專利名稱：制備用于分子檢測的基材的方法和設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于制備基材表面或具有表面的載體材料，該表面用于通過拉曼散射檢測材料和化合物例如有機分子和生物分子。
背景技術：
表面增強拉曼散射或表面增強光譜法(SERS)是非常靈敏和有價值的分析工具，其通過吸附到或位于特定SERS活性金屬表面的分子來增強拉曼散射。信號增強可以高達IO14或1015，因此該方法可以用于檢測感興趣的單一分子。所述增強的確切機理目前尚不清楚，但存在兩種主導理論。一種理論是電磁理論，即增強來自于局部表面等離子體激元(plasmon)的激發。另一方面，化學理論將所述增強歸因于電荷轉移配合物的形成。然而，化學理論只適用于與表面成鍵的物質，因此它不能解釋所有情形中的增強，而電磁理論的適用性更寬。用于SERS的典型表面包括銀、金、銅、鈀、或鉬的顆粒或粗糙表面。為了獲得SERS效應，表面必須是粗糙的，它們不能是光滑的。該表面可以通過將金屬的光滑表面粗糙化或通過將納米尺寸的金屬顆粒沉積到表面上來制備。納米顆粒的形狀和尺寸以及納米顆粒層的厚度都影響SERS信號。由于SERS需要粗糙的金屬表面，因此制造光滑薄膜的常規薄膜生長技術不適合于形成SERS基材。
制造SERS基材的一種方法是將含有納米顆粒的溶劑液滴流延(drop-cast)或鋪展到表面上；然而，該方法的不足在于SERS活性區域的不均勻性，缺乏可重復性，和不一致的信號增強。形成SERS表面的又一種方法是化學組裝法，其也被稱作Langmuir-Blodgett (LB)法，該方法公開于 A. Tao 等人的 “Langmuir-Blodgettry ofNanocrystals and Nanowires，，Acc. Chem. Res. Vol. 41. (2008) 1662-1673。在 LB 法中，貴金屬納米顆粒用疏水分子改性，然后分散在不混溶于水中的揮發性化合物中。該方法相對簡單并且可用于大規模應用；然而，納米顆粒溶液的穩定性可能成為問題。在另一方法中，通過用金屬涂覆圖案化的表面來制備提供載體材料或基底的基材。首先將圖案壓印到表面中。然后，將SERS活性金屬以電化學方式或物理方式涂覆到該圖案化的表面上，以增強SERS信號，這公開于B. Yan等人的〃Engineered SERS Substrateswith multiscale signal enhancement:nanoparticle cluster arrays^ACS Nano,Vol. 3. (2009) 1190-1202。該方法需要多個步驟來獲得期望的SERS基材并且通常是昂貴的，因為需要用于制造所述表面的裝置如光學或電子光刻。在又一方法中，載體材料表面首先通過激光納米加工改性，然后用SERS活性金 屬進行涂覆。例如，飛秒激光加工已用于制備納米結構表面，然后用反應性金屬涂覆以用于SERS和其它光子感知方法；然而，該方法仍需要多個步驟來制備基材，如美國專利7，586,601中所披露的。該方法與上述的基于光刻技術的其它圖案化基材相比是廉價的，但它仍是多步工藝并且是耗時間的。非常希望開發一種在基材上制造SERS活性金屬表面的方法，該方法是廉價的、快速進行的、高度可重復的、和可調節用于檢測各種物質。發明概述本發明包括在用于拉曼光譜法的基材上形成SERS活性金屬表面的方法以及通過該方法形成的產品。該方法包括以下步驟提供具有相對平坦表面的基材或載體材料，和以單一步驟通過包括超短脈沖激光沉積、超短背側轉移脈沖激光沉積、或濺射的工藝將納米結構的金屬層施加到該表面，從而形成用于拉曼光譜法的基材。該產品可以用于表面增強的拉曼光譜法(SERS)、表面增強的共振拉曼光譜法(SERRS)、表面增強的超拉曼光譜法(SEHRS)、表面增強的相干反斯托克斯拉曼光譜法(SECARS)、和表面增強的紅外吸收(SEIRA)。該方法快速、廉價、高度可重復，并且可調節以實現基于所使用的活性金屬或所檢測的物質的檢測的優化。該方法允許向表面上施加活性金屬層的厚度梯度，使得可通過將信號強度與梯度上的位置協調來容易地確定用于檢測感興趣的化合物的最佳厚度。該方法還允許在施加活性金屬表面前用其它材料預涂覆基材表面以便增強來自該活性金屬層的拉曼信號。在這種實施方案中，SERS活性金屬不直接接合到基材表面上。