专利名称：制备用于分子检测的基材的方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于制备基材表面或具有表面的载体材料，该表面用于通过拉曼散射检测材料和化合物例如有机分子和生物分子。
背景技术：
表面增强拉曼散射或表面增强光谱法(SERS)是非常灵敏和有价值的分析工具，其通过吸附到或位于特定SERS活性金属表面的分子来增强拉曼散射。信号增强可以高达IO14或1015，因此该方法可以用于检测感兴趣的单一分子。所述增强的确切机理目前尚不清楚，但存在两种主导理论。一种理论是电磁理论，即增强来自于局部表面等离子体激元(plasmon)的激发。另一方面，化学理论将所述增强归因于电荷转移配合物的形成。然而，化学理论只适用于与表面成键的物质，因此它不能解释所有情形中的增强，而电磁理论的适用性更宽。用于SERS的典型表面包括银、金、铜、钯、或钼的颗粒或粗糙表面。为了获得SERS效应，表面必须是粗糙的，它们不能是光滑的。该表面可以通过将金属的光滑表面粗糙化或通过将纳米尺寸的金属颗粒沉积到表面上来制备。纳米颗粒的形状和尺寸以及纳米颗粒层的厚度都影响SERS信号。由于SERS需要粗糙的金属表面，因此制造光滑薄膜的常规薄膜生长技术不适合于形成SERS基材。
制造SERS基材的一种方法是将含有纳米颗粒的溶剂液滴流延(drop-cast)或铺展到表面上；然而，该方法的不足在于SERS活性区域的不均匀性，缺乏可重复性，和不一致的信号增强。形成SERS表面的又一种方法是化学组装法，其也被称作Langmuir-Blodgett (LB)法，该方法公开于 A. Tao 等人的 “Langmuir-Blodgettry ofNanocrystals and Nanowires，，Acc. Chem. Res. Vol. 41. (2008) 1662-1673。在 LB 法中，贵金属纳米颗粒用疏水分子改性，然后分散在不混溶于水中的挥发性化合物中。该方法相对简单并且可用于大规模应用；然而，纳米颗粒溶液的稳定性可能成为问题。在另一方法中，通过用金属涂覆图案化的表面来制备提供载体材料或基底的基材。首先将图案压印到表面中。然后，将SERS活性金属以电化学方式或物理方式涂覆到该图案化的表面上，以增强SERS信号，这公开于B. Yan等人的〃Engineered SERS Substrateswith multiscale signal enhancement:nanoparticle cluster arrays^ACS Nano,Vol. 3. (2009) 1190-1202。该方法需要多个步骤来获得期望的SERS基材并且通常是昂贵的，因为需要用于制造所述表面的装置如光学或电子光刻。在又一方法中，载体材料表面首先通过激光纳米加工改性，然后用SERS活性金 属进行涂覆。例如，飞秒激光加工已用于制备纳米结构表面，然后用反应性金属涂覆以用于SERS和其它光子感知方法；然而，该方法仍需要多个步骤来制备基材，如美国专利7，586,601中所披露的。该方法与上述的基于光刻技术的其它图案化基材相比是廉价的，但它仍是多步工艺并且是耗时间的。非常希望开发一种在基材上制造SERS活性金属表面的方法，该方法是廉价的、快速进行的、高度可重复的、和可调节用于检测各种物质。发明概述本发明包括在用于拉曼光谱法的基材上形成SERS活性金属表面的方法以及通过该方法形成的产品。该方法包括以下步骤提供具有相对平坦表面的基材或载体材料，和以单一步骤通过包括超短脉冲激光沉积、超短背侧转移脉冲激光沉积、或溅射的工艺将纳米结构的金属层施加到该表面，从而形成用于拉曼光谱法的基材。该产品可以用于表面增强的拉曼光谱法(SERS)、表面增强的共振拉曼光谱法(SERRS)、表面增强的超拉曼光谱法(SEHRS)、表面增强的相干反斯托克斯拉曼光谱法(SECARS)、和表面增强的红外吸收(SEIRA)。该方法快速、廉价、高度可重复，并且可调节以实现基于所使用的活性金属或所检测的物质的检测的优化。该方法允许向表面上施加活性金属层的厚度梯度，使得可通过将信号强度与梯度上的位置协调来容易地确定用于检测感兴趣的化合物的最佳厚度。该方法还允许在施加活性金属表面前用其它材料预涂覆基材表面以便增强来自该活性金属层的拉曼信号。在这种实施方案中，SERS活性金属不直接接合到基材表面上。