ОПТИЧЕСКИЙ ДАТЧИК С МНОГОСЛОЙНОЙ ПЛАЗМОННОЙ СТРУКТУРОЙ ДЛЯ УСОВЕРШЕНСТВОВАННОГО ОБНАРУЖЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ГРУПП ПОСРЕДСТВОМ SERS
OPTICAL SENSOR WITH MULTILAYERED PLASMON STRUCTURE FOR IMPROVED DETECTION OF CHEMICAL GROUPS THROUGH SERS

Область применения изобретения
Настоящее изобретение, в общем случае, относится к новому оптическому датчику, содержащему SERS-активные плазмонные частицы поверх плазмонного зеркала для усиленных локализованных оптических явлений, и к использованию этого эффекта для сверхчувствительного химического и биологического анализа с высокой структурной специфичностью и с высокой избирательностью обнаружения.
Ссылки
Нижеприведенные ссылки составляют часть предпосылок изобретения и/или раскрывают методики, которые можно применять к некоторым аспектам настоящего изобретения. Эти ссылки включены сюда посредством ссылки.
G.Bauer и др., "Resonant nanocluster technology-from optical coding and high quality security features to biochips", Nanotechnology, т.14, стр.1289-1311 (2003).
B.E.Baker, N.J.Kline, P.J.Treado и M.J.Natan, "Solution-based assembly of metal surfaces by combinatorial methods", J. Am. Chem. Soc., т.118, стр.8721-8722 (1996).
H.-G. Binger и др., "Interference enhanced surface Raman scattering of adsorbates on a silver-spacer-islands multilayer system". Molecular Physics, т.85, стр.587-606 (1995).
G.R.Brewer, Electron-Beam Technology in Microelectronic Fabrication, Academic Press, NY, 1980.
Michael M. Carrabba и др., "Substrate and Apparatus for Surface Enhanced Raman Spectroscopy" патент США, US 5255067, 19 октября, 1993.
S.Chan и др., "Surface Enhanced Raman Scattering of Small Molecules from Silver-coated silicon nanopore". Advanced Materials, 15, 1595-1598, 2003.
H.Fan и др. "Self-Assembly of Ordered, Robust, Three-Dimensional Gold Nanocrystal/Silica Arrays", Science, 304, 567-571, 2004.
S.Farquharson, и др. "Material for Surface-Enhanced Raman Spectroscopy, and SER Sensors and Methods for Preparing Same", патент США, US 6623977, 23 сентября, 2003.
D.Ginger и Др., "The evolution of Dip-Pen Nanolithography", Angew. Chem. Int. Ed., т.43, стр.30-45, 2004.
N.Halas, и др. "Nanopartide-based all-optical sensors", патент США, US 6778316, 17 августа, 2004.
К.Haupt, "Imprinted polymers-Tailor-made mimics of antibodies and receptors", Chem. Comm., 2003, 171-178.
S.Hayashi, "Spectroscopy of Gap Modes in Metal Particle-Surface Systems," Topics Applied Phys 81: 71-95, 2001.
S.Hayashi и др., "A New method of surface plasmon возбуждение mediated by metallic nanoparticles", Jpn. J. Appl. Phys. т.35, стр.L331-L334, 1996.
W.,R.Holland и др., "Surface-plasmon dispersion relation: shifts induced by the взаимодействие with localized plasma resonances". Physical Review В, т.27, стр.7765-7768, 1983.
J.C.Hulteen и др., "Nanosphere lithography: Size-tunable silver nanoparticles and surface cluster arrays", J. Phys. Chem. В, т.103, стр.3854-3863, 1999.
С.Keating и др., "Heightened Electromagnetic fields between Metal Nanoparticles: Surface Enhanced Raman Scattering from Metal-Cytochrome C-Metal Sandwiches", J. Phys. Chem B, 102, 9414-9425, 1998.
I-K.Kneipp и др. "Ultrasensitive Chemical Analyses by Raman Spectroscopy", Chem. Rev., 1999, т.99, стр.2957-2975, см. стр.2971.
Т.Kune и др., "Взаимодействие between localized and propagating surface plasmons: Ag fine particles on Al surface" Solid State Communications, т.93, стр.171-175, 1995.
Lee P.C., Meisel, D.J., J.Phys. Chem., 86, стр.3391, 1982.
A.Leitner и др., "Optical properties of a metal island film close to a smooth metal surface". Applied Optics, т.32, стр.102-110, 1993.
Y.Lu и др., "Nanophotonic Crescent Moon Structures with Sharp Edge for Ultrasensitive Biomolecular Detections by Local Electromagnetic Field Enhancement Effect," Nano Letters, 5, 119-124, 2005.
V.Matyushin, А и др., "Tuning the setup of sputter-coated multilayers in nanocluster-based signal enhancing biochips for optimal performance in protein and DNA-assays". Nanoscience and Nanotechnology т.4, стр.98-105, 2004.
M.Moskovits, "Surface enhanced spectroscopy", Rev. Mod Phys., 57, 783, 1985.
Т.Schalkhammer и др., "Reinforced cluster optical sensors", патент США 6669906, 30 декабря, 2003.
G.С.Schatz и R.P.Van Duyne, "Electromagnetic mechanism of Surface-enhaced spectroscopy", в «Handbook of Vibrational Spectroscopy», издательство J.M.Chalmers и P.R.Griffiths (John Wiley & Son Ltd. 2002), стр.1-16.
H.S.Shin, и др. "Direct patterning of silver colloids by microcontact printing: possibility as SERS substrate array", Vibrational Spectroscopy, т.29, стр.79-82, 2002.
Т.Takemori и др., "Optical response of a sphere coupled to a metal substrate". Journal of the Physical Society of Japan, т.56, стр.1587-1602, 1987.
Z.Wang и др., "The structural basis for Giant Enhancement Enabling Single-Molecule Raman Scattering", Proc. Nat. Acad. Sci. USA, т.100, стр.8638-8643, 2003.
J.West и др., "Metal Nanoshells for Biosensing Applications", патент США 6,699,724, 2 марта, 2004.
D.Wiersma, "Локализация of light in a disordered medium", Nature, 390, 671-673, 1997.
A.Wokaun, "Surface-enhanced electromagnetic processes", Solid State Physics, т.38, стр.223-295, 1984.
Y.Xia и др., "Template-assisted Self-Assembly of Spherical Colloids into Complex and Controllable Structures", Advanced Functional Materials, т.13, стр.907-918, 2003.
J.Zheng и др., "Surface-enhanced Raman scattering of 4-Aminothiophenol in assemblies of nanosized particles and the macroscopic surface of Silver", Langmuir, т.19, стр.632-636, 2003.
S.Zou и др., "Silver nanoparticle array structures that produce giant enhancement in electromagnetic fields", Chem. Phys. Lett., 404, 62-67, 2005.
Предпосылки изобретения
Различные способы удержания света и локализации и усиления электромагнитного поля в наноструктурах с целью усиления различных локализованных линейных и нелинейных оптических явлений известны из уровня техники (см., например, A. Wokaun, 1984: М. Moskovits, 1985). Наибольшее внимание в уровне техники уделяют явлениям поверхностно усиленного комбинационного рассеяния (SERS), на основе локализации и удержания света вблизи поверхностей подложек с наномасштабной структурой. Было доказано, что SERS является мощным аналитическим инструментом для сверхчувствительного химического и биологического анализа (К.Kneipp и др., 1999).
Одна предложенная структура на основе SERS предусматривает оптическую структуру, состоящую из пленки с включениями металла (MIF) поверх гладкой поверхности металла (H.-G. Binger и др., 1995, G. Bauer и др., 2003). Пленка с включениями металла состоит из случайной двухмерной матрицы металлических частиц, каждая из которых имеет наибольший размер несколько (обычно, 2-10) нм. Формы металлических частиц также разнообразны, что затрудняет структурную характеризацию частиц. (Частицы из стохастической матрицы частиц напоминают сплющенные сфероиды, малые оси которых ориентированы нормально к поверхности подложки, например, стеклянной, кварцевой или кремниевой.) По разным причинам, которые будут пояснены ниже.