附圖簡述圖IA示意性地展示了根據本發明的脈沖激光沉積系統的若干組件，且圖IB示意性地展示了本發明的若干關鍵組件；圖2A-2C示意性地展示了脈沖激光系統和可用于根據本發明調節薄膜性質的激光參數的一些實例；圖3A-3C分別展示了根據本發明的厚度梯度薄膜、不同粗糙度庫(library)、和涂層庫的樣品說明；圖4示意性地展示了根據本發明的背側轉移脈沖激光沉積系統的配置；圖5示意性地展示了根據本發明的拉曼測量的系統；圖6A顯示了藍寶石基材上Au厚度梯度薄膜的原子力顯微鏡圖像，且圖6B顯示了根據本發明制備的Au納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像；圖7A和7B比較了使用市售SERS基材和根據本發明制備的基材獲得的背景熒光和拉曼光譜信號；圖8顯示了裸玻璃上的20納米厚SERS活性金屬Au涂層和TiO2預涂覆的薄膜的三種不同粗糙度庫的掃描電子顯微圖像；圖9顯示了根據本發明的在不同粗糙度TiO2預涂覆的薄膜上使用20nm或100納 米Au薄膜的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號與市售產品Klarite 的比較；圖IOA顯示了各種SERS基材上O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號，且圖IOB是根據本發明通過到基材上的背側轉移PLD制備的Au薄膜的SEM圖像；
圖11顯示了根據本發明的基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號，其中該基材在沉積SERS活性金屬涂層前已進行了預涂覆；圖12A顯示了藍寶石基材上Ag厚度梯度薄膜的原子力顯微鏡圖像，且圖12B顯示了根據本發明制備的Ag納米顆粒的TEM圖像；以及圖13顯示了根據本發明制備的Ag SERS活性金屬基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號。詳細描述如上所述，非常希望開發一種在基材上產生SERS活性金屬表面的方法，該方法廉價、快速實施、高度可重復、并可調節用以檢測各種物質，包括有機分子和生物分子。本發明是在基材上制備SERS活性金屬表面的簡化的一步方法，其具有改進的可靠性、改進的可重復性、降低的成本、并且能調節以對特定分子的檢測而優化。本發明采用脈沖激光沉積(PLD)，尤其是使用超快激光，以單一步驟方法在載體材料的表面上制造功能性SERS活性金屬表面。當與市售的SERS基材Klarite 相比時，根據本發明制備的sers基材顯示出更好的樣品檢測信號，具有更少的來自基材的熒光背景信號。如上所述，SERS活性金屬表面不必直接施加到基材表面，可以存在一個或多個的如下所示的中間層。在本說明書和權利要求書中，用活性金屬涂層涂覆基材表面不需要直接施加到該表面，即可以存在中間層，除非如此規定。根據一種實施方案，圖IA和IB示意性地展示了脈沖激光沉積(PLD)系統的幾個元件和用于實施本文披露的實驗的實驗布置。本發明的多種實施方案中使用的PLD系統與2009年3月11日提交的名為〃A Method for Fabricating Thin Films"的美國專利申請第12/401,967號中所述的類似，其中展示了突發-模式脈沖的操作。PLD系統10包括真空室12和相關的渦輪和機械泵(未在圖中顯示)，靶操縱器14，氣體入口 16，和基材操縱器18。通過透鏡22透過熔凝氧化硅窗口 26將激光束20聚焦在靶24表面上。靶操縱器14為多個靶24材料提供旋轉和橫向移動，而基材操縱器18為基材28或載體材料提供加熱以及旋轉和橫向移動。氣體入口 16向真空室12提供氣體并用于調節它們的壓力。真空室12和相關的泵能夠產生從大氣壓力到lXlO.mbar的極高真空的條件。根據本發明的PLD系統10的其它特征包括可移動的遮罩30和磁濺射搶32。配有線性運動饋通的遮罩30用于在PLD過程期間完全或部分地覆蓋或露出(uncover)基材28。本發明的單一步驟方法僅需要向基材28表面上生長SERS活性金屬薄膜。遮罩30可以用于防止在PLD過程期間產生的等離子羽流34沉積到一部分基材28上。通過在PLD過程期間移動遮罩30，可以在基材28上沉積一系列漸變厚度的SERS活性材料。在一些實施方案中，可以使用基于電流計的掃描系統(未不出)跨越祀24掃描激光束20。激光束20掃描的方向可垂直或側向于祀24。在SERS活性金屬涂層沉積之前或之后，磁濺射槍32可以用于將材料沉積到基材28上。可在本發明的各種實施方案中使用的基材或載體材料包括各種表面，包括玻璃、硅、Al2O3、有機膜、和金屬箔。在本發明的方法中，優選以“突發模式”操作PLD系統激光以便在基材表面上生長SERS活性金屬涂層。