附图简述图IA示意性地展示了根据本发明的脉冲激光沉积系统的若干组件，且图IB示意性地展示了本发明的若干关键组件；图2A-2C示意性地展示了脉冲激光系统和可用于根据本发明调节薄膜性质的激光参数的一些实例；图3A-3C分别展示了根据本发明的厚度梯度薄膜、不同粗糙度库(library)、和涂层库的样品说明；图4示意性地展示了根据本发明的背侧转移脉冲激光沉积系统的配置；图5示意性地展示了根据本发明的拉曼测量的系统；图6A显示了蓝宝石基材上Au厚度梯度薄膜的原子力显微镜图像，且图6B显示了根据本发明制备的Au纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像；图7A和7B比较了使用市售SERS基材和根据本发明制备的基材获得的背景荧光和拉曼光谱信号；图8显示了裸玻璃上的20纳米厚SERS活性金属Au涂层和TiO2预涂覆的薄膜的三种不同粗糙度库的扫描电子显微图像；图9显示了根据本发明的在不同粗糙度TiO2预涂覆的薄膜上使用20nm或100纳 米Au薄膜的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号与市售产品Klarite 的比较；图IOA显示了各种SERS基材上O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号，且图IOB是根据本发明通过到基材上的背侧转移PLD制备的Au薄膜的SEM图像；

图11显示了根据本发明的基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号，其中该基材在沉积SERS活性金属涂层前已进行了预涂覆；图12A显示了蓝宝石基材上Ag厚度梯度薄膜的原子力显微镜图像，且图12B显示了根据本发明制备的Ag纳米颗粒的TEM图像；以及图13显示了根据本发明制备的Ag SERS活性金属基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号。详细描述如上所述，非常希望开发一种在基材上产生SERS活性金属表面的方法，该方法廉价、快速实施、高度可重复、并可调节用以检测各种物质，包括有机分子和生物分子。本发明是在基材上制备SERS活性金属表面的简化的一步方法，其具有改进的可靠性、改进的可重复性、降低的成本、并且能调节以对特定分子的检测而优化。本发明采用脉冲激光沉积(PLD)，尤其是使用超快激光，以单一步骤方法在载体材料的表面上制造功能性SERS活性金属表面。当与市售的SERS基材Klarite 相比时，根据本发明制备的sers基材显示出更好的样品检测信号，具有更少的来自基材的荧光背景信号。如上所述，SERS活性金属表面不必直接施加到基材表面，可以存在一个或多个的如下所示的中间层。在本说明书和权利要求书中，用活性金属涂层涂覆基材表面不需要直接施加到该表面，即可以存在中间层，除非如此规定。根据一种实施方案，图IA和IB示意性地展示了脉冲激光沉积(PLD)系统的几个元件和用于实施本文披露的实验的实验布置。本发明的多种实施方案中使用的PLD系统与2009年3月11日提交的名为〃A Method for Fabricating Thin Films"的美国专利申请第12/401,967号中所述的类似，其中展示了突发-模式脉冲的操作。PLD系统10包括真空室12和相关的涡轮和机械泵(未在图中显示)，靶操纵器14，气体入口 16，和基材操纵器18。通过透镜22透过熔凝氧化硅窗口 26将激光束20聚焦在靶24表面上。靶操纵器14为多个靶24材料提供旋转和横向移动，而基材操纵器18为基材28或载体材料提供加热以及旋转和横向移动。气体入口 16向真空室12提供气体并用于调节它们的压力。真空室12和相关的泵能够产生从大气压力到lXlO.mbar的极高真空的条件。根据本发明的PLD系统10的其它特征包括可移动的遮罩30和磁溅射抢32。配有线性运动馈通的遮罩30用于在PLD过程期间完全或部分地覆盖或露出(uncover)基材28。本发明的单一步骤方法仅需要向基材28表面上生长SERS活性金属薄膜。遮罩30可以用于防止在PLD过程期间产生的等离子羽流34沉积到一部分基材28上。通过在PLD过程期间移动遮罩30，可以在基材28上沉积一系列渐变厚度的SERS活性材料。在一些实施方案中，可以使用基于电流计的扫描系统(未不出)跨越祀24扫描激光束20。激光束20扫描的方向可垂直或侧向于祀24。在SERS活性金属涂层沉积之前或之后，磁溅射枪32可以用于将材料沉积到基材28上。可在本发明的各种实施方案中使用的基材或载体材料包括各种表面，包括玻璃、硅、Al2O3、有机膜、和金属箔。