表面增强拉曼光谱的方法、用途和装置制造方法及图纸

披露了一种利用表面增强拉曼光谱法(SERS)分析分析物(3)的方法，包括以下步骤：a)提供SERS活性金属的基本平坦的或者拓扑结构化的金属面(1)；b)在平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上沉积该分析物(3)或开孔基材(5)；c)分别在所述分析物(3)或开孔基材(5)上沉积大量的SERS活性金属的纳米液滴(2)；d)通过扫描激光辐射并利用SERS来光谱分析夹在平坦的或拓扑结构化的金属面(1)与大量的纳米液滴(2)之间的所述分析物；其中，纳米液滴(2)的数均直径在5‑70纳米范围内，且在相邻的纳米液滴(2)之间的数均间距小于它们的数均直径，并且步骤c)通过物理气相沉积(PVD)或者通过溅射SERS‑活性金属进行，条件是若在步骤b)中开孔基材(5)被沉积在平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上，则分析物(3)在步骤d)之前被引入该孔中。

Methods, applications and devices of surface enhanced Raman spectroscopy

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】表面增强拉曼光谱的方法、用途和装置
本专利技术涉及利用表面增强拉曼光谱法(SERS)分析分析物的方法、这种方法的用途以及用在这样的方法中的多层结构。现有技术我们物理空间的化学足迹的识别对我们的安全、安保和健康至关重要。作为化学分析技术，拉曼光谱法有许多优点。它是通用的，因为人们可以在文献中找到几乎任何分子、病毒或细菌的拉曼光谱。它是高选择性的，因为其信号(频谱)对分析物是高特异性的。此外，相比于其它光谱学技术如高效液相层析法(HPLC)、质谱法(MS)、核磁共振法(NMR)和基质辅助激光解吸/电离法(MALDI)，它简单且廉价许多。但是，低灵敏度限制了其广泛用作综合性化学分析工具。表面增强拉曼光谱法(SERS)是用于应对拉曼光谱学灵敏度问题的有效方法。采用金属纳米结构，SERS能以多个量级增强拉曼信号。这样的显著增强近40年来将大量研究人员吸引到该领域。但该技术的广泛商业化尚未得以实现。最重要的挑战是要扩展能被SERS检测的分析物领域。现实中，SERS在分析物对金属表面强烈亲和的情况下已经是有效的。换言之，SERS能提高灵敏度，但显著的代价是通用性损失。US9.036,144披露了一种利用贵金属粒子捕获空气传播分析物并随后在表面上沉积连同所捕获的分析物在内的贵金属粒子的方法。因此，为了空气中有机化学物的快速实时的SERS检测，胶体银和/或金纳米粒子溶液以纳米/微米尺寸液滴的形式在存在有感兴趣的分析物的空气中被喷洒。EP-A-2433102披露了一种扫描拉曼分光计用于蛋白质免疫印迹或酶联免疫吸附试验方法的扫描拉曼光谱。测量灵敏度通过将在蛋白质印迹法和ELISA方法中使用的二级抗体与表面增强拉曼散射(SERS)标签相结合而被提高。所得到的印迹或阱板用形成样本像素图的拉曼系统来分析。确切说，拉曼系统产生有效线形发光图案并在垂直于该线的方向上扫描样本，同时信号在探测器上累积。每个像素因此是由发光长度和样本在探测器上的信号累积的持续时间内所走过的距离限定的矩形。该像素被依次获取以产生样本图。JP2010181352披露了一种拉曼光谱仪，其能稳定增强拉曼散射强度并获得具有较小尺寸和较小量的材料的拉曼光谱。在拉曼光谱仪中，其上安放有分析物的样本基材被连续覆盖金属膜且被激光照射，由此，拉曼散射光被稳定增强，并获得了具有较小尺寸和较小量的材料的拉曼光谱。WO2015009239披露了一种表面增强拉曼散射(SERS)活性装置，其包括至少一个附接至基材的SERS活性拓扑构图化纳米结构，其中在基材上布置的至少一个SERS活性纳米结构适于提供表面增强拉曼信号，信号强度依据以下条件可调：(i)至少一个SERS活性纳米结构的方位角，(ii)入射偏振光的偏振，或者(iii)入射偏振光的波长。也提供包含SERS活性装置的识别标签、用识别标签识别物体的方法、SERS活性装置的制造方法。KR20160021488披露了一种生化材料诊断平台，其包含：金属纳米板；附接在金属纳米板的表面上的生物受体；由生物受体捕获的生物标志物；用于捕获生物标志物的金属纳米粒子；和用于分析所捕获的生物标志物的光谱探测单元。具体说，在表面上沉积化学捕获部分(如AB)，随后分析物被这些捕获部分捕获，接着，贵金属粒子附至分析物。该平台能够通过夹持并固定生物标志物很灵敏地检测生化材料。因此它是具有化学识别能力/选择性的量化工具。识别通过捕获选择性来进行，而不是通过光谱学。US2008174775提出了与如下相关的组合物和分析方法，即使用复合基材确定样本中是否有分析物，该复合基材通过利用′金属/分析物/金属′形式的“热点”促成表面增强拉曼光谱法。为此提供包含呈纳米线刷形式的柱状体的很特殊的拓扑结构化金属面，分析物被沉积在其上。它们是包含′金属/分析物/金属′形式的“热点”的基材，以及提出了促成′金属/分析物/金属′形式的“热点”形成的基材以及制造所述基材的方法。HONGYUNGUO等人在“用于表面增强拉曼散射的定向夹层结构的高效构建”(纳米技术，第24卷，第4号，2013.01.08，第45608页)中披露了一种方法，在此，利用聚苯乙烯纳米球产生具有棱柱形银凸起的拓扑结构化表面，随后是银沉积和随后去除聚苯乙烯纳米球。