各突發(burst)包括在時間上緊密間隔的激光束脈沖串。可改變脈沖參數如突發中的脈沖數、突發重復率、和激光束注量(fluence)以便為基材上納米顆粒生長提供能調節的尺寸控制。在該方法中，可通過多種本領域技術人員已知的若干方法產生所述突發。在一種方法中，突發通過使用分束鏡和延時器(delay stage)通過光束分離和再合并來產生。在另一種方法中，通過聲光調制器(AOM)實現所述突發，該聲光調制器用于啁啾脈沖放大(CPA)系統中的脈沖選擇，并且所述突發的寬度和突發重復率分別通過AOM的選通寬度(gate width)和重復率決定。圖2A展示了根據本發明用于產生超短脈沖的光纖基啁啾脈沖放大系統。能夠產生亞皮秒脈沖的市售激光器是頂RA America，Inc的FCPA μ Jewel D-1000。降值計數器或脈沖撿取器(picker)用于將振蕩器的重復率從約IMHz至IGHz降低到IOOkHz至約5MHz的重復率。例如，如果振蕩器的重復率是50MHz并且以1:50的比率選擇脈沖，則所得輸出重復率為1MHz。標準D-1000配置提供IOOkHz至5MHz的重復率，以及脈沖能量和脈沖寬度的相應變化。例如，為IOOkHz的運行指定約10微焦耳的脈沖能量。對于5MHz的運行，可提供幾百納焦耳的脈沖能量。可以產生亞皮秒脈沖，例如約700飛秒至約I皮秒的脈沖寬度。
“突發模式"PLD系統可包括提供對圖2A的數字控制器的訪問的用戶界面。對降值計數器或其它合適的脈沖撿取器編程，使得脈沖數、脈沖間隔、脈沖強度、和突發強度輪廓(profile)(意指由所述突發的脈沖限定的包絡)可在合理的范圍內調節，例如約10:1。圖2B示意性地展示了輸出脈沖是如何產生的。在該實例中，鎖定模式的振蕩器以高重復率運行例如運行在50MHz以上。在用功率放大器放大之前，來自該鎖定模式源的脈沖被暫時伸展(stretch)。通過聲光調制器(AOM)或其它合適的脈沖撿取器進行一個或多個脈沖的選擇以便產生輸出脈沖并且控制有效的輸出脈沖重復率。各突發中的脈沖數由AOM選通寬度(其表示開關打開期間的持續時間)確定。例如，典型的振蕩器產生50MHz高重復率的脈沖，因而脈沖間隔為20納秒。因此，如果AOM選通每次打開100納秒，則輸出突發模式在各突發中將具有5個脈沖，并且突發重復率將由AOM的重復率決定。圖2C示意性地展示了突發模式中的激光脈沖串和一些用于調節根據本發明沉積的SERS活性金屬薄膜的表面形態的激光參數。各突發脈沖包括一組緊密間隔的脈沖。可調節的激光參數包括脈沖寬度、突發重復率、脈沖間隔時間、每個突發的脈沖數、和脈沖能量。可以通過改變這些激光參數來實現調節薄膜粗糙度。對于典型的脈沖放大系統，通過可改變的振蕩器重復率來確定基礎重復率(其表示突沖內脈沖的重復率)。
在本發明的一些實施方案中，當使用PLD時，每個突發的脈沖數可以為1-100，更優選每個突發的脈沖數為2-50。所述突發的重復率優選為lkHz-lOOMHz。脈沖重復率優選為IMHz-lGHz，并且脈沖間隔為I納秒-I微秒，或重復率為lOOkHz-lOOMHz。脈沖能量可以為I納焦耳-10毫焦耳，更優選10納焦耳-100微焦耳，最優選為50納焦耳-10微焦耳。激光注量優選為I毫焦耳/cm2-100焦耳/cm2，更優選10毫焦耳/cm2-50焦耳/cm2。脈沖寬度可以為10飛秒-100納秒，更優選I皮秒-200皮秒。激光束波長根據來源可以為200納米-2000納米。激光束聚焦光斑直徑可以為5微米-500微米，更優選10-450微米。利用這樣的系統，通常，當每個突發的脈沖數和突發重復率提高時，顆粒尺寸減小。利用根據本發明的超短激光提供三種主要的益處。飛秒到皮秒的短脈沖持續時間表明存在高的峰值功率密度。因此，燒蝕閾值降低了 I到2個數量級，因此總脈沖能量可以降低到微焦耳范圍，而不是毫焦耳范圍。此外，受熱區顯著減少，因此在沉積期間液滴迸濺更少。圖3A是根據本發明施加到基材的SERS活性金屬的薄膜的厚度梯度的示意展示。所沉積的SERS活性金屬例如Au或Ag的量在區域A中連續且線性地變化從而產生其中SERS活性金屬涂層的厚度變化的涂層。使用Inficon的微量天平監測器確定給定位置處的厚 度。利用靶材料沉積到基材上時遮罩的移動來實現該梯度層。通過觀察表面形態和拉曼光譜法結果的位置相關性，SERS活性金屬厚度的變化可以用于優化SERS測量。圖3b展示了用于研究對根據本發明沉積的金屬的不同厚度的粗糙度和/或材料相關性的基材臺面示意圖。