在本发明的方法中，优选以“突发模式”操作PLD系统激光以便在基材表面上生长SERS活性金属涂层。各突发(burst)包括在时间上紧密间隔的激光束脉冲串。可改变脉冲参数如突发中的脉冲数、突发重复率、和激光束注量(fluence)以便为基材上纳米颗粒生长提供能调节的尺寸控制。在该方法中，可通过多种本领域技术人员已知的若干方法产生所述突发。在一种方法中，突发通过使用分束镜和延时器(delay stage)通过光束分离和再合并来产生。在另一种方法中，通过声光调制器(AOM)实现所述突发，该声光调制器用于啁啾脉冲放大(CPA)系统中的脉冲选择，并且所述突发的宽度和突发重复率分别通过AOM的选通宽度(gate width)和重复率决定。图2A展示了根据本发明用于产生超短脉冲的光纤基啁啾脉冲放大系统。能够产生亚皮秒脉冲的市售激光器是頂RA America，Inc的FCPA μ Jewel D-1000。降值计数器或脉冲捡取器(picker)用于将振荡器的重复率从约IMHz至IGHz降低到IOOkHz至约5MHz的重复率。例如，如果振荡器的重复率是50MHz并且以1:50的比率选择脉冲，则所得输出重复率为1MHz。标准D-1000配置提供IOOkHz至5MHz的重复率，以及脉冲能量和脉冲宽度的相应变化。例如，为IOOkHz的运行指定约10微焦耳的脉冲能量。对于5MHz的运行，可提供几百纳焦耳的脉冲能量。可以产生亚皮秒脉冲，例如约700飞秒至约I皮秒的脉冲宽度。
“突发模式"PLD系统可包括提供对图2A的数字控制器的访问的用户界面。对降值计数器或其它合适的脉冲捡取器编程，使得脉冲数、脉冲间隔、脉冲强度、和突发强度轮廓(profile)(意指由所述突发的脉冲限定的包络)可在合理的范围内调节，例如约10:1。图2B示意性地展示了输出脉冲是如何产生的。在该实例中，锁定模式的振荡器以高重复率运行例如运行在50MHz以上。在用功率放大器放大之前，来自该锁定模式源的脉冲被暂时伸展(stretch)。通过声光调制器(AOM)或其它合适的脉冲捡取器进行一个或多个脉冲的选择以便产生输出脉冲并且控制有效的输出脉冲重复率。各突发中的脉冲数由AOM选通宽度(其表示开关打开期间的持续时间)确定。例如，典型的振荡器产生50MHz高重复率的脉冲，因而脉冲间隔为20纳秒。因此，如果AOM选通每次打开100纳秒，则输出突发模式在各突发中将具有5个脉冲，并且突发重复率将由AOM的重复率决定。图2C示意性地展示了突发模式中的激光脉冲串和一些用于调节根据本发明沉积的SERS活性金属薄膜的表面形态的激光参数。各突发脉冲包括一组紧密间隔的脉冲。可调节的激光参数包括脉冲宽度、突发重复率、脉冲间隔时间、每个突发的脉冲数、和脉冲能量。可以通过改变这些激光参数来实现调节薄膜粗糙度。对于典型的脉冲放大系统，通过可改变的振荡器重复率来确定基础重复率(其表示突冲内脉冲的重复率)。
在本发明的一些实施方案中，当使用PLD时，每个突发的脉冲数可以为1-100，更优选每个突发的脉冲数为2-50。所述突发的重复率优选为lkHz-lOOMHz。脉冲重复率优选为IMHz-lGHz，并且脉冲间隔为I纳秒-I微秒，或重复率为lOOkHz-lOOMHz。脉冲能量可以为I纳焦耳-10毫焦耳，更优选10纳焦耳-100微焦耳，最优选为50纳焦耳-10微焦耳。激光注量优选为I毫焦耳/cm2-100焦耳/cm2，更优选10毫焦耳/cm2-50焦耳/cm2。脉冲宽度可以为10飞秒-100纳秒，更优选I皮秒-200皮秒。激光束波长根据来源可以为200纳米-2000纳米。激光束聚焦光斑直径可以为5微米-500微米，更优选10-450微米。利用这样的系统，通常，当每个突发的脉冲数和突发重复率提高时，颗粒尺寸减小。利用根据本发明的超短激光提供三种主要的益处。飞秒到皮秒的短脉冲持续时间表明存在高的峰值功率密度。因此，烧蚀阈值降低了 I到2个数量级，因此总脉冲能量可以降低到微焦耳范围，而不是毫焦耳范围。此外，受热区显著减少，因此在沉积期间液滴迸溅更少。图3A是根据本发明施加到基材的SERS活性金属的薄膜的厚度梯度的示意展示。所沉积的SERS活性金属例如Au或Ag的量在区域A中连续且线性地变化从而产生其中SERS活性金属涂层的厚度变化的涂层。使用Inficon的微量天平监测器确定给定位置处的厚 度。利用靶材料沉积到基材上时遮罩的移动来实现该梯度层。通过观察表面形态和拉曼光谱法结果的位置相关性，SERS活性金属厚度的变化可以用于优化SERS测量。