通過sers增強(qiáng)化學(xué)基團(tuán)檢測的具有層化等離子體結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感器的制作方法

專利名稱：：通過sers增強(qiáng)化學(xué)基團(tuán)檢測的具有層化等離子體結(jié)構(gòu)的光學(xué)傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明通常涉及一種由在等離子體鏡(plasmonmirror)上用于增強(qiáng)局部光學(xué)現(xiàn)象的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)-活性等離子體微粒(activeplasmonparticle)構(gòu)成的新型光學(xué)傳感器，以及將這種增強(qiáng)局部光學(xué)現(xiàn)象效應(yīng)用于具有高結(jié)構(gòu)特異性(specificity)和高檢測靈敏度的超靈敏化學(xué)和生物感測(sensing)。參考文獻(xiàn)下述參考文獻(xiàn)被引用作為本發(fā)明部分的
背景技術(shù)：
部分、和/或提供可以應(yīng)用于本發(fā)明某些方面的方法。在此將這些參考文獻(xiàn)并入作為參考。G.Baueretal.，“Resonantnanoclustertechnology-fromopticalcodingandhighqualitysecurityfeaturestobiochips”，Nanotechnology，vol.14，p.1289-1311(2003)B.E.Baker，N.J.Kline，P.J.Treado，andM.J.Natan，“Solution-basedassemblyofmetalsurfacesbycombinatorialmethods”，J.Am.Chem.Soc.V.118，p.8721-8722(1996)H.-G.Bingeretal.，“InterferenceenhancedsurfaceRamanscatteringofadsorbatesonasilver-spacer-islandsmultilayersystem”，MolecularPhysics，vol.85，p.587-606(1995).G.R.Brewer，Electron-BeamTechnologyinMicroelectronicFabrication，AcademicPress，NY，1980).MichaelM.Carrabbaetal.，“SubstrateandApparatusforSurfaceEnhancedRamanSpectroscopy”UnitedStatesPatent，US5255067，Oct.19，1993.S.Chanetal.，“SurfaceEnhancedRamanScatteringofSmallMoleculesfromSilver-coatedsiliconnanopore”，AdvancedMaterial，15，1595-1598，2003.H.Fanetal.“Self-AssemblyofOrdered，Robust，Three-DimensionalGoldNanocrystal/SilicaArrays”，Science，304，567-571，2004.S.Farquharson，etal.，“MaterialforSurface-EnhancedRamanSpectroscopy，andSERSensorsandMethodsforPreparingSame”，UnitedStatesPatent，US6623977，Sept23，2003.D.Gingeretal.，“TheevolutionofDip-PenNanolithography”，Angew.Chem.Int.Ed，v.43，p.30-45，2004.N.Halas，etal.，“Nanoparticle-basedall-opticalsensors”，UnitedStatesPatent，US6778316，Aug.17，2004.K.Haupt，“Imprintedpolymers-Tailor-mademimicsofantibodiesandreceptors”，Chem.Comm.，2003，171-178.S.Hayashi，“SpectroscopyofGapModesinMetalParticle-SurfaceSystems”，TopicsAppliedPhys8171-95，2001.S.Hayashietal.，“ANewmethodofsurfaceplasmonexcitationmediatedbymetallicnanoparticles”，Jpn.J.Appl.Phys.Vol.35，p.L331-L334，1996.W.R.Hollandetal.，“Surface-plasmondispersionrelationshiftsinducedbytheinteractionwithlocalizedplasmaresonances”，PhysicalReviewB，vol.27，p.7765-7768，1983.J.C.Hulteenetal.，“NanospherelithographySize-tunablesilvernanoparticlesandsurfaceclusterarrays”，J.Phys.Chem.B，v.103，p.3854-3863，1999.C.Keatingetal.，“HeightenedElectromagneticfieldsbetweenMetalNanoparticlesSurfaceEnhancedRamanScatteringfromMetal-CytochromeC-MetalSandwiches”，J.Phys.ChemB，102，9414-9425，1998.I-K.Kneippetal.，“UltrasensitiveChemicalAnalysesbyRamanSpectroscopy”，Chem.Rev，1999，vol.99，p.2957-2975，seep.2971.T.kuneetal.，“interactionbetweenlocalizedandpropagatingsurfaceplasmonsAgfineparticlesonAlsurface”SolidStateCommunications，vol.93，p.171-175，1995.LeeP.C.，Meisel，D.J.，J.Phys.Chem.，86，p.3391，1982.A.Leitneretal.，“Opticalpropertiesofametalislandfilmclosetoasmoothmetalsurfface”，AppliedOptics，vol32，p.102-110，1993.Y.Luetal.，“NanophotonicCrescentMoonStructureswithSharpEdgeforUltrasensitiveBiomolecularDetectionsbyLocalElectromagneticFieldEnhancementEffect，”NanoLetters，5，119-124，2005.V.Matyushin，Aetal.，“Tuningthesetupofsputter-coatedmultilayersinnanocluster-basedsignalenhancingbiochipsforoptimalperformanceinproteinandDNA-assays”.NanoscienceandNanotechnologyVolume4，pp.98-105，2004.M.Moskovits，“Surfaceenhancedspectroscopy”，Rev.ModPhys.，57，783，1985.T.Schalkhammeretal.，“Reinforcedclusteropticalsensors”，USPatent6669906，December30，2003.G.C.Schatz，andR.P.VanDuyne，“ElectromagneticmechanismofSurface-enhacedspectroscopy”，inHandbookofVibrationalSpectroscopy，J.M.ChalmersandP.R.GGriffithseds.(JohnWiley&SonLtd.2002)，p.1-16.H.S.Shin，etal.，“DirectpatterningofsilvercolloidsbymicrocontactprintingpossibilityasSERSsubstratearray”，VibrationalSpectroscopy，v.29，p.79-82，2002.T.Takemorietal.，“Opticalresponseofaspherecoupledtoametalsubstrate”，JournalofthePhysicalSocietyofJapan，vol.56，p.1587-1602，1987.Z.wangetal.，“ThestructuralbasisforGiantEnhancementEnablingSingle-MoleculeRamanScattering”，Proc.Nat.Acad.Sci.USA，vol.100，p.8638-8643，2003.J.Westetal.，“MetalNanoshellsforBiosensingApplications”，USPatent6，699724，Mar2，2004.D.Wiersma，“Localizationoflightinadisorderedmedium”，Nature，390，671-673，1997.A.Wokaun，“Surface-enhancedelectromagneticprocesses”，SolidStatePhysics，vol.38，p.223-295，1984.Y.Xiaetal.，“Template-assistedSelf-AssemblyofSphericalColloidsintoComplexandControllableStructures”，AdvancedFunctionalMaterials，v.13，p.907-918，2003.J.Zhengetal.，“Surface-enhancedRamanScatteringof4-AminothiophenolinassembliesofnanosizedparticlesandthemacroscopicsurfaceofSilver”，Langmuir，vol.19，p.632-636，2003.S.Zouetal.，“Silvernanoparticlearraystructuresthatproducegiantenhancementinelectromagneticfields”，Chem.Phys.Lett.，404，62-67，2005.