在SERS活性金屬涂層之前，將三種不同粗糙度的TiO2薄膜涂覆到玻璃基材表面上。使用由本申請的發明人先前披露的突發模式fs-PLD制備TiO2薄膜。當使用較高數目的突發脈沖時，所得薄膜表面較光滑。首先，利用23個突發脈沖將光滑的TiO2薄膜涂覆到列1、2和3上，而列4保持為裸玻璃。其次，在已有的TiO2膜上，利用5個突發脈沖將其次最粗糙的TiO2薄膜涂覆于列I和2上。最后，在先前的兩個涂層上，利用單一脈沖將最粗糙的TiO2薄膜涂覆到列I上。由于表面形態受最粗糙區域的最大影響，在列I和2的表面上產生最粗糙的薄膜。在PLD過程期間不同的區域由遮罩分開，如圖IA中所示。接下來，以行的形式向與TiO2列垂直的基材列上生長不同厚度的Au薄膜。因此，這是個SERS活性金屬不直接沉積在基材表面上的實例。Au薄膜的厚度為例如1、5、20、和100納米，分別對應于A-D行。激光功率和突發頻率分別設定為5. 3W和1MHz、以及2個脈沖，從而生長Au膜。這得到了 1-4列和A-D行的網格(grid work)來研究預涂覆和SERS活性金屬涂層厚度的影響。圖3C是用于研究SERS活性金屬涂層之下的材料涂層對SERS增強的影響的另一基材四分體(quadrant)的示意展示。同樣地,SERS活性金屬并不直接施加于基材。該基材是玻璃，并且遮罩用于在所述方法期間產生該四分體。首先使用本領域已知的DC磁控濺射涂覆器以100納米厚的Pt薄膜涂覆四分體I和2。將該基材暴露于空氣一次，然后置于真空室以使用本發明的PLD系統生長用于SERS的Au薄膜。Au薄膜在四分體2和4上生長。四分體3在各過程中都未被涂覆并保持為裸玻璃。還可使用根據本發明的PLD沉積該Pt薄膜。圖4示意性地展示了背側轉移脈沖激光沉積的配置，其也可用于本發明中來產生涂有SERS活性金屬的基材。通過磁控濺射涂覆器用SERS活性金屬如Au或Ag的薄膜42來預涂覆靶40如玻璃。預涂覆膜42的厚度決定了可以施加到SERS基材44的最大厚度。具有膜42的靶40放置在板(未示出)上，然后將對激光束波長透明的裸基材44 (如玻璃)放置于其上。激光束46照射穿過透明基材44。Au薄膜從靶40轉移到基材44。膜42和基材44之間的間隙48可以為0-1000微米，更優選0-100微米。美國專利US7，608, 308和2009年3月9日提交的美國申請12/400，438中進一步說明了背側轉移PLD的方法。在一個實例中，激光功率、突發頻率、和每個脈沖的脈沖數分別設定在5W、200kHz、和I個脈沖。圖5展示了進行拉曼散射測量的示意圖。將具有根據本發明施加的SERS活性金屬表面的基材60面超上放在裝有含分析物的溶液64的容器62中。該分析物用于評價SERS增強。激光束66聚焦在基材60的SERS活性金屬表面上。為了防止溶液64蒸發，將玻璃蓋子68置于容器62之上。使用可移動的XYZ架臺70 來調節激光束66相對于基材60的位置和聚焦點。對于用Au涂覆的SERS基材60，激發激光的波長為633納米，狹縫寬度為50微米，狹縫密度為1800線/毫米，并且激光光斑尺寸為10微米。對于用Ag涂覆的SERS基材60，激發激光的波長為514納米，狹縫寬度為50微米，狹縫密度為1800線/毫米，并且激光光斑尺寸為5微米。圖6A顯示了藍寶石基材上SERS活性金屬Au膜的原子力顯微鏡(AFM)圖像。在這些圖像中，根據本發明產生如圖3A中所述的Au梯度。區域A為7毫米長，并且在該距離上Au膜的厚度為0-7納米。用于生長Au薄膜的激光功率、突發頻率、和每個突發的脈沖數分別為6. 5W、IMHz、和2個脈沖。Au在基材上的沉積速率約O. 03納米/秒。如上所述，使用遮罩來產生變化的厚度。圖6A中的圖像1-4的厚度分別為1、3、5和7納米。圖6B是在涂覆碳的TEM網格上制造的Au納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。厚度為3納米。從結果可以看出，存在至少兩個群體(population)的納米顆粒,一個群體具有2_10納米直徑的顆粒尺寸，另一個群體具有約25-50納米直徑的顆粒尺寸。可以通過改變Au膜的設計厚度或生長條件來控制這兩個群體之間的比例。在圖7A中，比較了使用根據本發明制備的SERS活性金屬基材或市售SERS基材Klarite 由O. 2重量％吡啶水溶液獲得的拉曼強度信號和熒光背景信號。根據本發明制備的樣品包含的基材具有作為SERS活性金屬的Au的梯度。該基材如圖3A所示制備，并且區域A為7毫米長，且厚度梯度為0-7納米的厚度。