图3b展示了用于研究对根据本发明沉积的金属的不同厚度的粗糙度和/或材料相关性的基材台面示意图。在SERS活性金属涂层之前，将三种不同粗糙度的TiO2薄膜涂覆到玻璃基材表面上。使用由本申请的发明人先前披露的突发模式fs-PLD制备TiO2薄膜。当使用较高数目的突发脉冲时，所得薄膜表面较光滑。首先，利用23个突发脉冲将光滑的TiO2薄膜涂覆到列1、2和3上，而列4保持为裸玻璃。其次，在已有的TiO2膜上，利用5个突发脉冲将其次最粗糙的TiO2薄膜涂覆于列I和2上。最后，在先前的两个涂层上，利用单一脉冲将最粗糙的TiO2薄膜涂覆到列I上。由于表面形态受最粗糙区域的最大影响，在列I和2的表面上产生最粗糙的薄膜。在PLD过程期间不同的区域由遮罩分开，如图IA中所示。接下来，以行的形式向与TiO2列垂直的基材列上生长不同厚度的Au薄膜。因此，这是个SERS活性金属不直接沉积在基材表面上的实例。Au薄膜的厚度为例如1、5、20、和100纳米，分别对应于A-D行。激光功率和突发频率分别设定为5. 3W和1MHz、以及2个脉冲，从而生长Au膜。这得到了 1-4列和A-D行的网格(grid work)来研究预涂覆和SERS活性金属涂层厚度的影响。图3C是用于研究SERS活性金属涂层之下的材料涂层对SERS增强的影响的另一基材四分体(quadrant)的示意展示。同样地,SERS活性金属并不直接施加于基材。该基材是玻璃，并且遮罩用于在所述方法期间产生该四分体。首先使用本领域已知的DC磁控溅射涂覆器以100纳米厚的Pt薄膜涂覆四分体I和2。将该基材暴露于空气一次，然后置于真空室以使用本发明的PLD系统生长用于SERS的Au薄膜。Au薄膜在四分体2和4上生长。四分体3在各过程中都未被涂覆并保持为裸玻璃。还可使用根据本发明的PLD沉积该Pt薄膜。图4示意性地展示了背侧转移脉冲激光沉积的配置，其也可用于本发明中来产生涂有SERS活性金属的基材。通过磁控溅射涂覆器用SERS活性金属如Au或Ag的薄膜42来预涂覆靶40如玻璃。预涂覆膜42的厚度决定了可以施加到SERS基材44的最大厚度。具有膜42的靶40放置在板(未示出)上，然后将对激光束波长透明的裸基材44 (如玻璃)放置于其上。激光束46照射穿过透明基材44。Au薄膜从靶40转移到基材44。膜42和基材44之间的间隙48可以为0-1000微米，更优选0-100微米。美国专利US7，608, 308和2009年3月9日提交的美国申请12/400，438中进一步说明了背侧转移PLD的方法。在一个实例中，激光功率、突发频率、和每个脉冲的脉冲数分别设定在5W、200kHz、和I个脉冲。图5展示了进行拉曼散射测量的示意图。将具有根据本发明施加的SERS活性金属表面的基材60面超上放在装有含分析物的溶液64的容器62中。该分析物用于评价SERS增强。激光束66聚焦在基材60的SERS活性金属表面上。为了防止溶液64蒸发，将玻璃盖子68置于容器62之上。使用可移动的XYZ架台70 来调节激光束66相对于基材60的位置和聚焦点。对于用Au涂覆的SERS基材60，激发激光的波长为633纳米，狭缝宽度为50微米，狭缝密度为1800线/毫米，并且激光光斑尺寸为10微米。对于用Ag涂覆的SERS基材60，激发激光的波长为514纳米，狭缝宽度为50微米，狭缝密度为1800线/毫米，并且激光光斑尺寸为5微米。图6A显示了蓝宝石基材上SERS活性金属Au膜的原子力显微镜(AFM)图像。在这些图像中，根据本发明产生如图3A中所述的Au梯度。区域A为7毫米长，并且在该距离上Au膜的厚度为0-7纳米。用于生长Au薄膜的激光功率、突发频率、和每个突发的脉冲数分别为6. 5W、IMHz、和2个脉冲。Au在基材上的沉积速率约O. 03纳米/秒。如上所述，使用遮罩来产生变化的厚度。图6A中的图像1-4的厚度分别为1、3、5和7纳米。图6B是在涂覆碳的TEM网格上制造的Au纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。厚度为3纳米。从结果可以看出，存在至少两个群体(population)的纳米颗粒,一个群体具有2_10纳米直径的颗粒尺寸，另一个群体具有约25-50纳米直径的颗粒尺寸。可以通过改变Au膜的设计厚度或生长条件来控制这两个群体之间的比例。在图7A中，比较了使用根据本发明制备的SERS活性金属基材或市售SERS基材Klarite 由O. 2重量％吡啶水溶液获得的拉曼强度信号和荧光背景信号。