背景技術(shù)：
：出于增強(qiáng)各種局部線性和非線性光學(xué)現(xiàn)象的目的，在納米結(jié)構(gòu)中用于限制光和用于局部化和增強(qiáng)電磁場的多種方法在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的(參見，例如，A.Wokaun，1984M.Moskovits，1985)?，F(xiàn)有技術(shù)最關(guān)注的是基于在具有納米級結(jié)構(gòu)的基板表面附近光的局部化和約束的表面增強(qiáng)拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)現(xiàn)象。SERS已被證明是一種用于超靈敏化學(xué)和生物分析的強(qiáng)大分析工具(K.Kneippetal.，1999)。一種已經(jīng)提出的基于SERS的結(jié)構(gòu)采用由在光滑金屬表面上的金屬粒子膜(metalislandfilm，MIF)組成的光學(xué)結(jié)構(gòu)(H.-G.Bingeretal.，1995，G.Baueretal.，2003)。金屬粒子膜由任意的二維金屬微粒陣列構(gòu)成，其中每個的最大尺寸為幾(典型為，2-10)nm。金屬微粒的形狀也是不定的，因此從結(jié)構(gòu)上對微粒進(jìn)行描述是困難的。(微粒形成為類似于扁球狀的隨機(jī)微粒陣列，其所有短軸(minoraxis)與基板表面垂直，基板例如為玻璃、石英、或硅。)將在下面對原因進(jìn)行解釋。通過由光學(xué)透明絕緣材料制成的中間間隔層將金屬粒子膜與光滑金屬層分隔開，光學(xué)透明絕緣材料的厚度控制粒子上的局部等離子體與光滑金屬層的表面等離子體之間相互作用的強(qiáng)度。金屬微粒(粒子)可看作是納米量級的天線，其收集入射的輻射并接著將能量傳送給鄰近的間隙模(gapmode)，該間隙?？梢源嬖谟诒砻娴钠矫嬷兴蟹较騻鞑サ膶?dǎo)模中(全方向耦合)。這種結(jié)構(gòu)吸收特定波長光的能力依賴于最佳間隔層厚度的存在，該厚度能使結(jié)構(gòu)對接近于激發(fā)光波長的特定波長的吸收最大化(Leitneretal.，ApplOpt1993；W.R.Hollandetal.，1983；T.Kuneetal.，1995)。對于將在下面變得清楚的多種原因而言，利用這種MIF結(jié)構(gòu)可獲得的最大增強(qiáng)被限定在大約106-108之間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在等離子體材料中局部等離子體(localizedplasmons，LP)與表面等離子體激元(surfaceplasmonpolaritons，SPP)相互作用的現(xiàn)象，并已經(jīng)提出了在由納米微粒作為媒介的等離子體諧振光滑膜中激發(fā)SPP的新方法(S.Hayashietal.，1996)。與SPP激發(fā)相關(guān)的有趣現(xiàn)象是在金屬表面附近產(chǎn)生強(qiáng)電磁場。人們普遍認(rèn)可的原理是由于表面增強(qiáng)光譜學(xué)的原理，強(qiáng)電磁場將導(dǎo)致表面附近多種線性和非線性光學(xué)過程的增強(qiáng)(M.Moskovits，1985；G.C.SchatzandR.P.VanDuyne，2002)。根據(jù)該原理，SERS信號的增強(qiáng)與E4成正比，其中E為金屬表面附近的電磁場。該現(xiàn)象的一種典型應(yīng)用是在金屬表面上吸收的分子的表面增強(qiáng)拉曼散射，所述金屬表面在激發(fā)波長和散射波長兩處都支持等離子體諧振。通過使用電解粗糙的銀或通過使用由納米球平版印刷(nanospherelithography)制備的基板(J.CHulteenetal.，1999)而獲得的典型增強(qiáng)在106-108范圍內(nèi)。通常，跨在傳感器上可見的增強(qiáng)程度是即不均勻又不可再現(xiàn)的。MIF金屬表面的參數(shù)的不可控制以及小于5nm的金屬微粒在尺寸上的固有局限性(V.Matyushin，Aetal.，2004)使其不能應(yīng)用于SERS(H.-G.Bingeretal.，1995)，由于MIF金屬基板結(jié)構(gòu)不能大幅增強(qiáng)拉曼信號，限制了這種系統(tǒng)的靈敏度。因此MIF金屬基板已經(jīng)被縮減到在實(shí)踐中僅用于被稱為“諧振納米團(tuán)簇(nanocluster)生物芯片”技術(shù)中的熒光增強(qiáng)(G.Baueretal.，2003；T.Schalkhammeretal.，2003)。
發(fā)明內(nèi)容一方面，本發(fā)明包括一種用于可見光或近紅外(NIR)激光器激發(fā)光束和拉曼光譜探測器的光學(xué)傳感器，用于檢測提供給傳感器的待分析物中的化學(xué)基團(tuán)(group)的存在。該傳感器包括基板，形成在基板的傳感表面上的等離子體諧振鏡，布置在鏡上的等離子體諧振微粒層，以及將鏡與微粒層分隔開的大約2-40nm厚的光學(xué)透明絕緣層。微粒層由等離子體諧振微粒的周期陣列構(gòu)成，該陣列具有(i)能有效粘附待分析物分子的涂層，(ii)處于50-200nm選定尺寸范圍內(nèi)具有基本均勻的微粒尺寸和形狀，(iii)小于激光激發(fā)光束的波長的規(guī)則的周期性微粒-微粒間距。微?？梢跃哂懈邔ΨQ性或低對稱性的形狀，尤其是，如將在下面認(rèn)可的，可以是球體、扁球體、棒狀、圓柱體、納米線、管狀、復(fù)曲面形(toroid)、或其它形狀，當(dāng)其均勻時，能夠以規(guī)則周期排列。在此處定義的微粒層也希望包含平面等離子體層中規(guī)則的孔陣列，其中孔具有高于所述微粒的尺寸。該設(shè)備能夠以高至1012-1014放大系數(shù)檢測待分析物，能夠檢測單個待分析物分子。鏡可以是具有大約30-500nm之間層厚度的銀、金或鋁層。微粒具有50-150nm之間選定尺寸范圍內(nèi)的最佳大小，并可以由銀、金或鋁固體或具有由這些金屬形成的殼的微粒形成。在一個示例性實(shí)施例中，鏡和微?？梢远际墙鸬幕蚨际倾y的，而微粒基本為球狀。微粒層可以由具有大約20nm或小于20nm的微粒-微粒間隔(包括微粒-微粒的直接接觸)的密集排列的等離子體諧振微粒的規(guī)則陣列形成。微粒層可以包括在至少一個方向上的至少50個微粒的周期性陣列，優(yōu)選為在兩個平面方向的每個方向上的至少50個微粒，兩個平面方向例如為垂直方向或由密集排列規(guī)定的方向?qū)蔷€方向。傳感器可以包括一個或多個另外的微粒層，每個通過具有2-40nm之間厚度的光學(xué)絕緣層與其正下方的微粒層分隔開。基板可以具有平面或曲的面形狀，例如，當(dāng)形成在球形珠狀物(bead)上或在多孔過濾器的微孔(pore)中時。另一方面，本發(fā)明包括一種具有放大系數(shù)至少為1010的檢測待分析物中化學(xué)基團(tuán)(chemicalgroup)的方法。在實(shí)踐該方法的過程中，待分析物的分子被粘附到上述類型的光學(xué)傳感器的微粒層中的等離子體諧振微粒上，傳感表面被可見光或NIR激光束照射，并記錄通過照射產(chǎn)生的拉曼光譜。該方法可以有效地產(chǎn)生至少為1012的放大系數(shù)，并因此能夠檢測一個或少數(shù)幾個待分析物分子中的化學(xué)基團(tuán)。該方法能夠在1-100μW(微W)那么低的照射光束下進(jìn)行拉曼光譜分析。本發(fā)明的這些和其他目的和特征將結(jié)合附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，從而得到更加全面的理解。圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實(shí)施例的用于EM場的限制、局部化和增強(qiáng)的基本平面結(jié)構(gòu)的部件的布置，并示出了其如何用于SERS光譜測量。圖2A和2B示出了相同實(shí)施例中的GM和SPP的結(jié)構(gòu)，并示出了本發(fā)明工作的關(guān)鍵原理。