在后续步骤中，化学结合部分被关联至具有其中一个化学结合功能的棱柱形银凸起，接着，银纳米球通过在对应的银纳米球分散体中浸渍该表面与其中另一结合化学功能相关联。WO2015/160923披露了一种很相似的方法，在此，纳米球的特点是在纳米球表面上有凸起。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供改进的借助表面增强拉曼光谱法的光谱分析方法。所提出的方法应该高度灵敏、高度特异性且同时可通用，并且例如应容许例如在食品饮料质检中、但也可在药品研究以及医学诊断中的快速、廉价且可靠的光谱学分析。鉴于此，申请人研发了一种新颖的SERS方法学，其在保留SERS通用性的同时提高了灵敏度。所谓的通用表面增强拉曼光谱法(U-SERS)是在本申请中描述的核心技术。机器学习算法可与U-SERS组合。这样一来，灵敏的、选择性的、通用的、快速的且买得起的并且能简单标定的工具可以被加入以执行复杂化学混合物的分析。确切说，本专利技术涉及一种利用表面增强拉曼光谱法(SERS)分析分析物的方法。所提出的方法至少包括以下步骤：a)提供SERS活性金属的基本平坦的或拓扑结构化的金属面；b)在所述平坦的或拓扑结构化的金属面上沉积所述分析物或开孔基材；c)分别在该分析物或开孔基材上沉积SERS活性金属的大量的纳米液滴；d)通过扫描激光辐射且利用SERS来光谱分析被夹在平坦的或拓扑结构化的表面与大量的纳米液滴之间的分析物。分析物的沉积可以作为分析物成分的结构来进行，例如通过与时间相关地以可变的成分加入该分析物。例如可以使用色谱分离装置的输出物作为分析物源并与时间相关地执行上述步骤a)-d)。为了这样做，可以在相应的基材上沉积一连串分析物液滴并对所述点进行分析，考虑所述点的沉积之间的时间演变。例如可以将所提出的分析装置与作为分析物源的液相色谱(LC)或高效液相色谱(HPLC)装置相结合。借助扫描激光辐射并利用SERS的光谱分析也可以依次或同时地与其它分析技术例如XRF或LIBS相结合，优选在同一装置和同一样本空间中：拉曼光谱法给出一个分子信号并且能被用来检测有机和无机杂质。金属杂质能利用元素分析技术例如x射线荧光光谱分析(XRF)、优选微区XRF或者激光诱导机击穿光谱法(LIBS)来检测。XRF尤其在检测高分子量杂质方面很有效，而LIBS在检测低分子量杂质方面很有效。在真空或受控惰性气体条件下运行元素分析模块(XRF或LIBS)消除了来自空气元素的背景信号，改善了信噪比。关于SERS活性金属的基本平坦的或拓扑结构化的金属面，以下：尽管平坦的金属底面因其可靠和易制作而是优选的，但人们也可以使用下述的拓扑结构化的金属面：化学糙化的SERS活性金属面；SERS活性金属涂覆的糙化表面(例如KOH蚀刻硅(硅金字塔体)本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用表面增强拉曼光谱法(SERS)分析分析物(3)的方法，包括以下步骤：/na)提供SERS活性金属的基本平坦的或者拓扑结构化的金属面(1)；/nb)在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上沉积该分析物(3)或开孔基材(5)；/nc)分别在所述分析物(3)或开孔基材(5)上沉积大量的SERS活性金属的纳米液滴(2)；/nd)通过扫描激光辐射并利用SERS来光谱分析被夹在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)与大量的纳米液滴(2)之间的所述分析物；/n其中，所述纳米液滴(2)的数均直径在5-70纳米范围内，并且其中，在相邻的纳米液滴(2)之间的数均间距小于它们的数均直径，/n并且其中，步骤c)通过物理气相沉积(PVD)或者通过溅射SERS-活性金属进行；/n条件是若在步骤b)中开孔基材(5)被沉积在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上，则所述分析物(3)在步骤d)之前被引入所述孔中。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170510 EP 17170361.41.一种利用表面增强拉曼光谱法(SERS)分析分析物(3)的方法，包括以下步骤：
a)提供SERS活性金属的基本平坦的或者拓扑结构化的金属面(1)；
b)在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上沉积该分析物(3)或开孔基材(5)；
c)分别在所述分析物(3)或开孔基材(5)上沉积大量的SERS活性金属的纳米液滴(2)；
d)通过扫描激光辐射并利用SERS来光谱分析被夹在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)与大量的纳米液滴(2)之间的所述分析物；
其中，所述纳米液滴(2)的数均直径在5-70纳米范围内，并且其中，在相邻的纳米液滴(2)之间的数均间距小于它们的数均直径，
并且其中，步骤c)通过物理气相沉积(PVD)或者通过溅射SERS-活性金属进行；
条件是若在步骤b)中开孔基材(5)被沉积在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)上，则所述分析物(3)在步骤d)之前被引入所述孔中。