6
8
Пленка с включениями металла MIF отделена от гладкого металлического слоя промежуточным разделительным слоем, выполненным из оптически прозрачного диэлектрического материала, толщина которого регулирует интенсивность взаимодействия между плазмонами, локализованными во включениях, и поверхностными плазмонами гладкого металлического слоя. Металлические частицы (включения) можно рассматривать как наноскопические антенны, собирающие падающее излучение и затем передающие энергию в близлежащие щелевые моды, которые могут быть захвачены в волноводные моды, распространяющиеся во всех направлениях в плоскости поверхности (всенаправленная связь). Способность структуры поглощать свет на конкретной длине волны зависит от наличия оптимальной толщины разделительного слоя, которая будет максимизировать поглощение в структуре на конкретной длине волны, близкой к длине волны света возбуждения (Leitner и др., Appl Opt 1993; W.R.Holland и др., 1983, Т. Kune и др., 1995). По разным причинам, которые будут пояснены ниже, максимальное усиление, достижимое в таких структурах MIF, ограничено примерно 10-10.
4
Было раскрыто явление взаимодействия локализованных плазмонов (LP) с поляритонами поверхностного плазмона (SPP) в плазменных материалах и был предложен новый способ возбуждения SPP в плазмон-резонансных гладких пленках посредством наночастиц (S.Hayashi и др., 1996). С возбуждением SPP связано интересное явление, а именно генерация сильного электромагнитного поля вблизи металлической поверхности. Общеизвестно, что сильное электромагнитное поле приводит к усилению различных линейных и нелинейных оптических процессов вблизи поверхности посредством механизма поверхностно усиленной спектроскопии (М. Moskovits, 1985; G.С.Schatz и R.P.Van Duyne, 2002). Согласно этому механизму усиление сигнала SERS пропорционально Е, где Е - электромагнитное поле вблизи поверхности металла.
6
8
Одним типичным применением этого явления является поверхностно усиленное комбинационное (Рамановское) рассеяние молекул, адсорбированных на металлических поверхностях, которые поддерживают плазмонные резонансы на длинах волны возбуждения и рассеяния. Типичное усиление, достигаемое с использованием электролитически ошероховаченного серебра или с использованием подложки, подготовленной методом наносферной литографии (J.C.Hulteen и др., 1999), находится в диапазоне 10-10. В общем случае, наблюдаемая степень усиления не однородна на протяжении датчика, а также не воспроизводима.
Невозможность контролировать параметры поверхности металла MIF и внутренние ограничения по размеру металлических частиц до менее 5 нм (V.Matyushin, А и др., 2004) препятствует их использованию для SERS (H.-G. Binger и др., 1995), ограничивает избирательность такой системы, поскольку структуры MIF-металлическая подложка не имеют сильного усиления сигнала комбинационного рассеяния. Поэтому структуры MIF-металлическая подложка использовались на практике только для усиления флуоресценции в так называемой технологии "резонансного нанокластерного биочипа" (G.Bauer и др., 2003; Т. Schalkhammer и др., 2003).
Сущность изобретения
12
14
Изобретение включает в себя согласно одному аспекту оптический датчик для использования с лазерным пучком возбуждения в видимом или ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне и детектор на основе спектроскопии комбинационного рассеяния, для обнаружения наличия химических групп в аналите, нанесенном на датчик. Датчик включает в себя подложку, плазмон-резонансное зеркало, сформированное на чувствительной поверхности подложки, слой плазмон-резонансных частиц, размещенный поверх зеркала, и слой оптически прозрачного диэлектрика толщиной около 2-40 нм, разделяющий зеркало и слой частиц. Слой частиц образован периодической матрицей плазмон-резонансных частиц, имеющих (i) покрытие, способное связывать молекулы аналита, (ii) по существу, однородные размеры и формы частиц в выбранном диапазоне размеров 50-200 нм, (iii) регулярное периодическое расстояние между частицами, меньшее длины волны лазерного пучка возбуждения. Частицы могут иметь форму с высокой или низкой степенью симметрии, и в целом, согласно рассмотренному ниже, могут иметь вид сфер, сфероидов, стержней, цилиндров, нанопроволок, трубок, тороидов или другие формы, которые, в случае однородности, могут располагаться с регулярной периодичностью. Под слоем частиц согласно данному здесь определению также следует понимать регулярную матрицу отверстий в плоском плазмонном слое, где отверстия имеют размеры, заданные выше для частиц. Устройство способно обнаруживать аналит с коэффициентом усиления до 10-10, т.е. обнаруживать отдельные молекулы аналита.
Зеркало может представлять собой слой серебра, золота или алюминия, имеющий толщину слоя около 30-500 нм. Частица имеет предпочтительный размер в выбранном диапазоне размеров в пределах 50-150 нм, и может быть сформирована из серебра, золота или алюминия целиком или в виде частиц, имеющих оболочку, сформированную из этих металлов. Согласно иллюстративному варианту осуществления, зеркало и частицы являются либо оба золотыми, либо оба серебряными, и частицы являются, по существу, сферическими.
Слой частиц может быть сформирован в виде регулярной матрицы из тесно упакованных плазмон-резонансных частиц, имеющих расстояние между частицами около 20 нм или менее, в том числе, непосредственно контактирующих между собой частиц. Слой частиц может включать в себя периодическую матрицу из, по меньшей мере, 50 частиц в, по меньшей мере одном направлении, предпочтительно по меньшей мере, 50 частиц в каждом из двух направлений на плоскости, например, ортогональных направлений или направлений, диагональных по отношению к направлениям, заданным плотной упаковкой. Датчик может включать в себя один или несколько дополнительных слоев частиц, каждый из которых непосредственно отделен от слоя частиц, лежащего непосредственно под ним, слоем оптического диэлектрика толщиной в пределах 2-40 нм. Подложка может иметь плоскую или искривленную форму, например, когда сформирована на сферических шариках или внутри пор в пористом фильтре.
10
12
Согласно другому аспекту изобретение включает в себя способ обнаружения химических групп в аналите с коэффициентом усиления, по меньшей мере, 10. При осуществлении способа на практике, молекулы аналита связываются с плазмон-резонансными частицами в слое частиц оптического датчика вышеописанного типа, чувствительная поверхность облучается лазерным пучком в видимом или NIR диапазоне, и спектр комбинационного рассеяния, обусловленный облучением, регистрируется. Способ может быть полезен для обеспечения коэффициента усиления, по меньшей мере, 10, и, таким образом, позволяет обнаруживать химические группы в одной или малом количестве молекул аналита. Способ позволяет анализировать спектр комбинационного рассеяния при мощности облучающего пучка всего 1-100 мкВт (микроватт).
Эти и другие задачи и признаки изобретения можно лучше понять из нижеследующего подробного описания изобретения, приведенного совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показано размещение компонентов основной плоской структуры для удержания, локализации и усиления ЭМ поля согласно одному варианту осуществления изобретения, и показано, как она используется для измерения спектров SERS.
На фиг.2А и 2В схематически показана структура GM и SPP согласно тому же варианту осуществления и показано в целом, как работает основной принципиальный механизм изобретения.
На фиг.3А и 3В показан вариант осуществления изобретения, в котором периодическая структура является 2-мерной матрицей наноразмерных отверстий в металлической пленке.
На фиг.4А и 4В показан вариант осуществления изобретения, в котором периодическая структура является 2-мерной матрицей наноразмерных трубок, включенных в металлическую пленку.
На фиг.5А-5D показан вариант осуществления изобретения, в котором периодическая структура является металлической решеткой, состоящей из одномерной матрицы металлических полосок или цилиндров.
Фиг.6 - топографическое изображение, сделанное с помощью атомного микроскопа, участка размером 2 микрона на 2 микрона поверхности плоской SERS-активной подложки, изготовленной согласно Примеру 2. Изображение демонстрирует однородность и высокую плотность упаковки при размещении наночастиц на поверхности.
На фиг.7А-7С показаны различные аспекты экспериментальной установки с микроскопом комбинационного рассеяния и жидкостной ячейкой, используемыми для измерения спектров SERS из жидких образцов.
На фиг.8 показаны спектры SERS для молекул родамина 6G (R6G), полученные в жидкостной ячейке с использованием микроскопа комбинационного рассеяния Horiba-Jobin-Yvon Lab Ram HR 800 и аргонового лазера.
На фиг.9 показаны спектры SERS молекул родамина 6G, полученные в жидкостной ячейке с использованием микроскопа комбинационного рассеяния.
-1
Фиг.10А - изображение комбинационного рассеяния области 20×20 мкм для главного пика интенсивности (1280 и 1400 cm) молекул родамина 6G с коррекцией базовой линии в %.
Фиг.10В - спектры SERS молекул родамина 6G при максимальной и минимальной интенсивности с коррекцией базовой линии.
Фиг.11А - карта построения изображения комбинационного рассеяния молекул родамина 6G (R6G) на слайде SERS площадью 20х20 микрон. Пунктирные линии представляют пятна, из которых были собраны спектры комбинационного рассеяния.
Фиг.11В - спектры SERS молекул родамина 6G вдоль линии 1 из 21, сверху карты, демонстрирующие однородность "горячих пятен" по поверхности подложки.
Фиг.12А-12D иллюстрируют использование SERS-активной структуры настоящего изобретения, интегрированной в оптический датчик SERS на основе фильтра с плоской (12А и В) и неплоской (12С и D) SERS-активной поверхностью. Фильтр выполнен из оптически прозрачного пористого кварца. Часть внутренней поверхности пористого материала покрыта резонансной SERS-активной структурой настоящего изобретения.
На фиг.13А и 13В показана схема оптического датчика с оптоволоконным подключением для дистанционного обнаружения и идентификации загрязнений окружающей среды и опасных материалов.
На фиг.14А и 14В показана схема оптического датчика SERS на основе микрошариков с неплоскими сферическими SERS-активными поверхностями.
Фиг.15 иллюстрирует использование шарикового аэрозоля для дистанционного обнаружения боевых биологических и химических агентов и взрывчатых веществ с помощью системы комбинационного зазора, например лидара.
Фиг.16 иллюстрирует вариант осуществления плоского микрофлюидного оптического датчика SERS согласно другому варианту осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
А. Определения
Нижеприведенные термины имеют следующее значение, если не указано обратное.
"Плазмон-резонансный металл" включает в себя любой металл, например золото, серебро или алюминий, который может поддерживать поверхностные электромагнитные моды - поляритоны поверхностного плазмона (SPP), которые являются связанными модами фотонов и плазмонов.
"Химическая группа" в образце может включать в себя подблоки в полимере, или компоненты подблока, например основания нуклеиновых кислот, или группы, составляющие химические соединения, например гидроксильную, аминную, алкильную, кислотную или альдегидную группы. Такие химические группы характеризуются уникальными усиленными сигнатурами или признаками спектра комбинационного рассеяния.
"Щелевые моды" или "GM" это нормальные электромагнитные моды или собственные электромагнитные моды, возбуждаемые внешним электромагнитным полем в пространстве между двумя или более плазмон-резонансными частицами и, когда плазмон-резонансные частицы находятся вблизи (менее 40 нм) поверхности металла, предпочтительно, поверхностью плазмон-резонансного металла.
"Плазмон-резонансные частицы" (PRP) - это частицы, сформированные из плазмон-резонансного металла, например золота, серебра или алюминия, или частицы, имеющие оболочку из такого металла. Согласно настоящему изобретению наибольший размер PRP обычно находится в пределах от 50 нм до 200 нм.
"Спектр комбинационного рассеяния, усиленный щелевой модой" образца относится к спектральным признакам в спектре комбинационного рассеяния образца, которые усилены за счет присутствия щелевых мод в образце.
"Фотонные кристаллы" это 1-, 2-, 3-мерные структуры с периодическим распределением показателя преломления, из-за чего образуется структура с запрещенной зоной, в результате чего фотоны с энергиями, соответствующими этой запрещенной зоне, не могут распространяться в фотонном кристалле и могут существовать только в локализованном состоянии.
"Фотонная запрещенная зона" - это диапазон энергии фотонов, в котором они не могут распространяться в фотонных кристаллических структурах.
"Видимый свет" - это часть электромагнитного спектра, воспринимаемая человеческим глазом, в общем случае, в диапазоне длины волны от 400 нм до 700 нм.
"Ближний инфракрасный диапазон" - это часть электромагнитного спектра, длина волны которого больше, чем у видимого света, но меньше, чем у микроволнового излучения, в общем случае, в диапазоне длины волны от 700 нм до 1 мм.
В. Общее описание изобретения
Настоящее изобретение предусматривает плазмон-резонансную наноструктуру, которая позволяет точно регулировать и настраивать свою оптическую характеристику посредством эффектов плазмонного резонанса. Это достигается за счет одного или нескольких периодических плазмонных слоев, ведущих себя, как 2-мерные или 3-мерные фотонные кристаллы с соответствующей структурой с фотонной запрещенной зоной, усиленной за счет связи с плазмонным зеркалом через слой оптически прозрачного диэлектрика, имеющего выбранную толщину менее примерно 40 нм.
Общая конструкция структуры согласно концепции изобретения, которая называется "периодической плазмонной наноструктурой на плазмонном зеркале" состоит из непрерывного плазмон-резонансного материала, именуемого "плазмонным зеркалом", и, по меньшей мере, одного слоя частиц, образованного 1-мерной или 2-мерной периодической матрицей плазмон-резонансных частиц (или другими регулярными наноструктурами, описанными ниже), в котором могут возбуждаться локализованные плазмоны (LP). Плазмон-резонансная связь между слоем частиц и зеркалом осуществляется через слой оптически прозрачного диэлектрика выбранной толщины, имеющий выбранную "отрегулированную" толщину в пределах около 2-40 нм, предпочтительно 2-20 нм.
Частицы, образующие слой частиц, по существу, однородны по размеру и форме, в выбранном диапазоне размеров около 50-200 нм, предпочтительно, 80-150 нм, в зависимости от длины волны возбуждения. Частицы могут иметь форму с высокой или низкой степенью симметрии, и в целом, согласно рассмотренному ниже, могут иметь вид сфер, сфероидов, стержней, цилиндров, нанопроволок, трубок, тороидов или другие формы, которые, в случае однородности, могут располагаться с регулярной периодичностью. Они могут быть гомогенными, состоящими из одного вещества - серебра или золота, или же композитными, например нанооболочками (J.West и др., "Metal Nanoshells for Biosensing Applications", патент США 6,699,724, 2 марта, 2004.). Периодичность слоя(ев) частиц, т.е. промежуток между соседними частицами в любом направлении может варьироваться от плотно упакованной конфигурации, в которой частицы отделены друг от друга расстоянием, равным размеру частицы плюс 0-20 нм, или с периодическим расстоянием до длины волны падающего света, при этом оптимальные связь и усиление сигнала наблюдаются в плотно упакованной конфигурации, предпочтительно, со сферическими частицами. Под слоем частиц, согласно данному здесь определению, также следует понимать регулярную матрицу отверстий в плоском плазмонном слое, где отверстия имеют размеры, заданные выше для частиц. Частицы в слое частиц разделены диэлектрическим материалом или внедрены в него, который может представлять собой воздух или твердое тело, оптически прозрачный диэлектрический материал, например, наподобие того, что образует слой диэлектрика.
Плазмон-резонансная характеристика наноструктуры является настраиваемой, и ею можно управлять, регулируя параметры наноструктуры, включая расстояние между слоями, размер и форму наночастиц, расстояние между наночастицами, периодичность частиц, образующих слой частиц, и диэлектрическую постоянную и толщину слоя диэлектрика. Максимальные локализация и усиление ЭМ поля достигаются, когда частота света возбуждения равна или близка к частоте плазмонного резонанса наноструктуры как целого, или в частности, частота плазмонного резонанса должна быть между частотой падающего света и частотой рассеянного света. Частота плазмонного резонанса и форма плазмон-резонансной характеристики в такой сложной наноструктуре металл-диэлектрик зависит от многих параметров (размера, материала, формы наночастиц, и их размещения по отношению друг к другу и по отношению к поверхности плазмонного зеркала). Однако наиболее сильные плазмонные отклики получаются при дипольных возбуждениях плазмонного резонанса LP на изолированных наночастицах. Максимальные удержание и локализация, и усиление ЭМ поля в структуре достигается посредством механизма возбуждения щелевых электромагнитных мод (GM) или собственных электромагнитных мод слоя частиц, и поляритонных мод поверхностного плазмона (SPP), возбуждаемых на гладкой поверхности зеркала. Этот механизм действует через связь и взаимодействия между этими модами и электромагнитным полем света возбуждения.
Дополнительным преимуществом регулярной матрицы LP-осцилляторов поверх континуума SPP при условии связи между ними через GM (непосредственная близость между двумя слоями, разделенными диэлектриком) является механизм синхронизации LP через SPP, которая приводит к сужению плазмонного резонанса и значительному дополнительному усилению локального поля и соответствующего сигнала комбинационного рассеяния. Однако этот эффект существует в относительно узком диапазоне спектров. Обычно эти узкие коллективные плазмонные резонансы заключены в диапазоне 450-800 нм, но наибольшее усиление достигается в диапазоне 500-600 нм для серебряной NP и 600-750 нм для золотой NP.
Общее преимущество периодической регулярной матрицы в слое частиц состоит в том, что теперь она имеет как высокий плазмон-резонансный отклик, так и свойства фотонного кристалла, которые дают дополнительный эффект фокусировки и удержания падающего светового пучка вследствие удержания в структуре с фотонной запрещенной зоной. В этом состоит отличие от случайной матрицы LPs поверх континуума SPP, где присутствуют оба эффекта синхронизации между LP и фокусировки падающего светового пучка (благодаря механизму локализации Андерсона, раскрытому в D.Wiersma, "Localization of light in a disordered medium", Nature, 390, 671-673 (1997)), но общий эффект усиления ЭМ поля значительно слабее, поскольку плотность «горячих пятен» сравнительно мала. Согласно общепринятой парадигме SERS (М.Moskovits, 1985: G.Schats и др., 2002), усиление сигнала комбинационного рассеяния происходит благодаря усилению локального поля вследствие возбуждения плазмонов в так называемых "горячих пятнах." Общая структура «горячих пятен» в различных матричных структурах объясняется и иллюстрируется ниже на фиг.2-5. С практической точки зрения это усиленное взаимодействие из периодического слоя частиц и плазменным зеркалом, допускают хорошо воспроизводимые высококачественные спектры комбинационного рассеяния с крайне низкой мощностью возбуждения (обычно 10-100 микроватт, и для некоторых образцов менее 1 микроватт).
Плазмон-резонансную наноструктуру согласно изобретению можно использовать в различных приложениях в аналитическом оборудовании, аналитической химии и спектроскопии. Например, ее можно использовать в качестве подложки в устройстве масс-спектроскопии для улучшения ионизации лазерной дезорпции, например, MALDI-TOF, SELDI-TOF). Другая основная область использования это усиление разнообразных локализованных линейных и нелинейных оптических явлений, например генерации гармоник, когерентного антистоксова комбинационного рассеяния (CARS) и, в частности, в качестве SERS-активной подложки.
В частице наноструктуру согласно изобретению можно использовать для усиления сигнала комбинационного (рамановского) рассеяния в различных оптических устройствах и устройствах оптического датчика. В частности, одно важное практическое применение изобретения состоит в его использовании как SERS-активного датчика для полностью оптического сверхчувствительного обнаружения и идентификации в реальном времени химических групп в химических и биологических аналитах в образцах в твердой, жидкой и газообразной среде. Четыре основных вариантов осуществления оптических устройств и оптических датчиков, использующих эти фундаментальные взаимодействия раскрыты ниже в разделах D1-D4, и включают в себя:
1) оптические устройства и датчики с плоскими SERS-активными поверхностями согласно настоящему изобретению (на основе SERS), реализованные, например, на платформе микрофлюидного чипа;
2) оптические устройства и датчики на основе фильтра с неплоскими SERS-активными поверхностями (на основе SERS) из оптически прозрачных пористых и мезпористых мембран и материалов, внутренние поверхности которых полностью или частично покрыты резонансной структурой настоящего изобретения. Этот датчик особенно полезен для непрерывного мониторинга загрязнения окружающей среды в жидкой и газовой фазе;
3) оптические устройства и датчики с оптоволоконной связью с плоскими и неплоскими SERS-активными поверхностями (на основе SERS). для дистанционного восприятия (обнаружения и идентификации) загрязнений окружающей среды и опасных материлов; и
4) оптические устройства и датчики на основе микрошариков с неплоскими (сферической или сфероидальной формы) SERS-активными поверхностями (на основе SERS) можно использовать в микрофлюидном потоке, а также в аэрозольных образцах.
С.Основной оптический датчик изобретения
Требования к структуре оптического датчика, отвечающего изобретению, можно понять из следующего основного описания физического взаимодействия, обеспечивающее гигантское ЕМ усиление. В условиях плазмонного резонанса, соответствующего плазмонным колебаниям отдельных NP, ЭМ поле возбуждает колебания LP на каждой частице. Для серебряных NP в диапазоне 50-150 нм, частота плазмонного резонанса находится в диапазоне 460-520 нм. Эта геометрия возбуждения также оптимальна для возбуждения двух типов щелевых электромагнитных мод (GM). Первый тип - это GM между соседними NP в матрице слоя, а второй тип - между NP и поверхностью плазмонного зеркала. Для эффективного возбуждения GM расстояние между соседними частицами (периодичность слоя) должно быть регулярным и меньшим длины волны ЭМ поля в диэлектрических средах (обычно 250-700 нм, поскольку диэлектрическая постоянная прозрачной матрицы и разделительного слоя находится в диапазоне 1,5-2,5), но наилучшие результаты получаются для плотно упакованной конфигурации, имеющей периодичность, близкую к диаметру NP плюс до 20 нм.
Если матрица NP (слой частиц) находится в непосредственной близости к плазмонной поверхности (на расстоянии менее примерно 40 нм), то SPP в зеркале возбуждаются и распространяются во всех направлениях в плоскости поверхности. Вследствие связи с LP наночастиц, SPP создают новый механизм (помимо ЭМ волны) дальнодействующего взаимодействия между колебаниями LP. Дальнодействующие взаимодействия обеспечивают синхронизацию фаз колебаний LP в матрице NP и приводит к уменьшению ширины плазмонного резонанса, так называемые коллективные плазмонные колебания. Оптимальные параметры для возникновения такой синхронизации следующие: размеры NP находятся в диапазоне 50-200 нм, предпочтительно, 80-150 нм, и регулярная периодичность (расстояние между частицами), предпочтительно в обоих направлениях в слое частиц, меньше длины волны возбуждающего света, и предпочтительно, тесно упакованная конфигурация, имеет периодичность, равную размеру NP плюс до 20 нм. Наибольшее усиление достигается для совершенной периодической матрицы с количеством NP в одном направлении более 50. Любое отклонение от совершенной периодичности и от однородности в размере NP будут ослаблять эффект усиления, поскольку оно приводит к нарушению синхронизации и уширению формы плазмонного резонанса. Это объясняет, почему случайные матрицы и фрактальные структуры из NP менее эффективны, чем периодическая наноструктура поверх. плазмонного зеркала, раскрытого в изобретении.