圖3A和3B示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中周期性結(jié)構(gòu)為金屬膜中納米孔的2維陣列。圖4A和4B示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中周期性結(jié)構(gòu)為埋入金屬膜中納米管的2維陣列。圖5A至5D示出了本發(fā)明的實(shí)施例，其中周期性結(jié)構(gòu)為由金屬條或圓柱體的一維陣列構(gòu)成的金屬格。圖6為根據(jù)示例2制造的平面SERS活性基板的表面的2微米乘2微米區(qū)域的AFM圖像，該圖像顯示了基板上納米微粒布置排列的均勻性和高密度。圖7A-7C示出了用于液體樣品的SERS光譜測量的拉曼顯微鏡和流控(fluidic)單元的示例性設(shè)置的多個方面。圖8示出了利用拉曼顯微鏡Horiba-Jobin-YvonLabRamHR800和氬激光器在流控單元中獲得的羅丹明(Rhodamine)6G(R6G)分子的SERS光譜。圖9示出了利用拉曼顯微鏡在流控單元中獲得的羅丹明6G分子的SERS光譜。圖10A為通過基線校正的百分化(％)的羅丹明6G分子的主強(qiáng)度峰值(1280和1400cm-1)的20×20μ面積的拉曼圖象。圖10B為通過基線校正的羅丹明6G分子在最大和最小強(qiáng)度處的SERS光譜。圖11A為在20×20微米面積SERS載片(slide)上的羅丹明6G分子的拉曼成像圖(Ramanimagingmap)。虛線表示拉曼光譜已經(jīng)被收集的位置。圖11B為沿著線1直到21的羅丹明6G分子的SERS光譜，從圖的頂部可以看出跨越基板表面的“熱點(diǎn)”的均勻性。圖12A至12D示出了集成在過濾器中的本發(fā)明的SERS-活性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用，該過濾器基于具有平面(12A和B)和非平面(12C和D)SERS-活性表面的SERS傳感器。過濾器由光學(xué)透明多孔硅形成。多孔材料的內(nèi)表面的一部分被本發(fā)明的諧振SERS-活性結(jié)構(gòu)覆蓋。圖13A和13B示出了用于環(huán)境污染物和危險物質(zhì)的遠(yuǎn)程檢測和鑒別的光纖耦合的光學(xué)傳感器的圖。圖14A和14B示出了具有非平面球形SERS-活性表面的基于微珠狀物的(microbead-based)光學(xué)SERS傳感器的圖。圖15示出了利用例如激光雷達(dá)(LIDAR)的拉曼遠(yuǎn)程系統(tǒng)、珠狀物懸浮顆粒(beadaerosol)遠(yuǎn)程檢測生物和化學(xué)戰(zhàn)爭毒劑和爆炸物的應(yīng)用。圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個實(shí)施例的平面微流體光學(xué)SERS傳感器的實(shí)施例。本發(fā)明的詳細(xì)說明A.定義除非另有指示，下列術(shù)語具有如下含義?！暗入x子體諧振金屬(Plasmonresonantmetal)”包括任意金屬，例如能夠支持表面電磁模--表面等離子體激元(SPP)的金、銀或鋁，其中表面等離子體激元為光子和等離子體的耦合模式。樣品中的“化學(xué)基團(tuán)”可以包括聚合物中的子單元，或部分子單元(subunitmoieties)，例如核酸基，或化學(xué)成分基團(tuán)，例如氫氧基、胺基、烴基、酸基或醛基組。這種化學(xué)基團(tuán)的特征在于唯一增強(qiáng)的拉曼光譜信號或特征?！伴g隙模(gapmodes)”或“GMs”指的是當(dāng)?shù)入x子體諧振微粒被放置在金屬表面、優(yōu)選為等離子體諧振金屬表面附近(小于40nm)時，在兩個或多個等離子體諧振微粒之間的空間中通過外部電磁場激發(fā)的電磁固有振蕩模或電磁本征模。“等離子體諧振微粒(Plasmonresonantparticles)”(PRPs)是由例如金、銀、或鋁的等離子體諧振金屬形成的微粒，或是具有這些金屬的殼的微粒。在本發(fā)明中，PRP具有通常在50nm至200nm尺寸范圍內(nèi)的最大尺寸。樣品的“間隙模增強(qiáng)拉曼光譜”指的是由于樣品處間隙模的存在而增強(qiáng)的樣品的拉曼光譜中的光譜特征?！肮庾泳w”指的是具有導(dǎo)致帶隙結(jié)構(gòu)的折射率周期性分布的1-、2-、3-維結(jié)構(gòu)，結(jié)果是具有對應(yīng)于該帶隙的能量的光子不能在光子晶體上傳播而僅僅可以存在于局部化的狀態(tài)中?！肮庾訋丁敝傅氖遣荒茉诠庾泳w結(jié)構(gòu)中傳播的光子的能量范圍?！翱梢姽狻敝傅氖悄転槿搜劭匆姷碾姶蓬l譜部分，通常在400nm至700nm之間的波長范圍內(nèi)。“近紅外”指的是波長長于可見光、但小于微波輻射的電磁頻譜部分，通常在700nm至1mm之間的波長范圍內(nèi)。B.發(fā)明的總體描述本發(fā)明提供一種通過等離子體諧振效應(yīng)能夠精確控制和調(diào)節(jié)其光學(xué)響應(yīng)的等離子體諧振納米結(jié)構(gòu)。其是通過利用適當(dāng)?shù)墓庾訋督Y(jié)構(gòu)以2-D或3-D光子晶體工作的一個或多個周期性等離子體層而獲得的，所述光子帶隙結(jié)構(gòu)通過經(jīng)由光學(xué)透明絕緣層耦合到等離子體鏡而增強(qiáng)，所述光學(xué)透明絕緣層具有小于大約40nm的選定厚度。根據(jù)本發(fā)明原理概念的結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)將被稱作“等離子體鏡上的周期性等離子體納米結(jié)構(gòu)”，其包括被稱為“等離子體鏡”的連續(xù)等離子體諧振材料和至少一個微粒層，所述顆粒層包括可以激發(fā)局部等離子體(LPs)的1-D或2-D周期性等離子體諧振微粒陣列(或如下面描述的，其它規(guī)則的納米結(jié)構(gòu))。微粒層和鏡之間的等離子體諧振耦合是通過具有大約2-40nm、優(yōu)選為2-20nm之間選定“調(diào)諧”厚度的選定厚度光學(xué)透明絕緣層實(shí)現(xiàn)的。形成微粒層的微粒在尺寸和形狀上是基本均勻的，根據(jù)激發(fā)波長，選定的尺寸范圍在大約50-200nm之間，優(yōu)選在80-150nm之間。微?？梢跃哂懈邔ΨQ性或低對稱性的形狀，或者更特別的，可以如下所述，可以是球體、扁球體、棒狀、圓柱體、納米線、管狀、復(fù)曲面形或其它形狀，當(dāng)均勻時，能夠以規(guī)則周期進(jìn)行布置。它們可以由同一種材料-銀或金均勻構(gòu)成，或由例如納米殼的合成物構(gòu)成(J.Westetal.，“MetalNanoshellsforBiosensingApplications”，USPatent6699724，Mar2，2004.)。微粒層的周期性，即，在任意方向上相鄰微粒間的間隔，可以隨密集排列布置而不同，其中微粒彼此之間以微粒尺寸加上0-20nm的間距間隔開，或者具有高至入射光的波長的周期性間距，具有在密集排列布置、優(yōu)選為球形微粒中的被觀察信號的最佳耦合和增強(qiáng)。也希望在此定義的微粒層包括平面等離子體層中規(guī)則的孔陣列，其中孔具有高于所述微粒的尺寸。微粒層中的微粒可以由絕緣材料分隔開或嵌入絕緣材料中，絕緣材料可以是空氣或固體，例如形成絕緣層的光學(xué)透明絕緣材料。納米結(jié)構(gòu)的等離子體諧振響應(yīng)可以通過調(diào)節(jié)納米結(jié)構(gòu)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)諧和控制，其中參數(shù)包括層間間隔、納米微粒的尺寸和形狀、納米微粒間的間距、形成微粒層的微粒的周期，以及絕緣層的介電常數(shù)和厚度。當(dāng)激發(fā)光的頻率等于或接近于納米結(jié)構(gòu)作為一個整體的等離子體諧振的頻率，或更準(zhǔn)確地，等離子體諧振頻率應(yīng)該在入射光的頻率和散射光的頻率之間時，能獲得EM場的最大局部化和增強(qiáng)。