2.根据权利要求1的方法，其中，所述平坦的或拓扑结构化的金属面(2)的、所述纳米液滴(2)的或者优选两者的SERS活性金属选自以下组，该组由贵金属优选是银、金、铂或者铜、钠、钾或铝或其混合物或者含这种金属的合金组成，其中，更优选地，该方法在一个分析装置中进行，其中在同一分析装置中发生根据步骤a)的SERS活性金属的平坦的或拓扑结构化的金属面(1)的实际产生、根据步骤b)的分析物沉积、根据步骤c)的纳米液滴沉积以及根据步骤d)的光谱分析。


3.根据前述权利要求之一的方法，其中，步骤b)包括将所述分析物(3)处理为在载体液体中的溶液、悬浮液或乳化液的步骤，以及去除所述载体液体的步骤，其中，所述去除优选通过蒸发、优选通过升高的温度和/或降低的压力，和/或通过过滤进行，其中，在后者情况下，所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)优选配设有多个孔(8)，所述孔允许载体液体和不想要的微粒透过同时保持分析物微粒在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(2)上。


4.根据前述权利要求之一的方法，其中，步骤c)通过物理气相沉积(PVD)或通过溅射SERS活性金属进行，可选地随后退火或同时进行伴随退火，其中，优选进行所述沉积过程直到层厚不大于50纳米、优选不大于30纳米、也优选不大于15纳米或9纳米。


5.根据前述权利要求之一的方法，其中，在步骤c)中产生大致半球形的纳米液滴(2)。


6.根据前述权利要求之一的方法，其中，所述纳米液滴(2)的数均直径在10-60纳米范围内，优选在15-50纳米范围内，和/或其中，在相邻的纳米液滴(2)之间的数均间距在1-30纳米范围内，优选在5-50纳米范围内。


7.根据前述权利要求之一的方法，其中，夹在平坦的或拓扑结构化的金属层(1)和纳米液滴(2)之间的分析物层和/或开孔基材(5)的厚度小于1微米，优选在1-900纳米范围内，或者在5-100纳米的范围内。


8.根据前述权利要求之一的方法，其中，所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)是在基材(10)上的厚度在5-500纳米范围内，优选在10-100纳米范围内的银和/或金层，其中，所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)的表面的粗糙度优选低于其厚度的50％、优选低于25％、最优选低于10％，或者所述粗糙度小于100纳米、优选小于50纳米、最优选小于20纳米。


9.根据前述权利要求之一的方法，其中，该分析物是以下当中的至少一个：无机分子或微粒，有机分子，包括小分子、DNA分子、蛋白质、肽、维他命、食品成分，细胞，包括细菌细胞、病毒、原生动物、人类细胞、血细胞、肿瘤细胞、循环肿瘤细胞，其中，在细胞情况下优选地在步骤d)的扫描过程中还确定形态学信息。


10.根据前述权利要求之一的方法，其中，在步骤d)中采用在600-900nm范围内、优选在700-800nm范围内、最优选在750-800nm范围内的辐照频率，并且其中，更优选扫描两维区域以便光谱检测
和/或其中，在步骤d)中扫描激光辐射和使用SERS通过扫描来进行，在所述扫描中使激光和/或夹在所述平坦的或拓扑结构化的金属面(1)和大量的纳米液滴(2)之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：朴衡圭，阿里·阿尔通，
申请(专利权)人：苏黎世联邦理工学院，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH