[发明专利]一种基于石墨烯纳米天线的红外光谱增强及探测方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及红外光谱技术领域，尤其涉及一种拓展表面增强红外吸收光谱探测波段及提高检测灵敏度的方法及装置。

背景技术

红外光谱技术是一种直接探测由分子振动模式变化来揭示分子振动机理及其功能，实现对物质进行特征识别及定量分析的技术及方法。该技术具有高度的“指纹”特征性，无需样品标记，响应速度快，仪器普及率最高，光谱图库最齐全等优点，是确定分子组成、构象和结构变化信息的强力工具和不可或缺的手段，已广泛应用于环境监测、食品安全检测、化学组成分析、爆炸物检测和生物医疗等关系国计民生及国民经济命脉的重要领域。然而，受红外光谱仪器性能的限制，传统红外光谱技术仅能对微量物质进行定性定量检测，当检测对象由微量物质向痕量分子甚至是单分子演化的过程中，红外光波与分子之间的相互作用变得极其微弱，使得采用传统红外光谱技术对薄层或痕量分子检测时遇到了前所未有的严峻挑战。

面对这一挑战，快速发展起来的表面增强红外吸收光谱技术（Surface-EnhancedInfrared Absorption）显著增强了被测分子的红外光谱吸收特征，使分子光谱的灵敏度和准确性大幅度提高，已逐渐成为探测痕量和单层分子特征、表征精细分子结构有效的测试分析工具，在超高灵敏度痕量物质及分子分析领域具有极其广泛的应用前景。基于国内外研究现状检索，该技术主要包括以下几类：

一是采用金属纳米岛膜的红外光谱增强方法。红外光谱增强的基本原理是：当分子吸附在纳米金属岛状颗粒的表面时，通过在红外波段激发金属纳米岛膜的表面等离子体谐振，使表面局域电场产生极大增强，从而增大表面吸附分子的信号，其红外吸收是普遍测量条件下没有金属纳米颗粒存在的10～1000倍。例如，2002年，osawa等发明的化学镀方法成功实现了在硅上沉积金薄膜，该方法简单易行而且化学镀比真空蒸镀制得金属膜与基底结合更牢固并且实现了芳香小分子、CO分子、有机小分子的红外光谱增强。2003年，Akata等开创性地将SEIRAS应用到蛋白质结构和功能的研究中，观察到了常规红外技术无法观察到的分子精细结构。2005年，李巧霞等通过在ATR红外窗口Si柱反射面上的化学镀Au膜上再沉积一层厚的Cd薄膜，成功获得了Pt、Pd、Ru和Ni电极上的SEIRAS，并在1599、1484、1068cm^-1观察到了吸附Py分子的特征吸收峰。2013年，王倩等采用水热法制备了一种银纳米颗粒表面增强红外基底，用于检测低浓度福美双农药。结果表明，该增强基底可检测低至10^-7mol/L的福美双农药，对福美双分子的红外光谱增强能力高达150倍。2013年，朱伟成等用化学沉积银镜法、溶胶法和电镀法在玻璃基底沉积Ag粒子岛膜，观察到了Ag/Glass基底上邻硝基苯胺的红外光谱增强信号。尽管该方法在电化学分析领域中取得了显著的成绩，为电化学的发展带来了新的机遇。然而，该方法尚存在增强因子有限，重复性还有待提高的缺陷。