用于根據本發明生長Au薄膜的激光功率、突發頻率、和每個突發的脈沖數分別為5. 3W、IMHzjP 2脈沖/突發。沉積速率為約O. 03納米/秒。使用市售SERS基材Klarite 作為標準樣與本發明的基材進行比較。在用金涂覆的硅晶片上制造Klarite 設備。在該圖中4毫米X4毫米的圖案化區域顯示為Klarite 傳感器(sensor),并且非圖案化區域為Klarite 無傳感器(non-sensor)。這些測量的積分時間對于Klarite 為100秒而對于根據本發明的基材為200秒。圖7A中的數據顯示，在約3納米的膜厚度，拉曼強度達到峰值并且熒光背景信號在這樣的厚度下也是相當低的。與無傳感器區域相比，在Klarite 的傳感器區域中觀察到了 SERS增強，但信號不是非常強，并且不如在根據本發明的基材中在3納米的涂層下獲得的信號那么強。而且，雖然積分時間較短，但Klarite 的熒光背景信號非常大。值得一提的是，熒光背景信號隨著積分時間增加而增加，但峰計數不會隨著積分時間的量改變。還注意到，Klarite 的無傳感器區域具有低熒光背景，但不具有足夠高的SERS信號增強。圖7B在0. 2重量％吡啶溶液的檢測中對根據本發明制備的3納米厚Au膜與市售基材Klarite 進行了比較。線80和86是根據本發明的Au膜而線82和84是Klarite 的結果。提取光譜背景以便在線80和82之間進行比較。該圖清楚地表明，根據本發明制備的SERS基材顯示出比Klarite 高得多的信號增強。該圖的插入圖顯示了這兩種基材的原始拉曼信號，含有熒光背景。Klarite 具有高得多的背景和低得多的SERS信號增強。這些測量的積分時間對于Klarite 為100秒而對于根據本發明制備的Au膜為200秒。本發明中的另一顯著結果是在水溶液中沒有表面活性劑的金膠體可成功地檢測到吡啶分子的其它四個拉曼非活性振蕩模式，而通常只有紅外吸收光譜才可以觀察到如約HOOcnT1處的峰。由于本發明的基材在金表面上也不含任何表面活性劑，該特征也能由本發明檢測到,并且對于試樣的表征也是有利的。這些結果證實了本發明的有效性和價值，并且對于制造用于SERS檢測的商品化基材來說是非常有前景的，因為所公開的發明僅需要Au涂覆到基材上的單一步驟。本發明 的方法是相對快速的、廉價的并且高度可重復性的。此外，所公開的發明可以通過使用遮罩來調節SERS活性金屬的量而易于優化Au或其它SERS活性金屬的覆蓋率。因此，根據所檢測的成分和所選擇的活性金屬，可以首先運行膜厚度梯度，選擇提供最佳信號的那個，然后制備在該水平下用SERS活性金屬涂覆的另一基材。與其它公開的方法不同，SERS活性金屬的需要量低得多。例如，如上所述3納米厚度的Au對于吡啶檢測來說工作地非常好。其它現有技術披露的方法都需要100納米至500納米的SERS活性金屬涂層厚度以提供足夠的信號。因此，本發明的方法提供了巨大的材料成本節省。使用脈沖持續時間小于200皮秒的超短脈沖激光的脈沖激光沉積在本發明的方法中是優選的，然而，如果可以通過使用物理氣相沉積技術如使用納秒脈沖激光的PLD或在大于IOOmbar的高壓的濺射工藝來獲得類似的納米顆粒聚集體結構同時控制納米顆粒的尺寸和分散，則可望實現類似的SERS增強。例如，已通過在高壓惰性氣體中的脈沖激光沉積制備了納米尺寸的娃晶體。參見Yoshida等人的Nanometer-sized SiliconCrystallites Prepared By Excimer Laser Ablation In Constant Pressure InertGas, AppI. Phys. Lett. 68，ppl772_1774，1996。此外，由于在本發明中，不必加熱基材來使SERS活性金屬薄膜生長，可以使用熱敏感材料如有機膜和金屬箔作為用SERS活性金屬涂覆的基材。這些基材的實例包括聚合物膜如聚對苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)，以及單面或雙面壓敏膠帶如Sc0tchK膠帶；金屬片材如不銹鋼、Cu JPAl ;半導體如Si ;金屬氧化物如玻璃、A1203、SrTiO3> ZnO、TiO2、和BaTi03。根據本發明制備的納米結構體優選包括納米顆粒、納米顆粒聚集體、納米線、納米棒、納米管、納米片或它們的混合物。當該結構體包括納米顆粒時，它們的尺寸優選為I納米至1000納米,更優選2納米至100納米。根據本發明的設置在基材上的SERS活性金屬薄膜不必直接與該基材表面接觸，如上所述。其它材料的薄膜層可設置在基材表面和SERS活性金屬薄膜之間。