В порядке примера иллюстративной наноструктуры, построенной согласно изобретению, обратимся к оптическому датчику, показанному на фиг.1 и 2. Структура состоит из подложки 10, обеспечивающей чувствительную поверхность. Подложка может представлять собой любую диэлектрическую опору, например стеклянный, керамический или кремниевый волноводный слайд или волновод. На чувствительной поверхности подложки сформировано плазмон-резонансное зеркало 20, выполненное из материала, например серебра, золота или алюминия, способного поддерживать поляритоны поверхностного плазмона (SPP). Этот слой может быть сформирован стандартным методом вакуумного осаждения (например, V.Matyushin, А и др., 2004). Толщина слоя должна быть в диапазоне 20-500 нм или более, поскольку он должен функционировать как зеркальная поверхность в оптическом диапазоне спектров.
Разделительный слой 30, сформированный поверх зеркала, состоит из оптически прозрачного диэлектрического материала, например LiF, сформированного методом вакуумного осаждения, или высушенных полимерных пленок, согласно описанному ниже. Толщина слоя находится в диапазоне менее 50 нм, предпочтительно, менее 40 нм, и более предпочтительно, 3-20 нм, например 5-25 нм. Если для изготовления слоя наночастиц на слое диэлектрика используется метод самосборки, слой, предпочтительно, формируется из полиамина и т.п., способного к формированию ковалентных химических связей с частицами (и с зеркальным слоем). Диэлектрический разделительный слой можно создавать с контролируемой толщиной с использованием, например, микромашинной системы пьезо-привода. В этом случае, можно динамически управлять оптическими плазмонными свойствами подложки для оптимизации максимума поглощения.
Нанослой 40 частиц можно формировать, например, методом самосборки (В.Е.Baker и др., 1996), допускающим любой размер плазмонных частиц (например, 80-100 нм), с использованием частиц с высокой однородностью по форме и размеру. Можно также использовать композитные наночастицы (золото-серебро или кварц-серебряная оболочка), которые могут представлять собой наночастицы с низкой симметрией, например «наношары» (Y. Lu и др., 2004). С использованием методов направленной самосборки по шаблону (Y.Xia и др., 2003) можно создавать хорошо упорядоченные (с кубической, гексагональной или другой симметрией) матрицы частиц с управляемыми поверхностной плотностью и расстояниям между частицами. Плазмонные частицы могут быть по отдельности покрыты защитным слоем.
Защитный покровный слой 50 может быть, например, сформирован из SiO или другого диэлектрического оптически прозрачного материала. Согласно варианту осуществления, в котором частицы имеют индивидуальное защитное покрытие, защитный слой не нужен. Толщина защитного слоя меньше 5 нм, предпочтительно, меньше 2 нм. Защитный слой или покрытие на отдельных частицах может быть модифицировано молекулами, связывающими аналит, например антителами, лигандами, фрагментами ДНК и т.п., или же связывание аналита с покрытием или защитной поверхностью может представлять собой неспецифическую абсорбцию. В некоторых вариантах осуществления отдельные частицы могут быть покрыты полимером с молекулярными отпечатками (MIP) для привязки конкретного целевого аналита (K.Haupt, "Imprinted polymers-Tailor-made mimics of antibodies and receptors", Chem. Comm., 2003, 171-178) или моноклональными антителами для конкретных аналитов. В любом случае, поверхность датчика экспонируют для аналита при условиях, в которых молекулы аналита связываются с поверхностью покрытия, обычно помещая аналит в 0-5 нм от PRE на поверхности частицы. Однако в ряде случаев, когда молекулы аналита могут проникать и связываться непосредственно с поверхностью частицы, усиление может быть еще больше. На фигурах показано, как молекулы аналита 80 размещены на поверхности 50 покрытия.
4
В режиме оптического восприятия чувствительная поверхность облучается лазерным пучком 60 в видимом или NIR диапазоне через фокусирующую линзу 70. Согласно фиг.2А и 2В падающий свет, обозначенный 110, возбуждает щелевые моды 130 (GM), локализованные, предположительно, в слое частиц и между частицами и плазмонным зеркалом, и щелевые моды 140 между наночастицами (NP) 100, образующими слой частиц. Хотя это и не показано, локализованные плазмоны (LP) формируются вокруг каждой частицы. Поляритоны поверхностного плазмона (SPP), сформированные на поверхности металлической пленки, обозначены 150. Представление SPP в виде синусоидальных волн призвано указывать, что SPP распространяются, и не являются стационарными. Можно видеть, что GM порождают чрезвычайно сильное локальное электрическое поле в непосредственной близости от поверхностей частиц. Конечное усиленное ЭМ поле приводит к увеличению сечения комбинационного рассеяния, которое пропорциональное Е (М.Moskovits, 1985: G.С.Schatz, и R.P.Van Duyne, 2002). Усиленный световой сигнал комбинационного рассеяния, обозначенный 120, генерируемый молекулами аналита, собирается в сборке обратного рассеяния и передается на диспергирующий элемент детектора спектрометра комбинационного рассеяния (не показан), где анализируются спектры вещества и идентифицируется информация о химических группах.
На фиг.3-5 показаны другие варианты осуществления структуры "плазмонной решетки поверх плазмонного зеркала", действующей согласно вышеописанному общему принципу. Например, на фиг.3А и 3В, 2-мерная периодическая плазмонная структура представляет собой металлическую пленку 20а с периодической матрицей наноотверстий 102 с диаметрами в диапазоне 20-200 нм и расстоянием между отверстиями в диапазоне меньше длины волны падающего света. Между пластиной 20b с наноотверстиями и плазмонным зеркалом 20а имеется слой диэлектрика 30 толщиной 2-40 нм. Падающая электромагнитная волна 110 возбуждает LP на поверхности каждого наноотверстия и SPP 150 на поверхности металлической пленки. Вследствие резонансных эффектов аномального пропускания света через матрицу субволновых наноотверстий (Т.Ebessen и др., Nature, 391, 667, 1998), электромагнитное поле проникает в объем между плазмонным зеркалом и матрицей наноотверстий и возбуждает GM 132 и два типа SPP (обозначенных 150) на поверхности плазмонного зеркала и на обеих поверхностях металлических пленок с матрицей наноотверстий 20b. SPP и GM взаимодействуют друг с другом через слой диэлектрика 30 толщиной менее 40 нм. В силу непосредственной близости это дополнительное дальнодействующее взаимодействие между SPP и LP стимулирует синхронизацию фаз колебаний LP в матрице и, вследствие плазмонного резонанса, обеспечивает существенное увеличение суженного и локального поля на поверхностях NP.
Структура решетки наноотверстий, показанная на фиг.3А и 3В, может формироваться, например, с использованием методов фотолитографического травления с образованием слоя серебра или золота, содержащего матрицу отверстий, каждое из которых имеет выбранный диаметр в диапазоне 50-200 нм, причем толщина пленки находится в диапазоне 20-200 нм, и расстояние между отверстиями находится в диапазоне не более длины волны возбуждения и, предпочтительно, в диапазоне диаметра отверстия плюс 20 нм. Эту пленку после формирования можно перенести на структуру, покрывающую зеркальный слой подложки и слой диэлектрика для формирования наноструктуры оптического датчика, отвечающего изобретению.
Молекулы 82 аналита на слое решетки могут адсорбироваться на поверхности внутри или вблизи наноотверстия 102 и подвергаться воздействию значительно усиленного локального поля NP. Вследствие вышеописанного эффекта SERS, сигнал 130 комбинационного рассеяния усиливается, и этот сигнал регистрируется оптической системой и подвергается спектральному анализу в устройстве спектрометра комбинационного рассеяния.
