蚀技术等。构筑如图1所示的具有周期性的环状结构(a)、微纳米的条带光栅结构(b)或是点阵结构(c)。其中的点阵结构中的各个点可以是方形、三角形或圆形的。

[0037] 2、在周期性微结构上修饰金属(1)膜或者是其他纳米结构，例如图3所示的聚苯乙烯微球有序二维阵列上蒸镀银膜，其效果如图4所示，得到周期性的金属基底。与蒸镀银膜前比较，周期性结构并未改变。然后将被检测物质，即样品(4)，通过物理作用或是化学作用吸附在基底金属(1)的表面。

[0038] 3、测量上述基底的变角反射光谱，确定其表面等离子体共振角。可以采用的方法一：用P偏振的与激发拉曼所用波长相同的激光在不同角度下入射到基底上，测量其反射率，反射率低的角度为此基底在该波长下的表面等离子体入射共振角。方法二：用P偏振的宽谱带的白光在不同角度下入射到基底上，测量其反射率，选取激发拉曼所用波长作图，确定反射率低的角度，即为此基底在该波长下的表面等离子体入射共振角。

[0039] 4、采用具有P偏振的激光在基底的入射共振角度下入射，在基底的反射共振角度附近接收拉曼信号，具体方法有两种，如图2所示。图2中方法一：用P偏振的激光(3)在步骤3所确定的入射共振角度下激发基底(2)上的样品(4)的表面增强拉曼信号，检测镜头(7)与激发镜头(6)并用同一个镜头收集表面增强拉曼信号(5)。此方法适用于一般情况，当镜头的数值孔径很小且所需采集的拉曼光谱频移很大时将不适用。图2中方法二：激发同方法一，接收采用一个可变接收角度的检测器(6)，在共振角度附近接收(不同于方法一，是在法线的另一侧接收)。由于检测角度可变，因此当方法一不适用时情况此方法同样适用，即检测镜头(7)与激发镜头(6)是分开的。

[0040] 实施例2使用金属条带结构基底对罗丹明6G分子进行表面增强拉曼光谱检测[0041] 1、用光刻或者纳米压印技术在金属或非金属基片上制备了周期为1.5微米深度为150纳米的周期性条带结构。

[0042] 2、在此周期性条带结构上蒸镀150nm厚的银膜，制作成SERS基底。镀膜后仍然具-4有较好的周期光栅结构，其光学照片如图5所示。然后将罗丹明6G分子溶液(10 M)滴在周期性基底上，晾干待用。

[0043] 3、测量吸附了样品的基底的P偏振的785nm激光在不同角度下的反射率，如图6。反射率最低点即曲线的极小值点对应的角度34度角为SPR入射共振角。

[0044] 4、采用图2二中方法二测得其变角拉曼光谱。检测器的数值孔径(NA)很小约0.05，测定时使用785nm激光激发拉曼信号，激发功率为25mW，激发角(入射共振角)为34度，收集角度(反射共振角附近)为36度和(非反射共振角)48度。图7为这两个收集角度下的表面增强拉曼光谱，可见，不同收集角度的表面增强拉曼光谱存在一定的差异，在反射共振角度附近光谱强度优于非反射共振角。

[0045] 实施例3使用金属条带结构基底对对巯基苯胺进行表面增强拉曼光谱检测[0046] 1、用光刻或者纳米压印技术制备了周期为1.5微米深度为150纳米的周期性金属条带结构。

[0047] 2、在此周期性条带结构上蒸镀150nm厚的银膜，制作成SERS基底。镀膜后仍然具-3有较好的周期光栅结构，其光学照片如图5所示。然后将此基底浸泡在10 M的对巯基苯胺溶液中30分钟，冲洗晾干待用。

[0048] 3、测量此吸附了样品的基底在不同入射角度下的P偏振的宽谱带白光的反射率，并选择532nm波长作图，得到图8，可以看出其入射共振角在19度、39度和66度附近。

[0049] 4、用P偏振的532nm激光激发基底上样品的拉曼光谱。分别在45度(非入射共振角)和65度(入射共振角)下激发，在66度角下接收其表面增强拉曼信号，得到图9。从图9中可以明显看出在入射共振角度下激发的光谱质量优于非入射共振角。

[0050] 实施例4使用聚苯乙烯微球基底对巯基苯胺进行表面增强拉曼光谱检测[0051] 1、用LB膜法制备聚苯乙烯微球单层膜(如图3)，蒸镀150nm厚的银膜(如图4)，制成SERS基底。

[0052] 2、将上述基底浸泡在10-3M的对巯基苯胺溶液中30分钟，冲洗晾干待用。

[0053] 3、测量此吸附了样品的基底在不同角度下的P偏振的宽谱带白光的反射率，并选择532nm波长作图，得到图10，可以看出其入射共振角在30度附近。

[0054] 4、用P偏振的532nm激光激发基底上的样品的拉曼光谱。分别在30度(反射共振角)和70度(非反射共振角)下接收，在30度角下激发其表面增强拉曼信号，得到图11，从图11中可以明显看出在反射共振角度下接收的光谱质量优于非反射共振角。