根据本发明制备的样品包含的基材具有作为SERS活性金属的Au的梯度。该基材如图3A所示制备，并且区域A为7毫米长，且厚度梯度为0-7纳米的厚度。用于根据本发明生长Au薄膜的激光功率、突发频率、和每个突发的脉冲数分别为5. 3W、IMHzjP 2脉冲/突发。沉积速率为约O. 03纳米/秒。使用市售SERS基材Klarite 作为标准样与本发明的基材进行比较。在用金涂覆的硅晶片上制造Klarite 设备。在该图中4毫米X4毫米的图案化区域显示为Klarite 传感器(sensor),并且非图案化区域为Klarite 无传感器(non-sensor)。这些测量的积分时间对于Klarite 为100秒而对于根据本发明的基材为200秒。图7A中的数据显示，在约3纳米的膜厚度，拉曼强度达到峰值并且荧光背景信号在这样的厚度下也是相当低的。与无传感器区域相比，在Klarite 的传感器区域中观察到了 SERS增强，但信号不是非常强，并且不如在根据本发明的基材中在3纳米的涂层下获得的信号那么强。而且，虽然积分时间较短，但Klarite 的荧光背景信号非常大。值得一提的是，荧光背景信号随着积分时间增加而增加，但峰计数不会随着积分时间的量改变。还注意到，Klarite 的无传感器区域具有低荧光背景，但不具有足够高的SERS信号增强。图7B在0. 2重量％吡啶溶液的检测中对根据本发明制备的3纳米厚Au膜与市售基材Klarite 进行了比较。线80和86是根据本发明的Au膜而线82和84是Klarite 的结果。提取光谱背景以便在线80和82之间进行比较。该图清楚地表明，根据本发明制备的SERS基材显示出比Klarite 高得多的信号增强。该图的插入图显示了这两种基材的原始拉曼信号，含有荧光背景。Klarite 具有高得多的背景和低得多的SERS信号增强。这些测量的积分时间对于Klarite 为100秒而对于根据本发明制备的Au膜为200秒。本发明中的另一显著结果是在水溶液中没有表面活性剂的金胶体可成功地检测到吡啶分子的其它四个拉曼非活性振荡模式，而通常只有红外吸收光谱才可以观察到如约HOOcnT1处的峰。由于本发明的基材在金表面上也不含任何表面活性剂，该特征也能由本发明检测到,并且对于试样的表征也是有利的。这些结果证实了本发明的有效性和价值，并且对于制造用于SERS检测的商品化基材来说是非常有前景的，因为所公开的发明仅需要Au涂覆到基材上的单一步骤。本发明 的方法是相对快速的、廉价的并且高度可重复性的。此外，所公开的发明可以通过使用遮罩来调节SERS活性金属的量而易于优化Au或其它SERS活性金属的覆盖率。因此，根据所检测的成分和所选择的活性金属，可以首先运行膜厚度梯度，选择提供最佳信号的那个，然后制备在该水平下用SERS活性金属涂覆的另一基材。与其它公开的方法不同，SERS活性金属的需要量低得多。例如，如上所述3纳米厚度的Au对于吡啶检测来说工作地非常好。其它现有技术披露的方法都需要100纳米至500纳米的SERS活性金属涂层厚度以提供足够的信号。因此，本发明的方法提供了巨大的材料成本节省。使用脉冲持续时间小于200皮秒的超短脉冲激光的脉冲激光沉积在本发明的方法中是优选的，然而，如果可以通过使用物理气相沉积技术如使用纳秒脉冲激光的PLD或在大于IOOmbar的高压的溅射工艺来获得类似的纳米颗粒聚集体结构同时控制纳米颗粒的尺寸和分散，则可望实现类似的SERS增强。例如，已通过在高压惰性气体中的脉冲激光沉积制备了纳米尺寸的娃晶体。参见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，由于在本发明中，不必加热基材来使SERS活性金属薄膜生长，可以使用热敏感材料如有机膜和金属箔作为用SERS活性金属涂覆的基材。这些基材的实例包括聚合物膜如聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚氯乙烯(PVC)，以及单面或双面压敏胶带如Sc0tchK胶带；金属片材如不锈钢、Cu JPAl ;半导体如Si ;金属氧化物如玻璃、A1203、SrTiO3> ZnO、TiO2、和BaTi03。根据本发明制备的纳米结构体优选包括纳米颗粒、纳米颗粒聚集体、纳米线、纳米棒、纳米管、纳米片或它们的混合物。当该结构体包括纳米颗粒时，它们的尺寸优选为I纳米至1000纳米,更优选2纳米至100纳米。根据本发明的设置在基材上的SERS活性金属薄膜不必直接与该基材表面接触，如上所述。其它材料的薄膜层可设置在基材表面和SERS活性金属薄膜之间。