例如在下一實驗中，使用突發模式PLD對玻璃基材預涂覆TiO2薄膜，并且改變PLD參數以便在TiO2涂層中產生不同粗糙度。然后用根據本發明的20納米厚的SERS活性金屬Au層或100納米厚的層涂覆該基材。當使用較高數目的突發脈沖時，所得薄膜表面較光滑。因此為了首先預涂覆所述玻璃基材，使用5W和IMHz的激光功率，使用每突發23脈沖，將光滑的TiO2薄膜涂覆到區域A、B和C上。其次，使用每突發5個脈沖再次用TiO2薄膜涂覆區域A和B。這在A和B上產生了比C更粗糙的涂層。最終，使用每突發單一脈沖進行涂覆在區域A上產生最粗糙的TiO2薄膜。區域D保持為裸玻璃基材并且僅Au涂覆在其上。然后用根據本發明的SERS活性金屬Au的20納米或100納米厚的膜涂覆所有區域。為了生長Au膜，激光功率、突發頻率、和每個突發的脈沖分別設定為5. 3W、lMHz、和每個突發2個脈沖。Au膜垂直于TiO2膜生長。圖8顯示了具有20納米厚Au膜的四個區域A-D的掃描電子顯微(SEM)圖像。本發明的發明人證實，100納米厚Au膜也具有類似的表面形態(未示出)。在圖9中，顯示了使用圖8的各種SERS基材檢測的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號。這些光譜對應于以下基材線I是市售產品Klarite ;線2是區域B上的100納米Au，中等粗糙度TiO2 ;線3是區域C上的100納米Au，光滑TiO2 ;線4是區域D上的100納米Au，裸玻璃；線5是區域A上的100納米Au，粗糙TiO2 ;線6是區域D上20納米Au，裸玻璃；線7是區域B上20納米Au，中等粗糙度TiO2 ;線8是區域C上20納米Au，光滑TiO2 ；以及線9是區域A上20納米Au，粗糙TiO2。
該數據清楚地表明，100納米表面比20納米表面產生了顯著更好的增強。這很可能意味著，對于最佳增強來說，Au的截面在20納米厚的膜上沒有達到足夠大的量。另一方面，雖然100納米厚的Au膜顯示出較高的SERS增強，它們仍具有較高的熒光背景信號。基于SERS基材的現有認識，預期SERS活性金屬的較粗糙的表面顯示較高的SERS信號。在SERS增強數據中未能發現明顯的粗糙度影響，但認為較粗糙的表面可幫助減少熒光背景信號，如該圖中的結果所示。在下一實驗中，將Klarite 與通過圖4所示的Au的背側轉移PLD或通過Au的DC磁控濺射根據本發明制備的基材進行比較。圖IOA顯示了 O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號，線I是使用Klarite 基材的，線2是背側轉移PLD的，和線3是DC磁控濺射的。DC磁控濺射產生2. 5納米的Au厚度。對于三種基材都觀察到了 SERS增強。光譜線3的SERS增強不如Klarite ，但熒光背景降低。背側轉移PLD膜也顯示了優異的SERS增強，線2。可以對線寬度、線密度和金屬顆粒的尺寸分布進行設計以優化使用背側轉移PLD的拉曼增強。在背側轉移PLD的情況下，如圖IOB所示，金屬層表面覆蓋率可以超過100%，從而顯示出SERS增強。圖IOB是通過背側轉移PLD制備的Au SERS膜的SEM圖像。值得一提的是，背側轉移PLD Au膜是紅色的，這對應于具有約520納米的吸收峰的Au等離子體激元(plasmonic)頻率。本文中利用背側轉移PLD來制造SERS基材。利用脈沖激光沉積的類似的印制技術也可用于SERS基材。圖4中所示的配置可以為其它印制技術而調整。可以由金屬箔替換靶40以進行金屬涂層的印制。這也可解釋為背側轉移脈沖激光沉積。或者，激光束可以照射通過靶40以將金屬涂覆到基材44上，這里稱其為正向轉移脈沖激光沉積。在這種情況下，基材44對于激光束要么是透明的要么是不透明的，其中任一情況都是可行的。在下一系列實驗中，研究了預涂覆表面對SERS增強的影響。初始利用濺射涂覆器用Au或Pt涂覆玻璃基材達到預期的100納米厚度。濺射條件如下40mA、0. 8mbar、和300秒。然后，利用根據本發明的PLD使SERS活性金屬Au薄膜生長到這些預涂覆的基材上。Au薄膜的PLD激光條件為激光功率6. 5WUMHz突發重復率、和每個突發2脈沖。沉積速率約O. 03納米/秒，并且將Au膜涂覆到3納米的厚度。然后測定這些基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信號，結果示于圖U。光譜如下線I是Au預涂層上的Au膜；線2是裸玻璃上的Au膜；線3是沒有Au膜的裸玻璃；線4是沒有Au涂層的Pt預涂層；以及線5是在Pt預涂層上生長的Au膜。