在這樣復(fù)雜的金屬-絕緣體納米結(jié)構(gòu)中的等離子體諧振頻率和等離子體諧振響應(yīng)的形狀取決于許多參數(shù)(尺寸，材料，納米微粒的尺寸，以及它們彼此間的布置以及相對于等離子體鏡的布置)。然而，最強(qiáng)等離子體響應(yīng)是在孤立納米微粒上的LPs的偶極子(dipole)等離子體諧振激發(fā)獲得的。結(jié)構(gòu)中EM場的最大約束、局部化以及增強(qiáng)是通過微粒層的間隙電磁模(GMs)或本征模、以及在鏡的光滑表面上激發(fā)的表面等離子體極化模(SPPs)的激發(fā)機(jī)理獲得的。這種機(jī)理通過這些模之間以及激發(fā)光的電磁場之間的耦合和相互作用進(jìn)行工作。在SPP的連續(xù)介質(zhì)(continuum)上的規(guī)則LP振蕩器陣列在它們之間通過GMs耦合的狀態(tài)下(兩個層通過絕緣分隔而靠近)的其他優(yōu)點(diǎn)是LPs通過SPPs的同步機(jī)理，其導(dǎo)致等離子體諧振的窄化(narrowing)以及局部場和相應(yīng)拉曼信號額外的極大增強(qiáng)。然而，這種效應(yīng)存在于相對窄的光譜范圍內(nèi)。通常這種窄的集合(collective)等離子體諧振在450-800nm范圍內(nèi)，但最大增強(qiáng)的獲得對于銀NP在500-600nm范圍內(nèi)而對于金NP在600-750nm范圍內(nèi)。微粒層中周期性規(guī)則陣列的普遍優(yōu)點(diǎn)在于高等離子體諧振響應(yīng)和光子晶體的性能，其導(dǎo)致由于光子帶隙結(jié)構(gòu)的限制而聚焦和限制入射光束的效應(yīng)。這與SPP連續(xù)介質(zhì)上的LPs的任意陣列形成對比，其中存在LP之間的同步和入射光束的聚焦兩種效應(yīng)(公開于D.Wiersma“Localizationoflightinadisorderedmedium”，Nature，390，671-673(1997)中的安德森定域原理(mechanismofAndersonlocalization))，但是由于“熱點(diǎn)(hotspots)”的密度相對小，因此整個EM場增強(qiáng)的效應(yīng)非常小。根據(jù)公認(rèn)的SERS的范例(paradigm)(M.Moskovits，1985；G.Schasetal.，2002)，拉曼信號的增強(qiáng)是由于在稱為“熱點(diǎn)”中等離子體激發(fā)通過局部場的增強(qiáng)產(chǎn)生的。不同陣列結(jié)構(gòu)中的“熱點(diǎn)”的普遍結(jié)構(gòu)在下面圖2-5中進(jìn)行說明和示出。從實(shí)踐的角度看，由周期性微粒層和等離子體鏡的增強(qiáng)的相互作用可高度再現(xiàn)具有極低激發(fā)能量(典型為10-100微瓦，對于一些樣品而言小于1微瓦)的高質(zhì)量拉曼光譜。本發(fā)明的等離子體諧振納米結(jié)構(gòu)可用于分析儀器、分析化學(xué)和顯微鏡中的多種應(yīng)用。作為例子其可以用作質(zhì)譜設(shè)備(massspectrometrydevice)的基板，以改善激光解析離子化(LaserDesorptionIonization)，例如MALDI-TOF，SELDI-TOF。其他主要的應(yīng)用領(lǐng)域是例如諧波產(chǎn)生、相干反斯托克斯拉曼散射(CARS)的多種局部化線性和非線性光學(xué)現(xiàn)象的增強(qiáng)，尤其是作為SERS-活性基板。在實(shí)踐中，本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)可以用于多種光學(xué)設(shè)備和光學(xué)傳感器設(shè)備中拉曼信號的增強(qiáng)。特別是，本發(fā)明的一個重要的應(yīng)用是其用作SERS-活性傳感器用于在固體、液體和氣體環(huán)境中實(shí)時全光學(xué)超靈敏檢測以及化學(xué)中化學(xué)基團(tuán)的鑒別、樣品中的生物分析。應(yīng)用這些基本相互作用的光學(xué)設(shè)備和光學(xué)傳感器的四個主要實(shí)施例將在以下D1-D4部分中描述，并包括1.根據(jù)本發(fā)明的具有平面SERS-活性表面的光學(xué)設(shè)備和傳感器(基于SERS的)，例如，微流體芯片平臺中實(shí)現(xiàn)；2.基于具有非平面SERS-活性表面(基于SERS的)的光學(xué)裝置和傳感器的過濾器，其中非平面SERS活性表面來自內(nèi)表面的全部或部分被本發(fā)明的諧振結(jié)構(gòu)覆蓋的光學(xué)透明多孔和半多孔(mesoporous)膜。該傳感器對持續(xù)監(jiān)測液相和氣相環(huán)境污染物尤其有用。3.用于遠(yuǎn)距離感測(檢測和鑒別)環(huán)境污染物和危險材料的具有平面和非平面SERS-活性表面(基于SERS的)的光纖耦合的光學(xué)裝置和傳感器。4.基于具有非平面(球形或扁球形)SERS-活性表面(基于SERS的)的光學(xué)裝置和傳感器的微型珠狀物-有可能用于微流體流以及懸浮微粒樣品中。C.本發(fā)明的基本光學(xué)傳感器本發(fā)明的光學(xué)傳感器中的結(jié)構(gòu)可以通過對導(dǎo)致其提供的極大EM增強(qiáng)的物理相互作用的基本描述而容易理解。在等離子體諧振狀態(tài)下，相應(yīng)于單個NPs的等離子體振蕩，EM場在每個微粒上激發(fā)LP振蕩。對于在50-150nm范圍內(nèi)的銀NPs，等離子體振蕩頻率在460-520nm范圍內(nèi)。對于兩種類型的間隙電磁模式(GMs)而言這種激發(fā)的幾何形狀也是最佳的。第一種類型是層陣列中相鄰NPs之間的GM，而第二種類型，在NPs與等離子體鏡表面之間。對于有效的GMs的激發(fā)，相鄰微粒間的間隔(層的周期)應(yīng)當(dāng)是規(guī)則的并小于絕緣介質(zhì)中EM場的波長(典型為250-700nm，因?yàn)橥该骶仃嚭烷g隔層的介電常數(shù)在1.5-2.5范圍內(nèi))，但是對于密集排列布置最優(yōu)的結(jié)果是具有接近于NPs的直徑加上高至20nm的周期。如果NP陣列(微粒層)是非常接近于等離子體表面(距離小于大約40nm)，則鏡中的SPPs被激發(fā)并在表平面的各個方向上傳播。由于與納米微粒的LPs耦合，SPPs產(chǎn)生了LP振蕩間遠(yuǎn)程相互作用的新機(jī)理(除EM波外)。遠(yuǎn)程相互作用產(chǎn)生了NP陣列中LP振蕩的相位同步并導(dǎo)致窄化等離子體諧振的帶寬，被稱為聚集等離子體振蕩。用于產(chǎn)生這種同步的最佳參數(shù)是NP大小在50-200nm優(yōu)選為80-150nm范圍內(nèi)，而規(guī)則周期(微粒-微粒的間距)優(yōu)選在微粒層的兩個方向上，小于激發(fā)光的波長，并優(yōu)選為具有NP尺寸加上高至20nm的周期的密集排列布置。利用沿一維(onedimension)NPs數(shù)目超過50可以獲得對于理想周期陣列的最優(yōu)放大率。來自理想周期和NP尺寸的均勻性上的任何偏差都將減小增強(qiáng)效應(yīng)，這是因?yàn)槠鋵?dǎo)致破壞等離子體諧振形狀的同步和加寬。這解釋了為什么NP的隨機(jī)陣列和碎片結(jié)構(gòu)不如本發(fā)明公開的等離子體鏡上的周期性納米結(jié)構(gòu)有效。作為根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的示例性納米結(jié)構(gòu)的示例，將參考圖1和2所示的光學(xué)傳感器。該結(jié)構(gòu)包括設(shè)有上傳感表面的基板10。該基板可以是任意的絕緣支撐，例如玻璃、陶瓷或硅波形轉(zhuǎn)換器載片(waverslide)或波形轉(zhuǎn)換器。形成在基板的傳感表面上的是等離子體諧振鏡20，其是由能夠支撐表面等離子體激元(SPPs)的例如銀、金或鋁的材料形成。