例如在下一实验中，使用突发模式PLD对玻璃基材预涂覆TiO2薄膜，并且改变PLD参数以便在TiO2涂层中产生不同粗糙度。然后用根据本发明的20纳米厚的SERS活性金属Au层或100纳米厚的层涂覆该基材。当使用较高数目的突发脉冲时，所得薄膜表面较光滑。因此为了首先预涂覆所述玻璃基材，使用5W和IMHz的激光功率，使用每突发23脉冲，将光滑的TiO2薄膜涂覆到区域A、B和C上。其次，使用每突发5个脉冲再次用TiO2薄膜涂覆区域A和B。这在A和B上产生了比C更粗糙的涂层。最终，使用每突发单一脉冲进行涂覆在区域A上产生最粗糙的TiO2薄膜。区域D保持为裸玻璃基材并且仅Au涂覆在其上。然后用根据本发明的SERS活性金属Au的20纳米或100纳米厚的膜涂覆所有区域。为了生长Au膜，激光功率、突发频率、和每个突发的脉冲分别设定为5. 3W、lMHz、和每个突发2个脉冲。Au膜垂直于TiO2膜生长。图8显示了具有20纳米厚Au膜的四个区域A-D的扫描电子显微(SEM)图像。本发明的发明人证实，100纳米厚Au膜也具有类似的表面形态(未示出)。在图9中，显示了使用图8的各种SERS基材检测的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号。这些光谱对应于以下基材线I是市售产品Klarite ;线2是区域B上的100纳米Au，中等粗糙度TiO2 ;线3是区域C上的100纳米Au，光滑TiO2 ;线4是区域D上的100纳米Au，裸玻璃；线5是区域A上的100纳米Au，粗糙TiO2 ;线6是区域D上20纳米Au，裸玻璃；线7是区域B上20纳米Au，中等粗糙度TiO2 ;线8是区域C上20纳米Au，光滑TiO2 ；以及线9是区域A上20纳米Au，粗糙TiO2。
该数据清楚地表明，100纳米表面比20纳米表面产生了显著更好的增强。这很可能意味着，对于最佳增强来说，Au的截面在20纳米厚的膜上没有达到足够大的量。另一方面，虽然100纳米厚的Au膜显示出较高的SERS增强，它们仍具有较高的荧光背景信号。基于SERS基材的现有认识，预期SERS活性金属的较粗糙的表面显示较高的SERS信号。在SERS增强数据中未能发现明显的粗糙度影响，但认为较粗糙的表面可帮助减少荧光背景信号，如该图中的结果所示。在下一实验中，将Klarite 与通过图4所示的Au的背侧转移PLD或通过Au的DC磁控溅射根据本发明制备的基材进行比较。图IOA显示了 O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号，线I是使用Klarite 基材的，线2是背侧转移PLD的，和线3是DC磁控溅射的。DC磁控溅射产生2. 5纳米的Au厚度。对于三种基材都观察到了 SERS增强。光谱线3的SERS增强不如Klarite ，但荧光背景降低。背侧转移PLD膜也显示了优异的SERS增强，线2。可以对线宽度、线密度和金属颗粒的尺寸分布进行设计以优化使用背侧转移PLD的拉曼增强。在背侧转移PLD的情况下，如图IOB所示，金属层表面覆盖率可以超过100%，从而显示出SERS增强。图IOB是通过背侧转移PLD制备的Au SERS膜的SEM图像。值得一提的是，背侧转移PLD Au膜是红色的，这对应于具有约520纳米的吸收峰的Au等离子体激元(plasmonic)频率。本文中利用背侧转移PLD来制造SERS基材。利用脉冲激光沉积的类似的印制技术也可用于SERS基材。图4中所示的配置可以为其它印制技术而调整。可以由金属箔替换靶40以进行金属涂层的印制。这也可解释为背侧转移脉冲激光沉积。或者，激光束可以照射通过靶40以将金属涂覆到基材44上，这里称其为正向转移脉冲激光沉积。在这种情况下，基材44对于激光束要么是透明的要么是不透明的，其中任一情况都是可行的。在下一系列实验中，研究了预涂覆表面对SERS增强的影响。初始利用溅射涂覆器用Au或Pt涂覆玻璃基材达到预期的100纳米厚度。溅射条件如下40mA、0. 8mbar、和300秒。然后，利用根据本发明的PLD使SERS活性金属Au薄膜生长到这些预涂覆的基材上。Au薄膜的PLD激光条件为激光功率6. 5WUMHz突发重复率、和每个突发2脉冲。沉积速率约O. 03纳米/秒，并且将Au膜涂覆到3纳米的厚度。然后测定这些基材的O. 2重量％吡啶水溶液的拉曼信号，结果示于图U。光谱如下线I是Au预涂层上的Au膜；线2是裸玻璃上的Au膜；线3是没有Au膜的裸玻璃；线4是没有Au涂层的Pt预涂层；以及线5是在Pt预涂层上生长的Au膜。