如所預期的，在裸玻璃上沒有SERS增強，線3。線I和2表明，對于沉積在Au預涂層或裸玻璃上的Au膜都觀察到了 SERS增強。信號增強似乎對于玻璃上的Au預涂層是最好的，并且顯示了較粗糙的表面對于SERS增強的重要性。Pt預涂層單獨或在根據本發明Au涂層之后(分別為線4和5)僅顯示出弱的SERS增強。這些結果證實，通過改變SERS活性金屬之下的涂層材料，可以對SERS增強進行設計。對于拉曼活性金屬下方的涂層來說，存在許多可考慮的材料金屬如Cr、Co、Ni、Cu、Pd、Ag、Pt和Au ;金屬氧化物如3d過渡金屬氧化物,包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。圖12A顯示了藍寶石基材上Ag厚度梯度薄膜的AFM圖像。圖3A所示的厚度梯度區域A為7毫米長。設計的厚度從O納米到14納米變化。用于生長Ag薄膜的激光功率、突發頻率、和突發脈沖數目分別為7. 3W、IMHzjP 2脈沖。沉積速率為約O. 06納米/秒。圖像1-4中的設計厚度分別為2、6、10、和14納米。圖12B展示了在碳涂覆的TEM網格上制造的Ag納米顆粒的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。設計的厚度為I納米。從這些結果，我們 也可以鑒別出至少兩組不同尺寸的納米顆粒，類似于上述對于Au膜所觀察到的。第一組具有的顆粒尺寸為直徑約2-10納米，以及第二組具有的顆粒尺寸為直徑約10-100納米。可以通過改變Ag薄膜的設計厚度或生長條件來改變這些不同尺寸組的顆粒的比例和/或量。還發現，該Ag膜中第二組顆粒的數目小于上文在Au薄膜中所觀察到的。該結果可能是由于Au和Ag之間的燒蝕閾值的差異造成的。在另一系列實驗中，使用本發明向玻璃基材上產生SERS活性金屬Ag的梯度。該梯度的長度為20毫米以及Ag厚度從O到10納米變化。用于生長該梯度的激光條件如下激光功率1W，突發頻率100kHz，和每個突發8脈沖。圖13顯示了使用該基材的O. 2重量％批唳水溶液的拉曼信號。光譜線如下線I是10納米的Ag ;線2是5納米的Ag ;以及線3是I納米的Ag。在IOnm厚Ag涂覆的基材上觀察到最大的SERS增強，線I。這些結果證實，對于Ag而言，與圖7中所示的Au類似，可使用本發明來容易地優化Ag在基材上的SERS增強。顯然，基材上給定SERS活性金屬的最佳厚度由活性金屬的特性(identity)決定，并且可受到預涂層或待鑒別的分子影響。在以上的一些實施方案中，討論了用于SERS的基材。表面增強共振拉曼光譜法(SERRS)、表面增強超-拉曼光譜法(SEHRS)、表面增強相干反斯托克斯拉曼光譜法(SECARS)、或表面增強紅外吸收(SEIRA)也可望由按本文公開內容制備的類似納米顆粒薄膜顯示出類似的增強。薄膜中不同尺寸組的混合物的重要性可以解釋為表明，可以通過改變薄膜中這些不同組顆粒的比例或量來精確地調解等離子體激元頻率。因此，在一種實施方案中，優選具有尺寸范圍為O. 5-10納米的一組顆粒和尺寸范圍為10-1000納米的另一組顆粒。納米顆粒的隨機性還可在本發明對于增強拉曼光譜法的信號穩定性和其它優點上發揮重要作用。這種隨機結構將非常有效地起作用從而對于足夠大的圖像區域(如大于2微米的尺度)獲得穩定且可重復的拉曼增強。因為納米顆粒與成像或檢測區域相比足夠小，可以假設表面是均勻的。總之，本發明人已公開了使用物理氣相沉積方法制備用于表面增強光譜(SERS)的基材的方法和設備，所述物理氣相沉積方法尤其是利用超快脈沖激光的脈沖激光沉積，背側轉移PLD，和濺射沉積。所提供的方法快速、廉價并且高度可重復。此外，所披露的方法提供了比利用市售產品Klarite 所觀察到結果顯著更大的增強。該方法可適合于使用多種SERS活性金屬，并且容易根據不同條件、基材和所分析的化合物來調節。該方法可以進一步適合用于多種光譜法中，包括利用等離子體激元耦合以增強化學或生物特異性和敏感性的表面增強紅外吸收(SEIRA)。與先前的解決方案相比，本方法還使用少得多的活性金屬來實現增強。與現有的系統相比，本發明的單一步驟方法還極大降低了 SERS基材的生產時間。根據本發明披露的SERS基材和方法還可以用于表面增強共振拉曼光譜法(SERRS)、表面增強超-拉曼光譜法(SEHRS)、或表面增強相干反斯托克斯拉曼光譜法(SECARS)。已根據相關的法律標準描述了前述發明，因此本說明書實質上是示例性的而非限制性的。所 公開的實施方案的變體和變型對于本領域技術人員來說是明顯的并在本發明的范圍內。因此，通過研究以下權利要求書才能確定本發明提供的法律保護范圍。