На фиг.4А и 4В показаны варианты осуществления, аналогичные представленным на фиг.3А и 3В, за исключением геометрических параметров решетки плазмонной матрицы, состоящей из металлической пленки 20b с отверстиями размерами меньше длины волны, и нанотрубками 104, присоединенными к каждому отверстию. Период решетки в этом случае имеет вышеописанный диапазон, а именно, меньше длины волны возбуждающего света. В данной конфигурации геометрическая структура GM между слоем решетки и зеркалом (обозначенная 134) будет слегка отличаться; однако фундаментальный механизм взаимодействия посредством возбуждения LP, GM и SPP и механизм синхронизации в матрице наноструктур в основном такие же.
Структура решетки нанотрубок, показанная на фиг.4А и 4В, может быть сформирована, например с использованием методов самосборки с образованием собранной матрицы серебряных или золотых нанотрубок, которая затем переносится на структуру, покрывающую зеркальный слой подложки и слой диэлектрика, для формирования наноструктуры оптического датчика, отвечающего изобретению. Альтернативно, слой нанотрубок, который переносится на структуру зеркала, может быть сформирован методами фотолитографии, в котором трубки и внутренние части трубок создаются путем травления фотоактивированных областей матрицы. Согласно этому варианту осуществления, каждая трубка имеет выбранный ID (внутренний диаметр) в диапазоне 50-200 нм, толщина пленки (длина трубки) находится в диапазоне 20-200 нм, и расстояние между трубками находится в диапазоне не более длины волны возбуждения и, предпочтительно, в диапазоне диаметра трубки плюс 20 нм.
Нет ничего удивительного в том, что в силу симметрии решетки на фиг.2-4, возбуждение SPP является всенаправленным, и поэтому эффективность возбуждения не зависит от поляризации падающего света в случае перпендикулярной геометрии падения.
Альтернативный вариант осуществления структуры "плазмонной решетки поверх плазмонного зеркала" представлен на фиг.5А-5D, где показана структура, в которой плазмонная решетка представляет собой одномерную матрицу наноцилиндров 106, показанную на фиг.5А и 5В, или нанополосок 106, показанную на фиг.5С и 5D, которые образуют, в результате, плазмонную металлическую решетку. (Другие структуры, сходные с показанными на фиг.2-5, обозначены одними и теми же позициями на всех этих фигурах). Диапазон геометрических параметров такой же, как и в предыдущих примерах. Все геометрические размеры структуры, включая диаметр цилиндров или полосок, и периодичность поверхностных структур, меньше длины волны света. В частности, каждый цилиндр или полоска имеет выбранный OD (внешний диаметр) или ширину в диапазоне 50-200 нм, и расстояние между цилиндрами или ширина полосок обеспечивает периодичность менее длины волны света возбуждения и, предпочтительно, диаметр OD цилиндра (или ширина полоски) плюс до 20 нм.
Структура решетки наноцилиндров, показанная на фиг.5А и 5В, может быть сформирована, например, с использованием методов самосборки с образованием собранной матрицы серебряных или золотых наноцилиндров, которая затем переносится на структуру, покрывающую зеркальный слой подложки и слой диэлектрика, для формирования наноструктуры оптического датчика, отвечающего изобретению. Альтернативно, слой наноцилиндров, который переносится на зеркальную структуру, сформирован методами фотолитографии.
Механизмы взаимодействия посредством GM между цилиндрами, обозначенные 146, и GM между цилиндром и зеркалом, обозначенные 134, и SPP, обозначенные 150, по существу, такие же, как вышеописанные. Однако вследствие пониженной симметрии в одномерной структуре, эффективность возбуждения теперь зависит от ориентации вектора поляризации в поперечной плоскости. Более эффективное возбуждение GM достигается, если направление электрического поля в ЭМ волне перпендикулярно направлению цилиндров и полосок в поперечной плоскости.
Принципы действия SERS-активных структур в устройствах оптического датчика для обнаружения аналита такие же, как описанные для случая, показанного на фиг.2, и их можно легко понять по аналогии.
D. Описание конкретных вариантов осуществления
В этом разделе описаны четыре применения вышеописанных оптических наноструктур. В этих вариантах осуществления, которые проиллюстрированы на фиг.12-16, структура, представленная позицией 150 на фиг.12 и 13, это вышеописанная наноструктура оптического датчика. Для всех вариантов осуществления, совокупность оптических наноструктур призвана охватывать вышеописанные общие структуры.
D1. Плоский микрофлюидный оптический датчик SERS
В этом базовом варианте осуществления оптические структуры используются в качестве оптического датчика для обнаружения аналитов, которым открыт датчик, например, на платформе плоского микрофлюидного SERS-чипа, который можно использовать для анализа жидких образцов применительно к заболеваниям или мониторингу окружающей среды. Общая схема использования плоского микрофлюидного оптического датчика SERS с настольным микроскопом комбинационного рассеяния показана на фиг.16. SERS-активная структура настоящего изобретения согласно вариантам осуществления, показанная выше на фиг.1-5, может быть встроена в каждый канал микрофлюидного чипа 370, размещенный на механизированном подвижном столе 360, и управляться электронным устройством 350 через компьютер 180. Образец аналита течет по каналам, и молекулы аналита адсорбируются на SERS-активную поверхность и анализируются микроскопом комбинационного рассеяния. Свет от источника 300 света через расщепитель 312 пучка и фокусирующую оптику 70, и объектив 72 микроскопа направляется на образец на поверхности подложки SERS. Рамановский сигнал рассеяния, генерируемый в геометрии обратного рассеяния через оптическую систему, передается на диспергирующий элемент 330, и спектры регистрируются ПЗС детектором 340 и анализируется на компьютере 180. В другом варианте осуществления датчика, можно использовать портативный вариант спектрометра комбинационного рассеяния. Этот датчик имеет широкий диапазон использования, включая, но без ограничения: мониторинг окружающей среды, геномные и протеомные исследования, анализ ДНК, формацевтическую и лекарственную промышленность, анализ сельскохозяйственной продукции и пищи, биомедицинскую диагностику, биологическую защиту, промышленный мониторинг, судебно-медицинской экспертизе и т.д.
D2. Оптический датчик SERS на основе фильтра
Этот вариант осуществления иллюстрирует использование SERS-активной структуры настоящего изобретения, интегрированной в оптический датчик SERS на основе фильтра с плоской (12А и В) и неплоской (12С и D) SERS-активной поверхностью. SERS-активная структура, обозначенная 150, встроена в пористые фильтры, выполненные из оптически прозрачного материала, например, пористого кварца в плоской архитектуре, показанной на фиг.12А и 12В. Фильтры из оптически прозрачного пористого кварца могут лучше всего подходить для этого датчика. Диаметр пор 190 может быть в диапазоне от 1-100 микрон, в зависимости от назначения фильтра. Наноструктура 150 может быть встроена в пористый кварц путем покрытия пор слоем серебра с использованием метода химического осаждения с последующей функционализацией поверхности серебра наночастицей, как описано в примерах 1 и 2. Неплоская конфигурация пор, покрытых SERS-активной поверхностью 150, показана на фиг.12С и D. Когда раствор аналита протекает через фильтр, лазерную систему со спектрометром можно использовать для непрерывного мониторинга загрязнений в растворе или воде 200, текущем(и) через поры фильтра 190. Таким образом, предусмотрено применение для непрерывного мониторинга загрязнений и опасных материалов в системе флюидов, например водопроводной системе.
D3. Волоконно-оптический датчик SERS
Применение изобретения к волоконно-оптическому датчику проиллюстрировано на фиг.13А и В. Здесь SERS-активная структура 150 встроена в чувствительный зонд 240, который соединен волоконным кабелем 232 для передачи изображений (который содержит от 1000 до 1000,000 отдельных волокон, сплавленных в единый пучок) с многоканальной системой 170 анализа комбинационного рассеяния. Возбуждающий свет от источника 220 света по волокну 232 доставляется на SERS-активную поверхность. Вода с целевым аналитом течет по каналу, имеющему впускное отверстие 200а и выпускное отверстие 200b. Загрязнения в проточной воде адсорбируются на поверхности 150 и детектируются посредством усиленного комбинационного рассеяния. Датчик такого типа особенно полезен для приложений, предусматривающих использование мониторинга качества водной среды.