如所预期的，在裸玻璃上没有SERS增强，线3。线I和2表明，对于沉积在Au预涂层或裸玻璃上的Au膜都观察到了 SERS增强。信号增强似乎对于玻璃上的Au预涂层是最好的，并且显示了较粗糙的表面对于SERS增强的重要性。Pt预涂层单独或在根据本发明Au涂层之后(分别为线4和5)仅显示出弱的SERS增强。这些结果证实，通过改变SERS活性金属之下的涂层材料，可以对SERS增强进行设计。对于拉曼活性金属下方的涂层来说，存在许多可考虑的材料金属如Cr、Co、Ni、Cu、Pd、Ag、Pt和Au ;金属氧化物如3d过渡金属氧化物,包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn。图12A显示了蓝宝石基材上Ag厚度梯度薄膜的AFM图像。图3A所示的厚度梯度区域A为7毫米长。设计的厚度从O纳米到14纳米变化。用于生长Ag薄膜的激光功率、突发频率、和突发脉冲数目分别为7. 3W、IMHzjP 2脉冲。沉积速率为约O. 06纳米/秒。图像1-4中的设计厚度分别为2、6、10、和14纳米。图12B展示了在碳涂覆的TEM网格上制造的Ag纳米颗粒的透射电子显微镜(TEM)图像。设计的厚度为I纳米。从这些结果，我们 也可以鉴别出至少两组不同尺寸的纳米颗粒，类似于上述对于Au膜所观察到的。第一组具有的颗粒尺寸为直径约2-10纳米，以及第二组具有的颗粒尺寸为直径约10-100纳米。可以通过改变Ag薄膜的设计厚度或生长条件来改变这些不同尺寸组的颗粒的比例和/或量。还发现，该Ag膜中第二组颗粒的数目小于上文在Au薄膜中所观察到的。该结果可能是由于Au和Ag之间的烧蚀阈值的差异造成的。在另一系列实验中，使用本发明向玻璃基材上产生SERS活性金属Ag的梯度。该梯度的长度为20毫米以及Ag厚度从O到10纳米变化。用于生长该梯度的激光条件如下激光功率1W，突发频率100kHz，和每个突发8脉冲。图13显示了使用该基材的O. 2重量％批唳水溶液的拉曼信号。光谱线如下线I是10纳米的Ag ;线2是5纳米的Ag ;以及线3是I纳米的Ag。在IOnm厚Ag涂覆的基材上观察到最大的SERS增强，线I。这些结果证实，对于Ag而言，与图7中所示的Au类似，可使用本发明来容易地优化Ag在基材上的SERS增强。显然，基材上给定SERS活性金属的最佳厚度由活性金属的特性(identity)决定，并且可受到预涂层或待鉴别的分子影响。在以上的一些实施方案中，讨论了用于SERS的基材。表面增强共振拉曼光谱法(SERRS)、表面增强超-拉曼光谱法(SEHRS)、表面增强相干反斯托克斯拉曼光谱法(SECARS)、或表面增强红外吸收(SEIRA)也可望由按本文公开内容制备的类似纳米颗粒薄膜显示出类似的增强。薄膜中不同尺寸组的混合物的重要性可以解释为表明，可以通过改变薄膜中这些不同组颗粒的比例或量来精确地调解等离子体激元频率。因此，在一种实施方案中，优选具有尺寸范围为O. 5-10纳米的一组颗粒和尺寸范围为10-1000纳米的另一组颗粒。纳米颗粒的随机性还可在本发明对于增强拉曼光谱法的信号稳定性和其它优点上发挥重要作用。这种随机结构将非常有效地起作用从而对于足够大的图像区域(如大于2微米的尺度)获得稳定且可重复的拉曼增强。因为纳米颗粒与成像或检测区域相比足够小，可以假设表面是均匀的。总之，本发明人已公开了使用物理气相沉积方法制备用于表面增强光谱(SERS)的基材的方法和设备，所述物理气相沉积方法尤其是利用超快脉冲激光的脉冲激光沉积，背侧转移PLD，和溅射沉积。所提供的方法快速、廉价并且高度可重复。此外，所披露的方法提供了比利用市售产品Klarite 所观察到结果显著更大的增强。该方法可适合于使用多种SERS活性金属，并且容易根据不同条件、基材和所分析的化合物来调节。该方法可以进一步适合用于多种光谱法中，包括利用等离子体激元耦合以增强化学或生物特异性和敏感性的表面增强红外吸收(SEIRA)。与先前的解决方案相比，本方法还使用少得多的活性金属来实现增强。与现有的系统相比，本发明的单一步骤方法还极大降低了 SERS基材的生产时间。根据本发明披露的SERS基材和方法还可以用于表面增强共振拉曼光谱法(SERRS)、表面增强超-拉曼光谱法(SEHRS)、或表面增强相干反斯托克斯拉曼光谱法(SECARS)。已根据相关的法律标准描述了前述发明，因此本说明书实质上是示例性的而非限制性的。所 公开的实施方案的变体和变型对于本领域技术人员来说是明显的并在本发明的范围内。因此，通过研究以下权利要求书才能确定本发明提供的法律保护范围。