權利要求
1.用于拉曼光譜法的增強的裝置，包含 第一群的尺寸在10納米-1000納米范圍內的納米顆粒以及第ニ群的尺寸在0. 5納米-10納米范圍內的納米顆粒，其中所述第一群的所述納米顆粒被所述第二群的所述納米顆粒圍繞；和 基材，其具有所述第一群和第二群納米顆粒，這些顆粒涂覆在所述基材的表面上從而形成涂覆表面，其中所述涂覆表面提供等離子體激元耦合以增強所述基材對置于所述涂覆表面上的材料的化學或生物特異性和敏感性。
2.權利要求I所述的裝置，其中所述涂覆表面提供等離子體激元耦合以增強所述設備對置于所述涂覆表面上的材料的拉曼光譜法。
3.權利要求I所述的裝置，其中所述涂覆表面在所述表面上具有厚度梯度。
4.權利要求3所述的裝置，其中所述厚度梯度的最小厚度為0納米以上并且最大厚度為200納米以下。
5.權利要求I所述的裝置，其中所述納米顆粒包括Au、Ag、Cu、Pt、它們的合金、它們的復合物、或它們的混合物。
6.權利要求I所述的裝置，其中所述基材表面的表面粗糙度小于3微米。
7.權利要求I所述的裝置，其中所述基材包括玻璃、半導體、電介質、有機膜、或金屬箔。
8.權利要求I所述的裝置，其中在將所述第一群和第二群納米顆粒涂覆到所述表面上之前，所述載體材料的所述表面已用至少ー種材料預涂覆。
9.權利要求8所述的裝置，其中所述預涂覆的材料包括金屬、電介質或它們的混合物。
10.權利要求I所述的裝置，其中所述基材具有增強的拉曼光譜，包括表面增強拉曼光譜(SERS)、表面增強共振拉曼光譜(SERRS)、表面增強超拉曼光譜(SEHRS)、或表面增強相干反斯托克斯拉曼光譜(SECARS)。
11.權利要求I所述的裝置，其中所述基材具有表面增強的紅外吸收(SEIRA)。
12.形成用于進行等離子體激元偶合以增強電場和增強拉曼光譜法以及增強用于拉曼光譜法的基材的化學或生物特異性和敏感性的裝置的方法，包括 通過包括脈沖激光沉積、背側轉移脈沖激光沉積、正向轉移脈沖激光沉積、或濺射中之一的エ藝將拉曼活性材料的納米顆粒施加到基材的表面，從而形成拉曼活性基材。
13.權利要求12所述的方法，其中脈沖激光沉積、正向轉移脈沖激光沉積、或背側轉移脈沖激光沉積的エ藝包括使用脈沖持續時間在約I飛秒-100納秒范圍內的激光。
14.權利要求12所述的方法，其中脈沖激光沉積或背側轉移脈沖激光沉積的エ藝包括使用脈沖持續時間在10飛秒-200皮秒范圍內的激光。
15.權利要求12所述的方法，其中在小于lXlO.mbar的超高真空到I大氣壓的壓カ下進行該脈沖激光沉積或濺射。
16.權利要求12所述的方法，包括使用波長范圍在200納米-2000納米范圍內的脈沖激光。
17.權利要求12所述的方法，包括使用重復率小于約500MHz的脈沖激光。
18.權利要求12所述的方法，包使用重復率在lkHz-5MHz范圍內的脈沖激光。
19.權利要求12所述的方法，包括形成用于表面增強拉曼光譜法(SERS)、表面增強共振拉曼光譜法(SERRS)、表面增強超拉曼光譜法(SEHRS)、或表面增強相干反斯托克斯拉曼光譜法(SECARS)的拉曼活性表面。
20.權利要求12所述的方法，包括形成用于表面增強的紅外吸收的活性表面。
21.通過權利要求12所述方法制造的產品，所述產品包含其上涂覆有納米顆粒層的基材，其中所述納米顆粒層提供等離子體激元耦合用以增強對置于該基材表面上的材料的化學或生物特異性和敏感性。
22.權利要求21所述的產品，其中所述納米顆粒層提供等離子體激元耦合以增強對置于該基材表面上的材料的拉曼光譜法。
23.權利要求21所述的產品，其中至少一部分所述納米顆粒層與所述基材表面直接接觸。
24.權利要求21所述的產品，其中在所述基材表面和至少一部分所述納米顆粒層之間設置薄膜。
全文摘要
本文公開了用于拉曼光譜法如表面增強光譜法(SERS)的裝置。可利用各種實施方案使用多種沉積技術如脈沖激光沉積來制備SERS基材。一些實施方案優化SERS活性金屬的覆蓋率、體積、或元素。該方法是用于制備SERS活性基材的單步驟、廉價的方法。在一些實施方案中，利用在SERS活性金屬之下的涂覆層來實現額外的增強。
文檔編號G01J3/44GK102782466SQ201180008959
公開日2012年11月14日 申請日期2011年2月3日 優先權日2010年2月10日
發明者劉冰, 市川雄貴, 村上真, 車勇 申請人:億目朗美國股份有限公司