[发明专利]表面增强拉曼散射的装置和方法

说明书

发明领域

本发明涉及用于检测分子、特别是生物分子的表面增强拉曼散射（SERS）。

背景技术

表面增强拉曼散射（SERS）是用于检测特定分子的灵敏的分析技术。在SERS方法中，标准的拉曼散射是通过诸如金、银和铜的金属的粗糙表面来增强。具体地，几十纳米量级的纳米量级粗糙度（10nm-100nm之间的均方根粗糙度）具有最显著的增强作用。为此目的，有许多制备具有纳米量级粗糙度的基底的方法。最广泛使用的纳米量级表面是胶体纳米颗粒的纳米量级表面。例如，参见Martin Maskovits,Surface-enhanced spectroscopy,Rev.Mod.Phys,1985年,第57卷,第3期,第783页;以及Kneipp等人,Ultrasensitive chemical analysis by Raman spectroscopy,Chem.Rev.1999年,第99卷,第2957页。一种方便的方式是将尺寸介于5nm-200nm之间的胶体Au或Ag或Cu纳米颗粒沉积到诸如玻璃或硅的惰性基底上。也可以用物理气相沉积来沉积具有岛状（islanding）形态的金属薄膜，所述金属薄膜呈现出适用于SERS的粗糙度。例如，参见Gupta等人，Preparation and characterization of surface plasmon resonance tunable gold and silver films,J.Appl.Phys.，2002年，第92卷，第5264页。这些SERS活性表面往往含有紧密堆垛的纳米量级特征体，如纳米颗粒的分形聚集体，其特征在于强烈增强拉曼散射的小的间隙和孔（有时被称为“热点”的效果）。例如，参见Tsai 等人，Photon scanning tunneling microscopy image of optical excitations of fractal metal colloid clusters,Phys.Rev.Lett.，1994年，第72卷，第4149页。作为替代，惰性基底（例如硅）的表面可先被粗糙化以满足粗糙度要求。随后涂覆贵金属的薄层来使表面具有SERS活性。例如，在粗糙化硅表面中使用脉冲激光烧蚀，通过将贵金属的薄层蒸镀到激光粗糙化的硅表面上来产生SERS基底。例如，参见Diebold等人，Femtosecond laser-nanostructured substrates for surface-enhanced Raman scattering,Langmuir，2009，第25卷，第1790页。制备SERS基底的另一种技术是以精密光刻技术来加工基底表面。例如，参见Yan等人，Engineered SERS substrates with multiscale signal enhancement:nanoparticle cluster arrays,ACS Nano，2009年，第3卷，第5期，第1190页。提供预先设计的纳米量级的尖锐突起或间隙，以改进SERS测量的可重复性。

值得注意的是，与SERS基底相关的实际困难来自于污染。大多数SERS基底在使用前长时间暴露于空气。由于其非常高的比表面积，基底表面可有效地从环境中捕获烃类污染物，在金属表面上形成有机物的分子薄层，从而在对分析物进行测量时降低其作为SERS基底的有效性。

对SERS信号的有效收集是SERS应用中经常遇到的另一个困难。即使对各种纳米量级特征体进行强烈增强，SERS信号仍然通常弱。由于所考察的许多材料（尤其是生物材料）的低损伤阈值，因此简单增加激发能量具有有限的作用。此外，由于SERS的随机散射特性，SERS信号以任意方向发射。为了收集足够量的SERS信号，需要具有高数值孔径的显微镜物镜，这通常限制了工作距离和采样体积（sampling volume）。事实上，信号收集的低效率在大多数拉曼相关的应用（除受激拉曼发射之外）中是普遍的问题。已经有许多尝试来基于各种光学操作改进信号收集的效率。例如，对于标准的拉曼光谱，引入了光学限制（optical confinement），其中样品被放置在诸如光学积分球的反射腔中。例如，美国专利US6975891，US4645340，US4127329和US5506678都教导了将光学积分应用于标准拉曼光谱法的各种构造，例如分别利用积分腔、球、多重镜子、和管。然而，这些系统不仅麻烦，而且不适合于SERS，因为腔表面仅用于光学反射。