該層可以通過標(biāo)準(zhǔn)真空沉積技術(shù)產(chǎn)生(如，V.Matyushin，Aetal.，2004)。層的厚度可以是在20-500nm范圍內(nèi)或更大，只要其能在光譜的光學(xué)范圍內(nèi)作為鏡面。形成在鏡上的間隔層30由光學(xué)透明絕緣材料構(gòu)成，例如，由真空沉積形成的LiF，或干燥的聚合物膜，如下所述。該層的厚度在小于50nm的范圍內(nèi)，優(yōu)選為小于40nm，更優(yōu)選為3-20nm，如5-25nm。如果將自組裝方法用于制造絕緣層上的納米微粒的層，則該層優(yōu)選由能夠形成到微粒(并與鏡層)的共價化學(xué)化學(xué)鍵的聚胺或類似物形成。絕緣間隔層可被制造為具有受控的厚度，通過使用例如微機(jī)械壓電驅(qū)動系統(tǒng)。在這種情況下，基板的光學(xué)等離子體特性能被動態(tài)控制以允許最優(yōu)化最大吸收值。納米微粒層40可以例如通過自組裝方法形成(B.E.Bakeretal.，1996)，其允許利用在形狀和尺寸上具有高均勻性的微粒形成任意尺寸(例如，80-100nm大小)的等離子體微粒。也可以使用合成物(金-銀或硅-銀殼)納米微粒，如低對稱性的納米微粒例如“納米碗(nanobowls)”(Y.Luetal.，2004)。通過使用模板定向自組裝技術(shù)(Y.Xiaetal.，2003)能夠產(chǎn)生具有受控的表面密度和微粒間距的相當(dāng)有秩序(立方體或六面體或其它對稱體)的微粒陣列。等離子體微粒可以被單獨(dú)的保護(hù)層覆蓋。保護(hù)涂覆層50可以由例如SiO或其它絕緣光學(xué)透明材料形成。在一個微粒具有單獨(dú)保護(hù)涂覆層的實(shí)施例中，保護(hù)層不再需要。保護(hù)層的厚度小于5nm，優(yōu)選小于2nm。單個微粒上的保護(hù)層或涂覆層可以利用待分析物分子進(jìn)行誘導(dǎo)(derivatize)，例如抗體、配體、DNA片段等，或者通過非特定吸收將待分析物連接(bind)到涂覆層或保護(hù)表面。在一些實(shí)施例中，單個微?？梢杂煞肿佑∷⒕酆衔?MIP)進(jìn)行覆蓋以連接特定目標(biāo)待分析物(K.Haupt，“Imprintedpolymers-Tailor-mademimicsofantibodiesandreceptors”，Chem.Comm.，2003，171-178)或通過用于特定待分析物的單克隆抗體進(jìn)行涂覆。在任何情況下，傳感器的表面都在待分析物分子連接到涂覆表面的狀態(tài)下暴露給待分析物，典型地在微粒表面中離開PRE0-5nm內(nèi)放置待分析物。然而在待分析物分子滲入和直接連接到微粒表面的情況下可以產(chǎn)生更大的增強(qiáng)。附圖示出了放置在涂覆層50上的待分析物分子80。在其光學(xué)傳感模式中，以可見光或NIR激光束60通過聚焦透鏡70照射傳感器表面。如圖2A和2B所示，表示為110的入射光假定在微粒層中以及微粒與等離子體鏡之間局部激發(fā)間隙模130(GMs)，并在形成微粒層的納米微粒(NPs)100之間激發(fā)間隙模140。盡管未示出，在大約每個微粒上形成局部等離子體(LPs)。形成在金屬膜表面上的表面等離子體激元(SPPs)表示為150。SPPs的正弦波表示意圖表明SPPs正在傳播，而不是靜止的。顯然，GMs在非常接近微粒表面處產(chǎn)生極高的局部電場。一個末端(end)增強(qiáng)的EM場導(dǎo)致拉曼橫截面(Ramancrosssection)的增強(qiáng)，其量級為E4(M.Moskovits，1985；G.C.Schatz，andR.P.VanDuyne，2002)。表示為120的增強(qiáng)的拉曼信號光是由在反向散射布置中聚集的待分析物分子產(chǎn)生的并被發(fā)送給拉曼光譜檢測器的色散元件(未示出)，在拉曼光譜檢測器中分析物質(zhì)的光譜并確定有關(guān)化學(xué)基團(tuán)的信息。圖3-5示出了根據(jù)上述普遍工作原理的“等離子體鏡上的等離子格子(lattice)”的另外的實(shí)施例。例如，在圖3A和3B中，2-D周期性等離子體結(jié)構(gòu)是具有周期性納米孔102的陣列的金屬膜20a，其中納米孔102具有20-200nm范圍內(nèi)的直徑且孔間距在小于入射光波長的范圍內(nèi)。在具有納米孔20b的板與等離子體鏡20a之間，存在具有厚度在2-40nm范圍內(nèi)的絕緣層30。入射電磁波110在每個納米孔的表面上激發(fā)LPs以及在金屬膜的表面上激發(fā)SPPs150。由于穿過次波長(subwavelenth)納米孔陣列的光的不規(guī)則傳輸?shù)闹C振效應(yīng)(T.Ebessenetal.，Nature，391，667，1998)，使得電磁場進(jìn)入等離子體鏡和納米孔陣列之間的空間并在等離子體鏡的表面中以及具有納米孔陣列20b的金屬膜的兩表面上激發(fā)GMs132和兩種類型的SPPs(表示為150)。SPPs和GMs通過厚度小于40nm的絕緣層30彼此相互作用。由于非常接近SPPs和LPs之間額外的遠(yuǎn)程相互作用激發(fā)了陣列中LP振蕩的相位同步，結(jié)果是等離子體諧振變窄以及NP表面上的局部場被充分地增強(qiáng)。如圖3A和3B所示的納米孔格子結(jié)構(gòu)可以例如通過光蝕刻(photolithographicetch)技術(shù)形成，以形成包括孔陣列的銀或金層，其中每個孔具有50-200nm范圍內(nèi)的選定直徑，膜厚度在20-200nm的范圍內(nèi)，并且孔-孔間距在高至激發(fā)波長的范圍內(nèi)，優(yōu)選為孔的直徑加上高至20nm的范圍內(nèi)。該膜一旦形成，就能夠被轉(zhuǎn)移到包括基板鏡層和絕緣層的結(jié)構(gòu)中以形成本發(fā)明的光學(xué)傳感器納米結(jié)構(gòu)。格子層上的待分析物分子82可以被吸附在納米孔102附近或內(nèi)部表面上并變得暴露以極大增強(qiáng)NPs的局部場。由于上述的SERS效應(yīng)，拉曼散射信號130被增強(qiáng)，而該信號被光學(xué)系統(tǒng)檢測并在拉曼光譜裝置中進(jìn)行光譜分析。除了由具有次波長尺寸的孔以及粘附到每個孔的納米管104的金屬膜20b構(gòu)成的等離子體陣列格子的幾何參數(shù)外，圖4A和4B示出了與圖3A和3B相似的實(shí)施例。在這種情況下格子周期具有與上述相同的范圍，即小于激發(fā)光的波長。格子層與鏡(表示為134)之間的GMs的幾何結(jié)構(gòu)與上述構(gòu)造稍稍不同，然而，通過LPs、LMs和SPPs激發(fā)的相互作用的基本機(jī)理以及納米結(jié)構(gòu)陣列中的同步效應(yīng)是基本相同的。如圖4A和4B所示的納米管格子結(jié)構(gòu)可以例如通過自組裝技術(shù)形成，以形成組裝好的銀或金納米管陣列，其被轉(zhuǎn)移到包含基板鏡層和絕緣層的結(jié)構(gòu)中，以形成本發(fā)明的光學(xué)傳感器納米結(jié)構(gòu)?？蛇x地，被轉(zhuǎn)移到鏡結(jié)構(gòu)的納米管層可以通過光刻技術(shù)形成，其中管和管內(nèi)部都可以通過陣列光敏化區(qū)域的蝕刻而形成。在該實(shí)施例中，每個管具有50-200nm范圍內(nèi)的選定ID，膜厚度(管長度)在20-200nm范圍內(nèi)，并且管-管間距在高至激發(fā)波長的范圍內(nèi)并優(yōu)選在管直徑加上高至20nm的范圍內(nèi)。值得注意的是，由于圖2-4中的格子的周期性，SPPs的激發(fā)是全方位的，因此激發(fā)效率不依賴于幾何上垂直入射的入射光的極化。“等離子體鏡上的等離子體格子”結(jié)構(gòu)的可選實(shí)施例示于圖5A-5D中，其示出了等離子體格子是圖5A和5B中的納米圓柱體106或圖5C和5D中的納米條(strip)1-D陣列的結(jié)構(gòu)，實(shí)際上，以等離子體金屬柵(grating)作為格子。(與圖2-5所示相同的其他結(jié)構(gòu)在這些附圖中標(biāo)注為相同的附圖標(biāo)記)。幾何參數(shù)的范圍與前述示例相同。