D3. Шариковый оптический датчик SERS
Согласно еще одному варианту осуществления изобретение предусматривает микрошарики, покрытые SERS-активным покрытием согласно настоящему изобретению, показанные на фиг.14А и В. Здесь сферические шарики 210 выполнены из полиэфира или аналогичного материала и имеют диаметры в диапазоне 3-10 микрон и покрыты слоем серебра 20 методом вакуумного осаждения, и этот слой, в свою очередь, покрыт слоем 30 диэлектрика, имеющим толщину в диапазоне 2-40 нм. Затем покрытый шарик покрывают NP 100, которые имеют диаметр в диапазоне 50-150 нм. Показано, что NP также покрыты диэлектрическим покрытием 30. SERS-активные шарики можно использовать как суспензию в микрофлюидном устройстве оптического датчика или в применении, требующем аэрозоли.
Использование SERS-активных шариков в микрофлюидном оптическом датчике показано на фиг.14В. Образец аналита в растворе инжектируется через канал 202, а суспензия SERS-активных шариков - через канал 200. В смесительной камере 250 аналит смешивается с шариками, и молекулы аналита адсорбируются на поверхности шариков. В области 260 обнаружения аналит регистрируется посредством SERS.
SERS-активные шарики в форме аэрозоля можно использовать для дистанционного обнаружения боевых биологических и химических агентов и взрывчатых веществ, что показано на фиг.15. Здесь аэрозоль SERS-активных шариков 290 инжектируется из инжектора 280 в облако 270 анализируемого газа. Аналит и шарики смешиваются в баке, и аналит адсорбируется на поверхности SERS-активных шариков. После этого, шарики собираются, например, газовым фильтром, или могут анализироваться на месте системой 300 комбинационного рассеяния, например, рамановским лидаром.
Из вышеизложенного можно понять, как осуществляются различные задачи и признаки изобретения. Модельные пластины SERS, построенные согласно изобретению, были подготовлены и протестированы с разными системами комбинационного рассеяния с использованием в качестве аналита молекулы аденозина. Сравнение результатов с результатами для коммерчески доступных пластин SERS и с пористым кварцем Intel, покрытым серебряными пластинами SERS демонстрирует усиление, по меньшей мере, на 6 порядков величины большее, чем у структур, отвечающих уровню техники. Результаты являются устойчивыми и воспроизводимыми, в том смысле, что одни и те же результаты были получены на многочисленных по-разному устроенных наноструктурах в течение семи месяцев. Наноструктурные пластины стабильны, поскольку они сохраняют SERS-активность в течение, по меньшей мере, 3 месяцев.
6
8
12
14
Согласно изобретению, в первый раз, достаточный SERS сигнал в диапазоне до 7000 отсчетов в секунду был получен с новыми пластинами SERS при мощности освещения на образце всего лишь 5 мкВт и в некоторых случаях даже 0,4 мкВт с R6G. Этот уровень сигнала сравним или выше, чем достигнутый в датчиках на основе люминесцентного обнаружения; однако амплитуда необходимой мощности освещения, по меньшей мере, на 3 порядка ниже. Предполагая, что коэффициент усиления подложек Intel находится в диапазоне 10-10, можно оценить, что коэффициент усиления для пластин 3ER3 согласно настоящему изобретению составляет 10-10.
Следующие примеры иллюстрируют различные способы формирования и использования наноструктур, отвечающих изобретению, но они никоим образом не призваны ограничивать объем изобретения.
ПРИМЕР 1
Приготовление наноструктуры частиц серебро-серебро путем самосборки наночастиц Ag
Для каждого из ряда слайдов серебряное зеркало осаждалось на чистый стеклянный слайд микроскопа методом термовакуумного испарения серебра (99,995%) с использованием системы вакуумного осаждения (E302, Edwards). Слайды были погружены в 1% водный раствор полилизина на один час, с образованием диэлектрического слоя полилизина поверх серебряной пленки. После промывки большим количеством воды, слайды оставили на ночь в суспензии наночастиц серебра с оптической плотностью 5 при максимуме угасания 450 нм. Самосборка частиц серебра на поверхности привела к появлению желтого оттенка (на вид) зеркал. Затем слайды промыли водой и открыли различным аналитам на разные периоды времени. После адсорбции молекул аналита, слайды обследовали с помощью спектрометра комбинационного рассеяния, выдающего спектры SERS.
Во втором примере, наночастицы серебра адсорбировали на поверхности зеркала с использованием поли(винилпириден)а в качестве модификатора поверхности (образующего слой диэлектрика). Поли(винилпириден) адсорбировали на зеркальные поверхности серебра и золота из 1% этаноловых растворов в течение нескольких часов.
ПРИМЕР 2
Приготовление образцов с самособранной наноструктурой частиц серебра методом микроконтактной печати
В этом примере, метод микроконтактной печати, раскрытый, например, в ссылке (H.S.Shin, и др. "Direct patterning of silver colloids by microcontact printing: possibility as SERS substrate array", Vibrational Spectroscopy, т.29, стр.79-82, 2002, H.Fan и др., "Self-Assembly of Ordered, Robust, Three-Dimensional Gold Nanocrystal/Silica Arrays", Science, 304, 567-571 (2004), использовали для формирования плотно упакованной матрицы наночастиц серебра на серебряном зеркале.
Наночастицы серебра приготовили методом, раскрытым в статье Lee Р.С., Meisel, D.J., J.Phys. Chem., 86, стр.3391 (1982), с использованием поли(винил-пирролидон)а в качестве закупоривающего реагента. Сначала, нитрат серебра (0,2 г Aldrich, 99+%) развели в 3 мл этиленгликоля (Aldrich, 99,8%). 1 г поливинил-пирролидона (Aldrich, MW « 40000) добавили в 15 мл этиленгликоля и смесь взболтали и нагрели до 197°С. Затем нитрат серебра в растворе этиленгликоля ввели в нагретый поли(винилпиридон). Эту реакционную смесь нагревали при 197°С в течение 1 часа. Наночастицы серебра осаждали методом центрифугирования. В частности, реакционную смесь охладили до комнатной температуры, развели ацетоном (примерно в 10-кратном объеме) и центрифугировали на скорости 4000 об/мин в течение 20 мин, удаляя жидкую фазу при помощи пипетки. Наночастицы прополоскали водой и промыли ацетоном и водой 2-3 раза для удаления поверхностно-активных веществ/поливинил-пирролидона.
Стеклянные слайды, используемые для осаждения серебра сначала очистили вымачиванием в NaOH (Aldrich, 99%) раствор (0,1 М NaOH в 75% водном растворе этанола). Спустя 2 часа, стеклянные слайды промыли сверхчистой водой и высушили на воздухе. Тонкую серебряную пленку (толщина=100 нм) осадили на очищенные стеклянные слайды посредством электронно-лучевого испарителя Эдвардса ЕВ3 в 432А. Полученные стеклянные слайды вымочили в растворе 1 вес.% поли(винилпиридин)а (Сигма, Mw≈37 500). Спустя 4 часа, слайды промыли сверхчистой водой и высушили на воздухе. Затем слайды поместили на горячую пластину и обжигали при температуре 50°С в течение 15 минут.
Наночастицы серебра в растворе гексана осторожно накапали на поверхность воды, причем гексан распространился по поверхности воды, образовав тонкую масляную пленку. По мере испарения гексана поверхность пленки истоньчается, пока весь гексан не улетучится и наночастицы серебра самособерутся в плотно упакованный монослой.
Эти монослои серебра перенесли на поверхность слайда, поместив слайд параллельно поверхности воды и слегка коснувшись подложкой пленки из наночастиц. Повторив этот процесс, можно получить множественные слои наночастиц серебра (показано на следующей фигуре).
