[发明专利]基于石墨烯与纳米金复合的表面拉曼及红外光谱双增强探测方法

说明书

基于石墨烯与纳米金复合的表面拉曼及红外光谱双增强探测方法，包括光源、透镜、石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底、红外傅里叶光谱仪以及拉曼光谱仪。红外光源和激光光源分别发出的红外光波和可见光波经合束镜后照射到石墨烯纳米带与纳米金颗粒复合基底上，光波与基底上吸附的痕量分子相互作用后，反射光经聚焦透镜汇聚进入红外傅里叶光谱仪，同时散射光被汇聚进入拉曼光谱仪。纳米金颗粒的局域表面等离子体效应能增强痕量分子的拉曼散射信号，同时石墨烯表面等离子体效应可以在宽波段范围内动态增强痕量分子的红外吸收光谱信号。本发明在同一基底上实现表面拉曼及宽波段红外光谱信号的双增强，具有增强波段宽，探测灵敏度高，探测物质种类范围广，稳定性好等优点。

技术领域

本发明涉及表面增强光谱技术领域，尤其涉及一种同时实现表面拉曼光谱及表面红外吸收光谱双增强的探测方法及装置。

背景技术

单层分子检测技术指的是检测灵敏度达到分子水平的一系列高灵敏检测技术，可应用于食品安全、环境监测、化学分析和生物医疗等关系国民经济命脉的重要领域。增强型分子光谱检测技术是近年来在单层分子检测技术发展进程中衍生的一种热门及关键技术。在该技术中，激发金属表面等离子体波是实现增强光波与分子相互作用并放大被测分子特征吸收光谱信号的基本思路。

根据被测分子的种类及活性不同，目前主要有两种主要检测方法：表面增强拉曼技术(SERS)和表面增强红外技术(SEIRS)。表面增强拉曼技术主要通过探测分子极化率变化，获取C-C、C-H、S-C等分子键的振动信息；而表面增强红外技术主要是通过探测分子偶极矩变化，获取C＝C、O-H、S＝C等分子键的振动信息。在上述两种技术中，任一种技术在分子识别种类及范围方面都存在一定的局限性。因此，在实际应用中，研究人员将这两种互补的技术结合起来，提出了一种更加全面及有效的分子检测技术，即表面拉曼及红外光谱双增强技术。这一新技术结合了前面两种技术的优势，可以在同一基底上实现对分子的表面拉曼光谱信号和表面红外光谱信号双增强，从而为未知分子的高灵敏探测提供了一种崭新的分析手段及工具。

在同一基底上实现表面拉曼及红外光谱双增强的关键在于金属纳米结构的设计。该纳米结构需要能在可见光和红外两个波段对入射光进行强束缚，并在分子周围产生具有高强度的局域电磁场模式，以提高分子振动及吸收信号，从而实现对痕量分子的探测。金属纳米结构的设计主要包括两种方法：一是金属纳米粒子型，一是金属纳米天线型。金属纳米粒子型又包括纳米球壳阵列、金纳米粒子岛膜、自组装纳米粒子溶胶、银纳米线和粗糙铜膜表面等。这类纳米结构可以在可见及红外波段产生很宽的表面等离子体吸收峰，从而实现表面拉曼和表面红外光谱信号的双增强。例如：Naomi J.Halas提出了金纳米球壳阵列结构。单个球壳结构在可见光有一个窄带吸收峰，同时球壳阵列间的避雷针效应，使得该结构在红外波段有一个宽带吸收峰。测得该结构在可见光波段对拉曼光谱的增强效果能够达到10⁸～10⁹倍，在红外波段的增强效果能够达到的10²～10⁴倍。然而，这类纳米结构产生的谐振峰的半宽度非常大，无法在红外波段形成尖锐的谐振峰，而且难以通过结构设计对谐振峰的位置及形状进行控制。

金属纳米天线型技术是随纳米加工技术不断突破而产生的一种新的技术。该技术通过