[发明专利]一种基于金属二聚体近场耦合波导模式的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和工作方式

说明书

一种基于金属二聚体近场耦合波导模式的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和工作方式，属于表面增强拉曼散射(SERS)技术领域。该SERS芯片为金属二聚体复合非对称平面介质波导的结构。用阳极氧化铝(AAO)为模板，通过两次方向相反的斜蒸镀，在波导表面获得具有与AAO周期一致的金属二聚体阵列结构。与其他SERS芯片不同，本专利中入射光斜入射至金属二聚体，在共振角下由于金属二聚体可以近场耦合波导模式，进一步增强了SERS信号。通过实验和理论模拟证明了入射光斜入射时，波导模式可以被直接激发，从而得到更强的SERS信号。

技术领域

本发明属于表面增强拉曼光谱技术领域，具体涉及一种基于金属二聚体近场耦合波导模式的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和工作方式。

背景技术

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering,SERS)光谱是一种能够在分子尺度上获得物质丰富结构信息的分析方法，作为一种快速、简单、免标记、无损伤的测试手段，它适合于研究分子在吸附界面的表面状态、分子的界面取向及构型构象等，在生物、医药、环境检测、爆炸物检测等领域得到了广泛的应用。

SERS得益于金属薄膜和金属纳米粒子上自由电子的集体振荡所产生的高强度局域电磁场，即表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)效应。目前，对SERS芯片的研究主要集中在提高电磁场增强方面。例如，申请公布号CN109748238A的发明专利介绍了基于可调紫外全息光刻技术构建大面积、均匀的纳米二聚体阵列的方法；以及授权公告号CN105911044B的发明专利介绍了具有纳米间隙的表面增强拉曼光谱基底。但是，这些研究都是采用入射光直接激发金属微纳结构的SPR，增强入射场同样可以提高电磁场强度。平面介质波导是一种基于干涉相长，能产生增强消逝场的光学结构。申请公布号108693160A的发明专利介绍了一种基于光栅耦合长程等离子波导的SERS芯片，有效增强了SERS强度。授权公告号为CN104007098B的发明专利介绍了一种共振镜增强拉曼光谱检测装置，入射光由棱镜耦合进波导层，并利用波导表面产生的增强消逝场来增强金属纳米粒子的SPR，在金属纳米粒子一侧收集到增强的SERS光谱。这种能产生增强消逝场的波导通常需要一个光栅或棱镜帮助入射光耦合进波导结构。

与其他SERS芯片不同，本发明利用金属二聚体近场耦合波导模式的原理，不需要棱镜或光栅结构耦合，入射光以43°倾斜照射在构建于波导表面的金属二聚体阵列上，并在与芯片法线呈60°方向收集到增强的SERS谱。本发明的SERS芯片不仅利用波导来增强纳米粒子的SPR，还满足了简化波导增强SPR结构的检测需求。

发明内容

本发明旨在提供一种基于金属二聚体近场耦合波导模式的表面增强拉曼散射芯片及其制备方法和独特的工作方式，实现超灵敏检测。本发明的技术方案如下：

该SERS芯片的具体结构是金属二聚体复合非对称平面介质波导。平面介质波导由多层膜构成，包括在BK-7玻璃片上依次沉积银膜和二氧化硅波导层。将阳极氧化铝(AAO)模板转移至波导表面，再经过方向相反的两次倾斜蒸镀，得到金属二聚阵列。其工作方式为：以倾斜的入射光直接照射金属二聚体，收集与芯片法线呈60°方向的SERS光谱。实验和理论模拟(在实施例部分进行详细说明)都证明，斜入射的激光通过金属二聚体的SPR有效激发出波导共振模式，这使得金属二聚体的SPR进一步放大，最终增强效果优于二聚体阵列无波导时的SPR，因而其具有更强的SERS增强效应，提高了检测的灵敏度。

为了实现以上目的，本发明所采用的具体步骤如下：

a)将BK-7玻璃片(折射率为1.516)进行表面清洁。依次用去离子水、乙醇、丙酮、乙醇、去离子水超声清洗各10分钟。烘干或用氮气吹干。随后蒸镀35nm厚的银膜。

b)由等离子体电感耦合化学气相沉积在银膜上生长600nm的二氧化硅(折射率为1.480)，得到非对称平面介质波导片。