包括圓柱體和條的直徑、以及表面結(jié)構(gòu)的周期的結(jié)構(gòu)的所有幾何尺寸小于光的波長。特別是，每個圓柱體和條具有50-200nm范圍內(nèi)選定的OD或?qū)挾?，而圓柱體之間的間距或條的寬度是例如高至激發(fā)光的波長的周期，優(yōu)選為圓柱體OD(或條寬度)加上高至20nm的范圍。圖5A和5B所示的納米圓柱體格子結(jié)構(gòu)可以例如通過自組裝技術(shù)形成，以形成組裝好的銀或金納米圓柱體陣列，其被轉(zhuǎn)移到包括基板鏡層和絕緣層的結(jié)構(gòu)中，以形成本發(fā)明的光學(xué)傳感器納米結(jié)構(gòu)。可選地，轉(zhuǎn)移至鏡結(jié)構(gòu)的納米圓柱體層是由光刻技術(shù)形成的。標(biāo)記為146的圓柱體-圓柱體GMs、標(biāo)記為134的圓柱體-鏡GMs以及標(biāo)記為150的SPPs的工作原理與上述基本相同。然而，由于1-D對稱性的減弱，激發(fā)效率現(xiàn)在依賴于側(cè)面上極化向量的方向。如果在側(cè)面上EM波中電場的方向垂直于圓柱體和條的方向，則能獲得更有效的GMs激發(fā)。用于待分析物檢測的光學(xué)傳感設(shè)備中SERS-活性結(jié)構(gòu)的工作原理與圖2中所描述的相同，通過分析容易理解。D.特殊實(shí)施例的描述這部分描述上述光學(xué)納米結(jié)構(gòu)的四種應(yīng)用。在圖12-16所示的這些實(shí)施例中，圖12和13中用150表示的結(jié)構(gòu)是上面描述的光學(xué)傳感器納米結(jié)構(gòu)。對于所有實(shí)施例，光學(xué)納米結(jié)構(gòu)的范圍希望包含上面描述的普遍結(jié)構(gòu)。D1.平面微流體光學(xué)SERS傳感器在其基本實(shí)施例中，光學(xué)結(jié)構(gòu)被用作用于待分析物檢測的光學(xué)傳感器，傳感器在例如應(yīng)用于疾病或環(huán)境監(jiān)測的可用于分析流體樣品的平面微流體SERS芯片平臺中被暴露給待分析物。具有臺式(tabletop)拉曼顯微鏡的平面微流體光學(xué)SERS傳感器使用的總體示意圖如圖16所示。根據(jù)上述圖1-5所示的實(shí)施例的本發(fā)明的SERS活性結(jié)構(gòu)可被集成到微流體芯片370的每個通道中，其中微流體芯片370被放置在電動傳送平臺360上并由計(jì)算機(jī)180通過電子設(shè)備350進(jìn)行控制。待分析物樣品流過通道而待分析物分子被吸附到SERS活性表面中并在拉曼顯微鏡中進(jìn)行分析。來自光源300的光通過分束器312和聚焦透鏡70和顯微鏡物鏡72被導(dǎo)向SERS基板表面上的樣品。通過光學(xué)系統(tǒng)以幾何反向散射產(chǎn)生的拉曼信號被發(fā)送給色散元件330并由CCD檢測器340對光譜進(jìn)行檢測然后在計(jì)算機(jī)180中進(jìn)行分析。在傳感器另一個實(shí)施例中可以使用便攜式拉曼光譜儀。該傳感器具有寬的應(yīng)用泛圍，包括但不限于環(huán)境監(jiān)測、染色體和蛋白質(zhì)研究、DNA分板、藥物和麻醉劑(drug)工業(yè)、農(nóng)業(yè)和食品分析、生物醫(yī)學(xué)診斷、生物防護(hù)、工業(yè)監(jiān)測、法醫(yī)分析等。D2.基于過濾器的光學(xué)SERS傳感器本實(shí)施描述了集成到具有平面(12A和B)或非平面(12C和D)SERS-活性面的基于過濾器的光學(xué)SERS傳感器的SERS-活性結(jié)構(gòu)的應(yīng)用。標(biāo)記為150的SERS-活性結(jié)構(gòu)被集成到由光學(xué)透明材料制成的多孔過濾器中，光學(xué)透明材料例如為平面構(gòu)造的多孔硅，如圖12A和12B所示。對于該傳感器而言由光學(xué)透明多孔硅形成的過濾器可能是最佳的。微孔190的直徑可以在1-100微米范圍內(nèi)，取決于過濾器的目的。納米結(jié)構(gòu)150可以由使用無電沉積方法的銀層通過涂覆微孔而集成到多孔硅中，而隨后通過納米微粒起到銀表面的作用，如示例1和2所述。以SERS-活性面150覆蓋的微孔的非平面布置如圖12C和D所示。隨著待分析物溶液流經(jīng)過濾器，帶有光譜儀的激光系統(tǒng)能被用于對流過過濾器190的微孔的溶液或水200中的污染物進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。即，所希望的應(yīng)用為例如供水系統(tǒng)的流體系統(tǒng)中污染物和危險物質(zhì)的連續(xù)監(jiān)測。D3.基于光纖的光學(xué)SERS傳感器本發(fā)明的光纖傳感器的應(yīng)用示于圖13A和B中。其中SERS-活性結(jié)構(gòu)150被集成到傳感器探針240中，傳感器探針240通過成像光纖232(其包括1000至1000,000個熔接成一束的單個光纖)與多通道拉曼分析系統(tǒng)170相連。來自光源220的激發(fā)光通過光纖232傳送到SERS-活性面。含有目標(biāo)待分析物的水流過具有流入口200a和流出口200b的通道。流過的水中的污染物被吸收到表面150并通過增強(qiáng)的拉曼散射進(jìn)行檢測。這種類型的傳感器尤其應(yīng)用于涉及監(jiān)測水環(huán)境的質(zhì)量。D4.基于珠狀物的光學(xué)SERS傳感器在另一實(shí)施例中，如圖14A和B所示，本發(fā)明設(shè)想了由本發(fā)明的SERS活性涂層覆蓋的微珠狀物。其中，由聚酯或類似的材料形成并具有3-10微米范圍內(nèi)的直徑球形珠狀物210由通過真空沉積法的銀層120覆蓋，并且該層隨后被厚度在2-40nm范圍內(nèi)的絕緣層30覆蓋。被覆蓋的珠狀物接著被直徑在50-150nm范圍內(nèi)的NPs100覆蓋。如所示出的，NPs也被絕緣涂層30覆蓋。SERS-活性珠狀物可被用作微流體光學(xué)傳感器設(shè)備中或需要懸浮微粒的應(yīng)用中的懸浮物。SERS-活性珠狀物在微流體光學(xué)傳感器中的應(yīng)用示于圖14B中。溶液中的樣品待分析物通過通道202被注入，而SERS-活性珠狀物的懸浮物通過通道200被注入。在混合室250中待分析物與珠狀物混合，而待分析物分子被吸收到珠狀物的表面上。在檢測區(qū)域260利用SERS檢測待分析物。如圖15所示，懸浮微粒形式的SERS-活性珠狀物可以用于生物武器和化學(xué)制品以及爆炸物的遠(yuǎn)程檢測。其中從注射器280將SERS-活性珠狀物290的懸浮微粒注入待分析的氣體云團(tuán)(cloud)270中。待分析物和珠狀物在云團(tuán)中混合且待分析物被吸收到SERS-活性珠狀物的表面上。然后，例如通過氣體過濾器收集珠狀物，或利用例如拉曼激光雷達(dá)(LIDAR)的拉曼系統(tǒng)300就地進(jìn)行分析。從上述描述中，能夠理解本發(fā)明的多種目的和特征是怎樣達(dá)到的。對根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的模型SERS板進(jìn)行準(zhǔn)備并利用以腺苷分子作為待分析物的不同拉曼系統(tǒng)對其進(jìn)行測試。市場上可買到的SERS板與由銀SERS板覆蓋的Intel多孔硅的比較結(jié)果顯示放大率至少高于現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)6個量級。其結(jié)果是穩(wěn)定并可再現(xiàn)的，在于，相同結(jié)果也在超過幾個月的時間段上的多個不同組納米結(jié)構(gòu)上獲得。由于納米結(jié)構(gòu)板維持SERS活性至少3個月，因此它們是穩(wěn)定的。根據(jù)本發(fā)明，利用新SERS板在照射功率低至5微瓦以及在一些情況下利用R6G甚至是0.4微瓦時，獲得實(shí)際SERS信號在高至每秒7000計(jì)數(shù)的范圍內(nèi)。這樣的信號水平可比于或優(yōu)于基于熒光檢測的傳感器中所得到的；但是需要的照明能量至少小3個量級。