Слайды обжигали на горячей пластине при 50°С в течение 15 минут.
Способ, используемый при подготовке слайда, аналогичен способу, раскрытому в H.S.Shin, и др. "Direct patterning of silver colloids by microcontact printing: possibility as SERS substrate array", Vibrational Spectroscopy, т.29, стр.79-82, 2002, H.Fan и др., "Self-Assembly of Ordered, Robust, Three-Dimensional Gold Nanocrystal/Silica Arrays", Science, 304, 567-571, 2004.
На фиг.6 показано топографическое изображение, сделанное с помощью атомного микроскопа, типичной подложки SERS, приготовленной по этому протоколу, демонстрирующее матрицу NP высокой плотности со структурой, близкой к периодической.
ПРИМЕР 3
Экспериментальные измерения на аналите родамина 6G (R6G)
Экспериментальная система, используемая в данных вариантах осуществления, показана на фиг.7А-7С. Измерения производились с использованием микроскопа комбинационного рассеяния Horiba-Jobin Yvon LabRam HR 800.
Измерение спектров SERS из жидких образцов производили с использованием жидкостной ячейки, выполненной из боросиликатного стекла. Схема жидкостной ячейки представлена на фиг.7А (вид сверху) и на фиг.7В (вид в разрезе). Стеклянная жидкостная ячейка содержит жидкостный канал 84, сформированный на стеклянном слайде 14, глубиной примерно от 1,2 до 2,0 мм. Толщина SERS-активной структуры 150 составляла 0,8 мм. В ходе эксперимента было определено оптимальное значение параметров, например глубины жидкостного канала, например наилучшие условия для фокусировки лазерного светового пучка через конфокальный объектив микроскопа комбинационного рассеяния. Использование покровного стекла 16 было важно для поддержания одинаковой толщины слоя аналита на протяжение всех наборов измерений. В результате была определена оптимальная глубина жидкостного канала около 1,5 мм.
Использование жидкостной ячейки.также позволяет определить точный предел обнаружения для аналитов в растворе, в отношении концентрации молекул аналита в растворе, измеренной в единицах моль/литр. С этой целью для каждого аналита была определена ленгмюровская изотерма адсорбции.
-10
-3
Водные растворы родамина 6G (R6G) были приготовлены в диапазоне концентраций от самой низкой 10 моль/л до 10 моль/л. На первом этапе были проведены измерения спектров комбинационного рассеяния из растворов с наименьшей концентрацией аналита и последующее измерение было произведено с той же SERS-активной пластиной, но при возрастающей концентрации аналита. На каждом этапе процедуры, раствор аналита инжектировали в жидкостную ячейку с помощью пипетки 160а, после чего покрывали покровным стеклом. После измерения спектров комбинационного рассеяния, раствор аналита заменяли новым, с более высокой концентрацией, и повторяли измерение в условиях фокусировки пучка освещения. Фокус микроскопа комбинационного рассеяния отрегулировали для получения оптимального условия освещения, и эти настройки использовали для всех последующих измерений. На следующем этапе раствор в жидкостной ячейке заменяли раствором с повышенной концентрацией аналита, используя пипетку 160b для удаления раствора аналита.
На фиг.7С показана экспериментальная установка, применяемая в экспериментах. На этой фигуре наноструктура 150 оптического датчика облучается оптическим пучком 70, сфокусированным линзовым устройством 72. Свет, рассеянный от образца, фокусируется в устройство 72, и направляется расщепителем 160 пучка на многоканальную систему 170 анализа комбинационного рассеяния, причем спектральный анализ производится на компьютере 180. Этот способ позволяет использовать одну и ту же SERS-активную подложку во множественных измерениях. Он также позволяет тестировать подложку на устойчивость.
Результаты репрезентативных экспериментальных данных, полученных с R6G с использованием жидкостной ячейки глубиной 1,5 мм и микроскопа комбинационного рассеяния Horiba-Jobin Yvon LabRam HR 800, показаны на фиг.8-11. Из этих данных было определено, что количественный предел обнаружения (LOD) для R6G равен 100 наномолей/литр. LOD определяет наименьшую концентрацию, при которой в спектрах комбинационного рассеяния впервые появляются отличительные спектральные признаки R6G.
На фиг.8 показаны спектры SERS для R6G при концентрации 500 наномолей/литр, при мощности лазера на образце 4,1 мкВт, времени интегрирования 10 с, длине волны светового пучка возбуждения 514 нм, объективе 50x/0,45, когда световой пучок сфокусирован на поверхности подложки, и диаметр фокального пятна на образце равен 2 микрона. Эти спектры были получены без вычитания фона. Можно видеть, что даже при очень низкой мощности освещения, сигнал комбинационного рассеяния очень силен, достигая 7000 отсчетов в секунду для наиболее сильных линий.
На фиг.9 показаны спектры SERS для R6G при тех же условиях, которые существовали в эксперименте, показанном на фиг.8, за исключением того, что мощность возбуждения на образце была чрезвычайно мала, всего лишь 0,4 мкВт. Хотя сигнал комбинационного рассеяния в этом случае меньше (около 200 отсчетов в секунду), отношение сигнал/шум, характеризующий качество спектров SERS, по прежнему очень высок, более 100.
На фиг.10А и 10В показаны изображения спектров комбинационного рассеяния, полученные отображением области подложки SERS 20 микрон на 20 микрон. Мощность возбуждения в этом эксперименте составляла 32 мкВт, время сбора для каждого отдельного спектра составляло 1 секунду, отображенная область имела размеры 20×20 микрон, и измерение карты проводилось с шагом в 1 микрон, и суммарное количество спектров составляло 400 точек. Полная карта была выполнена за 7 минут с использованием системы автоматического механизированного стола комбинационного микроскопа Horiba-Jobin Yvon LabRam HR 800.
-1
На фиг.10А показано изображение комбинационного рассеяния для интенсивности главного пика R6G, проинтегрированной по интервалу 1280-1400 cm с коррекцией базовой линии, где интенсивность приведена в %. Результаты демонстрируют высокую однородность свойств усиления по поверхности для SERS-подложки согласно настоящему изобретению. Максимальная вариация интенсивности основного спектрального признака составляет менее 25%, что показано на фиг.10В, где для сравнения представлены спектры с максимальной и минимальной интенсивностью.
На фиг.11А и 11В показаны те же данные, но с набором спектров SERS вдоль линии, состоящей из 20 точек, представленные в виде трехмерного графика на фиг.11В.
Данные демонстрируют высокую однородность свойств усиления по поверхности для SERS-подложки согласно настоящему изобретению, в том смысле, что достигнута высокая плотность "горячего пятна", что важно для практического использования SERS-подложки, и демонстрируют превосходство этой SERS-подложки. над другими, отвечающими уровню техники.
12
14
В частности, было обнаружено, что подложки, приготовленные согласно настоящему изобретению, имеют необычно большое усиление сигнала комбинационного рассеяния по сравнению с другими SERS подложками. Наиболее впечатляет тот факт, что сильный сигнал комбинационного рассеяния достигается даже при мощности освещения 0,4 мкВт (см. данные, представленные на фиг.9). Экспериментальные данные показывают, что пластины SERS, отвечающие настоящему изобретению, обеспечивают более высокое усиление сигнала комбинационного рассеяния по сравнению с современными пластинами SERS, разработанными Intel Precision Biology Group (S.Chan и др., "Surface Enhanced Raman Scattering of Small Molecules from Silver-coated silicon nanopore", Advanced Materials, 15, 1595-1598, 2003, по меньшей мере, на 5-6 порядков величины. Это значит, что подложка, отвечающая настоящему изобретению, может обеспечивать воспроизводимый и стабильный коэффициент усиления до 10-10, обеспечивая избирательность до одной молекулы.
Хотя изобретение было описано в отношении некоторых вариантов осуществления и применения, можно предложить различные модификации и изменения, а также дополнительные варианты применения, не отклоняясь от изобретения.