权利要求
1.用于拉曼光谱法的增强的装置，包含 第一群的尺寸在10纳米-1000纳米范围内的纳米颗粒以及第ニ群的尺寸在0. 5纳米-10纳米范围内的纳米颗粒，其中所述第一群的所述纳米颗粒被所述第二群的所述纳米颗粒围绕；和 基材，其具有所述第一群和第二群纳米颗粒，这些颗粒涂覆在所述基材的表面上从而形成涂覆表面，其中所述涂覆表面提供等离子体激元耦合以增强所述基材对置于所述涂覆表面上的材料的化学或生物特异性和敏感性。
2.权利要求I所述的装置，其中所述涂覆表面提供等离子体激元耦合以增强所述设备对置于所述涂覆表面上的材料的拉曼光谱法。
3.权利要求I所述的装置，其中所述涂覆表面在所述表面上具有厚度梯度。
4.权利要求3所述的装置，其中所述厚度梯度的最小厚度为0纳米以上并且最大厚度为200纳米以下。
5.权利要求I所述的装置，其中所述纳米颗粒包括Au、Ag、Cu、Pt、它们的合金、它们的复合物、或它们的混合物。
6.权利要求I所述的装置，其中所述基材表面的表面粗糙度小于3微米。
7.权利要求I所述的装置，其中所述基材包括玻璃、半导体、电介质、有机膜、或金属箔。
8.权利要求I所述的装置，其中在将所述第一群和第二群纳米颗粒涂覆到所述表面上之前，所述载体材料的所述表面已用至少ー种材料预涂覆。
9.权利要求8所述的装置，其中所述预涂覆的材料包括金属、电介质或它们的混合物。
10.权利要求I所述的装置，其中所述基材具有增强的拉曼光谱，包括表面增强拉曼光谱(SERS)、表面增强共振拉曼光谱(SERRS)、表面增强超拉曼光谱(SEHRS)、或表面增强相干反斯托克斯拉曼光谱(SECARS)。
11.权利要求I所述的装置，其中所述基材具有表面增强的红外吸收(SEIRA)。
12.形成用于进行等离子体激元偶合以增强电场和增强拉曼光谱法以及增强用于拉曼光谱法的基材的化学或生物特异性和敏感性的装置的方法，包括 通过包括脉冲激光沉积、背侧转移脉冲激光沉积、正向转移脉冲激光沉积、或溅射中之一的エ艺将拉曼活性材料的纳米颗粒施加到基材的表面，从而形成拉曼活性基材。
13.权利要求12所述的方法，其中脉冲激光沉积、正向转移脉冲激光沉积、或背侧转移脉冲激光沉积的エ艺包括使用脉冲持续时间在约I飞秒-100纳秒范围内的激光。
14.权利要求12所述的方法，其中脉冲激光沉积或背侧转移脉冲激光沉积的エ艺包括使用脉冲持续时间在10飞秒-200皮秒范围内的激光。
15.权利要求12所述的方法，其中在小于lXlO.mbar的超高真空到I大气压的压カ下进行该脉冲激光沉积或溅射。
16.权利要求12所述的方法，包括使用波长范围在200纳米-2000纳米范围内的脉冲激光。
17.权利要求12所述的方法，包括使用重复率小于约500MHz的脉冲激光。
18.权利要求12所述的方法，包使用重复率在lkHz-5MHz范围内的脉冲激光。
19.权利要求12所述的方法，包括形成用于表面增强拉曼光谱法(SERS)、表面增强共振拉曼光谱法(SERRS)、表面增强超拉曼光谱法(SEHRS)、或表面增强相干反斯托克斯拉曼光谱法(SECARS)的拉曼活性表面。
20.权利要求12所述的方法，包括形成用于表面增强的红外吸收的活性表面。
21.通过权利要求12所述方法制造的产品，所述产品包含其上涂覆有纳米颗粒层的基材，其中所述纳米颗粒层提供等离子体激元耦合用以增强对置于该基材表面上的材料的化学或生物特异性和敏感性。
22.权利要求21所述的产品，其中所述纳米颗粒层提供等离子体激元耦合以增强对置于该基材表面上的材料的拉曼光谱法。
23.权利要求21所述的产品，其中至少一部分所述纳米颗粒层与所述基材表面直接接触。
24.权利要求21所述的产品，其中在所述基材表面和至少一部分所述纳米颗粒层之间设置薄膜。
全文摘要
本文公开了用于拉曼光谱法如表面增强光谱法(SERS)的装置。可利用各种实施方案使用多种沉积技术如脉冲激光沉积来制备SERS基材。一些实施方案优化SERS活性金属的覆盖率、体积、或元素。该方法是用于制备SERS活性基材的单步骤、廉价的方法。在一些实施方案中，利用在SERS活性金属之下的涂覆层来实现额外的增强。
文档编号G01J3/44GK102782466SQ201180008959
公开日2012年11月14日 申请日期2011年2月3日 优先权日2010年2月10日
发明者刘冰, 市川雄贵, 村上真, 车勇 申请人:亿目朗美国股份有限公司