假設(shè)Intel基板的放大系數(shù)在106-108范圍內(nèi)，可以估算對于本發(fā)明的SERS板的放大系數(shù)為1012-1014。下述示例說明了形成和應(yīng)用本發(fā)明的納米結(jié)構(gòu)的多種方法，但本示例1通過Ag納米微粒的自組裝制備銀-銀微粒納米結(jié)構(gòu)對于多個載片的每一個，利用真空沉積系統(tǒng)(E302，Edwards)通過銀(99.995％)的熱蒸發(fā)將銀鏡沉積在干凈玻璃顯微鏡載片上。將載片浸入1％聚賴氨酸(polylysine)水溶液中一個小時，在銀膜上形成聚賴氨酸絕緣層。然后用大量水沖洗，將載片過夜暴露于光密度在450nm的衰減最大值處為5的銀納米微粒懸浮物。表面上的銀微粒的自組裝導(dǎo)致鏡面呈黃色調(diào)(外觀)。然后用水清洗載片并在多個時間段將其暴露于不同的待分析物。吸收待分析物分子后利用產(chǎn)生SERS光譜的拉曼光譜儀對載片進(jìn)行詢問(interrogate)。在第二個示例中，利用聚(乙烯基吡啶)作為表面改性劑(modifier)將銀納米微粒吸附到鏡的表面上(形成絕緣層)。持續(xù)幾個小時從1％乙醇溶液中將聚(乙烯基吡啶)吸附到形成鏡面的銀和金表面上。示例2利用微觸點(diǎn)印刷制備具有自組裝的銀微粒納米結(jié)構(gòu)的樣品在本實(shí)施例中，微觸點(diǎn)印刷方法，例如在參考文獻(xiàn)中公開的(H.S.Shinet.al.“DirectpatterningofsilercolloidsbymicrocontactprintingpossibilityasSERSsubstratearray”，VibrationalSpectroscopy，v.29，p.79-82，2002，H.Fanetal.，“Self-AssemblyofOrdered，Robust，Three-DimensionalGoldNanocrystal/SilicaArrays”，Science，304，567-571(2004)，被用于在銀鏡上形成密集排列的銀納米微粒陣列。銀納米微粒通過在LeeP.C，Meisel，D.J.，J.Phys.Chem.，86，P.3391(1982)中公開的方法制備，聚(乙烯替吡咯烷酮)被用作封堵劑(cappingagent)。首先，將硝酸銀(0.2g，Aldrich，99+％)溶解于3ml乙二醇(Aldrich，99.8％)中。將1g聚乙烯吡咯烷酮(Aldrich，MW≈40000)加入到15mlL乙二醇中并對該混合物進(jìn)行攪拌并加熱至197°C。然后將乙烯醇溶液中的硝酸銀注入到加熱的聚(乙烯替吡咯烷酮)中。然后該反應(yīng)混合物在197℃加熱1小時。銀納米微粒通過離心法進(jìn)行沉淀。特別是，反應(yīng)混合物被冷卻到室溫，以丙酮稀釋(大約10倍體積)，并以4000rpm離心20分鐘，利用吸液管將液態(tài)除去。用水沖洗納米微粒，并用丙酮和水清洗2-3次，以除去多余的表面活性劑/聚乙烯吡咯烷酮。用于銀沉積的玻璃載片首先通過浸泡在氫氧化納NaOH(Aldrich，99％)溶液(含0.1MNaOH的75％乙醇水溶液)中進(jìn)行清洗。2小時后，以超純水清洗玻璃載片并風(fēng)干。通過EdwardsEB3e-beam蒸發(fā)器以432A將銀薄膜(厚度＝100nm)沉積在清潔的玻璃載片上。將所獲得的玻璃載片浸泡在1wt％聚(乙烯替吡咯烷酮)(Sigma，Mw≈37500)溶液中。4小時后，用超純水沖洗載片并風(fēng)干。隨后將載片放置在加熱板上并在50℃下烘干15分鐘。將己烷溶液中的銀納米微粒小心地滴在水面上，其中己烷在水面上擴(kuò)散以形成薄的油膜。當(dāng)己烷蒸發(fā)時，薄膜表面收縮直至所有己烷蒸發(fā)掉而銀納米微粒被自組裝到密集排列的單層中。通過使載片與水面平行并輕輕地使基板與納米微粒膜接觸將銀單層轉(zhuǎn)移到載片表面?？梢酝ㄟ^重復(fù)該步驟獲得多層銀納米微粒(如附圖中所示)。在加熱板上將載片在50℃下烘烤15分鐘。制備載片的方法與下述文獻(xiàn)公開的方法相同H.S.Shin，et.al.“DirectpatterningofsilvercolloidsbymicrocontactprintingpossibilityasSERSsubstratearray”，VibrationalSpectroscopy，v.29，p.79-82，2002，H.Fanet.al.“Self-AssemblyofOrdered，Robust，Three-DimensionalGoldNanocrystal/SilicaArrays”，Science，304，567-571，2004。以此方法制備的典型SERS結(jié)構(gòu)的AFM圖像示于圖6中，顯示出NP的高密度陣列接近于周期結(jié)構(gòu)。示例3待分析物羅丹明6G(R6G)的實(shí)驗(yàn)測量設(shè)計(jì)用于本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被示于圖7A-7C中。測量是利用Horiba-JobinYvon拉曼顯微鏡LabRamHR800執(zhí)行的。流體樣品的SERS光譜的測量是通過使用由硼硅酸鹽玻璃制成的流控單元實(shí)現(xiàn)的。流控單元的示意圖示于圖7A(頂視圖)和圖7B(截面圖)中。玻璃流控單元包含形成在玻璃載片14上具有1.2至2.0nm深度的流體通道84。SERS-活性結(jié)構(gòu)150的厚度為0.8nm。實(shí)驗(yàn)中，參數(shù)的最佳值如流體通道的深度被確定，例如用于通過拉曼顯微鏡中的聚焦物鏡聚焦激光光束的最佳條件。玻璃蓋片16的使用是很嚴(yán)格的，以便于在所有測量步驟(sets)中保持待分析物層的相同厚度。結(jié)果，流體通道的最佳深度被確定為大約1.5mm。根據(jù)以摩/升為單位測量的待分析物分子在溶液中的濃度，也可以利用流控單元確定溶液中待分析物的準(zhǔn)確檢測界限。出于此目的對每個待分析物確定Langmuir吸收等溫線。羅丹明6G(R6G)的水溶液被制備為濃度在最低10-10moles/L至最高10-3moles/L的范圍內(nèi)。作為第一步，以具有最低待分析物濃度進(jìn)行拉曼光譜的測量然后以相同的SERS-活性板但以具有增大濃度的待分析物進(jìn)行測量。在過程的每一個步驟中，利用吸液管160a將待分析物溶液注入到流控單元中，然后以玻璃蓋片覆蓋。在進(jìn)行拉曼光譜測量后，將待分析物溶液以高濃度的新的待分析物溶液替代，然后在聚焦照射光束的狀態(tài)下重復(fù)測量。調(diào)節(jié)拉曼顯微鏡的聚焦以獲得最佳照射狀態(tài)，并且這些設(shè)置用于隨后所有的測量。在每個下面的步驟中，流控單元中的溶液被具有增高濃度待分析物的溶液替代，利用吸液管106b移走待分析物溶液。圖7C示出了用于測量的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。在圖中，光學(xué)傳感器納米結(jié)構(gòu)150被由透鏡組件72聚焦的光束70照射。來自樣品的散射光被組件72聚焦，并通過分束器160導(dǎo)向多通道拉曼分析系統(tǒng)170，并在計(jì)算機(jī)180上執(zhí)行光譜分析。該方法允許在多次測量中使用相同的SERS-活性基板。這也能測試基板的穩(wěn)定性。利用1.5mm深的流控單元和拉曼顯微鏡Horiba-JobinYvonLabRamHR800對利用R6G獲得的典型實(shí)施數(shù)據(jù)的結(jié)果示于圖8至11中。在這些數(shù)據(jù)中，對于R6G的檢測限制(LOD)量被確定為100nanoM/I。LOD被定義為第一濃度，在該濃度處第一次出現(xiàn)拉曼光譜中的R6G的區(qū)別光譜特征。圖8示出了濃度為500nanoM/L的R6G的SERS光譜，樣品的激光能量為4.1μW，積分時間為10秒，激發(fā)光束的波長為514nm，使光束聚焦在基板表面的物鏡為50×/0.45，以及在樣品上的焦斑(focalspot)的直徑為2微米。該光譜是不減去背景獲得的。其甚至可以在非常低的照射能量處看到，拉曼信號非常強(qiáng)，對于最強(qiáng)線產(chǎn)生每秒7000計(jì)數(shù)。除樣品的激發(fā)能量極小外，低至0.4μW，圖9示出了與圖8的設(shè)置相同狀態(tài)下的R6G的SERS光譜。盡管在這種情況下拉曼信號小(大約每秒200計(jì)數(shù))，但是代表SERS光譜質(zhì)量的信噪比仍然非常高，大于100。圖10A和10B示出了在SERS基板20微米乘20微米區(qū)域繪制的拉曼光譜圖。在該實(shí)驗(yàn)中的激發(fā)能量為32μW，對于每個單個光譜的收集時間為1秒，繪制區(qū)域?yàn)?0×20微米，圖的測量是在1微米步幅下作出的且光譜的全部數(shù)目為400點(diǎn)。整個圖利用Horiba-JobinYvonLabRamHR800拉曼顯微鏡的自動平臺系統(tǒng)制作用時7分鐘。圖10A示出了R6G主要峰值的強(qiáng)度的拉曼圖，其在1280-1400cm-1間距的積分利用基線校正，其中強(qiáng)度以百分比(％)給出。結(jié)果示出了根據(jù)本發(fā)明的SERS-基板的增強(qiáng)特性的表面的高均勻性。如圖10B所示主要光譜特征的強(qiáng)度的最大變化小于25％，其中標(biāo)出最大和最小強(qiáng)度的光譜用于比較。圖11A和11B示出了相同數(shù)據(jù)，但其中SERS光譜組沿由20個點(diǎn)構(gòu)成的一條線，在圖11B中表示為3-D圖。數(shù)據(jù)顯示了根據(jù)本發(fā)明的SERS-基板的增強(qiáng)特性的表面的高均勻性，意味著能夠獲得SERS-基板的實(shí)際使用中關(guān)鍵的高密度的“熱點(diǎn)”，并示出了SERS-基板超過現(xiàn)有技術(shù)中可提供的其他方面的優(yōu)越性。特別是，本發(fā)明制備的基板已經(jīng)揭示了與其他SERS基板相比具有不平常的強(qiáng)大增強(qiáng)的拉曼信號。最特別的是甚至在0.4微瓦的照射能量下(參見圖9的數(shù)據(jù))獲得強(qiáng)拉曼信號。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示本發(fā)明的SERS板在拉曼信號的放大方面超過(excede)IntelPrecisionBiologyGroup開發(fā)的當(dāng)前存在的SERS板中獲得的拉曼信號的放大率(S.Chanetal.，“SurfaceEnhancedRamanScatteringofSmallMoleculesfromSilver-coatedsiliconnanopore”，AdvancedMaterials，15，1595-1598，2003，至少5至6個量級。這意味著本發(fā)明的基板能夠可再現(xiàn)和穩(wěn)定地提供高至1012到1014的放大系數(shù)，其能夠用于單個分子靈敏度。雖然本發(fā)明已經(jīng)對某些實(shí)施例和應(yīng)用進(jìn)行了描述，但應(yīng)當(dāng)理解多種改進(jìn)和變化、以及其他應(yīng)用都沒有脫離本發(fā)明的范圍。權(quán)利要求1.一種用于可見光激光激發(fā)光束和拉曼光譜儀檢測器的光學(xué)傳感器，用于檢測提供給傳感器的待分析物中化學(xué)基團(tuán)的存在，包括(a)基板；(b)形成在基板的傳感表面上的等離子體諧振鏡；(c)布置在所述鏡上的，由周期性等離子體諧振微粒陣列構(gòu)成的等離子體諧振層，具有(i)有效連接待分析物分子的涂層，(ii)在50-200nm選定尺寸范圍內(nèi)的基本均勻的微粒尺寸和形狀，(iii)小于激光激發(fā)光束的波長的規(guī)則的周期性微粒-微粒間距，以及(d)將所述鏡與所述微粒層分隔開的具有2-40nm之間厚度范圍中選定厚度的光學(xué)透明絕緣層；其中在所述檢測器中以所述激光激發(fā)光束照射粘附于所述微粒層的待分析物，所述待分析物的拉曼光譜具有至少1010的放大系數(shù)。2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述鏡為鏡厚度在大約30-500nm之間的銀、金或鋁鏡。3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述微粒具有50-150nm尺寸范圍內(nèi)的選定最大尺寸。4.如權(quán)利要求3所述的傳感器，其中所述微粒由銀、金或鋁固體或涂層微粒形成。5.如權(quán)利要求4所述的傳感器，其中所述鏡和微粒是兩個都為金或兩個都為銀。6.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述微?；緸榍蛐巍?.如權(quán)利要求5所述的傳感器，其中所述微粒為圓柱體或條。8.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述微粒層由在等離子體金屬層中擴(kuò)展的孔形成。9.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述微粒層由具有微粒-微粒間距的微粒尺寸加上0至20nm的規(guī)則的密集排列的等離子體諧振微粒陣列形成。10.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述微粒層包括在至少一個方向上的至少50個微粒的周期陣列。11.如權(quán)利要求6所述的傳感器，其中所述微粒層包括在兩個平面方向的每一個方向上的至少50個微粒的周期陣列。12.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其包括一個或多個另外的微粒層，每個通過具有2-40nm之間厚度的光學(xué)透明絕緣層與正下方的微粒層間隔開。13.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其中所述基板為具有彎曲的傳感器表面的微粒珠狀物。14.一種利用至少為1010的放大系數(shù)檢測待分析物中化學(xué)基團(tuán)的方法，包括(a)將待分析物粘附到一種光學(xué)設(shè)備中的等離子體諧振微粒的表面，所述光學(xué)設(shè)備包括(a)基板；(b)形成在基板的傳感器表面上的等離子體諧振鏡；(c)布置在所述鏡上，由周期性的這種等離子體諧振微粒陣列構(gòu)成的等離子體諧振微粒層，所述等離子體諧振微粒陣列具有(i)有效粘附待分析物分子的涂層，(ii)50-200nm之間選定尺寸范圍內(nèi)的基本均勻的微粒尺寸和形狀，(iii)小于激光激發(fā)光束的波長的規(guī)則的周期性微粒-微粒間距，以及(d)將鏡與所述微粒層分隔開的具有2-40nm之間厚度范圍中選定厚度的光學(xué)透明絕緣層；(b)以可見光激光器激發(fā)光束照射粘附于所述微粒的待分析物分子；以及(c)記錄通過照射產(chǎn)生的拉曼光譜。15.如權(quán)利要求14所述的方法，其對于產(chǎn)生至少為1012的放大系數(shù)是有效的，并能夠在一個或少數(shù)幾個待分析物分子中檢測化學(xué)基團(tuán)。16.如權(quán)利要求15所述的方法，其中所述照射是以0.1和1mW之間的光束功率水平實(shí)現(xiàn)的。全文摘要公開了一種用于可見光激發(fā)光束和拉曼光譜儀檢測器的光學(xué)傳感器和方法，用于檢測提供給傳感器的待分析物中的化學(xué)基團(tuán)的存在。該傳感器包括基板，形成在基板的傳感器表面上的等離子體諧振鏡，布置在鏡上的等離子體諧振微粒層，以及將鏡與微粒層分隔開的大約2－40nm厚的光學(xué)透明絕緣層。微粒層由周期性的等離子體諧振微粒陣列構(gòu)成，該陣列具有(i)有效粘附于待分析物分子的涂層，(ii)50－200nm之間選定尺寸范圍內(nèi)的基本均勻的微粒尺寸和形狀，(iii)小于激光激發(fā)光束的波長的規(guī)則的周期性微粒－微粒間距。該設(shè)備能夠以高至10文檔編號G01J3/44GK1957245SQ200580016209公開日2007年5月2日申請日期2005年5月19日優(yōu)先權(quán)日2004年5月19日發(fā)明者V·波波尼恩申請人:Vp控股有限公司