一种异位表面增强拉曼散射基底结构及其近场检测方法技术

本发明专利技术公开了一种异位表面增强拉曼散射基底结构及其近场检测方法，拉曼散射基底结构包括基片以及通过自组装方法组装于基片上的二维纳米片；二维纳米片为采用具有表面等离激元特性的金属材料制备而成的、至少包含一对平行端面的多边形结构，二维纳米片的厚度在纳米量级，而边长在微米量级。当二维纳米片的一端面被激励光源激励时，会形成沿着纳米片的表面传输的表面等离激元信号，最终在与其平行的另一端面输出，出射的信号与分析物分子发生相互作用，会在异与激励光源位置处形成拉曼信号，从而使分析物分子避免了因高密度光强激励光源的照射而发生分解，同时拉曼信号的异位采集也避免了激励光源的干扰。也避免了激励光源的干扰。也避免了激励光源的干扰。

【技术实现步骤摘要】
一种异位表面增强拉曼散射基底结构及其近场检测方法


[0001]本专利技术涉及食品安全和环境污染检测领域，具体的说是一种异位表面增强拉曼散射基底结构及其近场检测方法。

技术介绍

[0002]拉曼散射作为一种非弹性散射效应，是指入射到物质上的光束发生散射时，散射光子的能量发生变化的现象。因拉曼光谱的特征峰反映了物质分子的振动特性，就像物质分子的“指纹信息”一样，故而该技术可准确的鉴别物质的组成成分，在化学、生物、食品等分子检测方面具有广阔的应用前景。但光子在散射过程中，只有很少数量的光子发生了拉曼散射，其信号仅为入射激光强度的10
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。同时拉曼散射信号的产生通常伴随着荧光信号，而荧光作为共振吸收的发射过程，其散射截面比拉曼散射截面大十几个数量级，使得荧光强度远大于拉曼散射信号。鉴于上述原因拉曼散射信号非常微弱，难以探测。直到1977年，Van Duyne等人实验分析这种粗糙银电极作为基底时比溶液中的拉曼信号强度增强了106倍，他们称这一全新的拉曼信号增强现象为表面增强拉曼散射。
[0003]近年来，科学家重点研究基于金属纳米颗粒的表面增强拉曼散射基底，借助其局域场共振增强效应，可实现颗粒表面局域电磁场的极大增强，使其在拉曼光谱检测方面具有重要的应用价值。但由于激励光源的激励位置和拉曼信号的接收位置相同，实验上出现了限制拉曼信号极限灵敏度进一步提高的众多技术瓶颈：（1）在同一位置激励和接收拉曼信号，分析物分子会因高密度光强激励光源的照射而发生分解，同时还会伴随背景较强的荧光信号，不利于拉曼光谱的后处理；（2）金属纳米颗粒均存在拉曼信号在多个角度的随机散射行为，接收到的拉曼信号受到散射噪声的干扰，会引起检测灵敏度的显著下降；（3）由于拉曼信号离开金属纳米颗粒表面会出现指数级的衰减，而常规光学镜头只能接收到衰减了的拉曼信号，限制了极限灵敏度的提高。
[0004]为了解决上述问题，徐红星等人提出以金纳米线作为载体，由于纳米线传输的表面等离激元信号比较弱，他在金纳米线的附件放置一金纳米颗粒，从而在间隙处形成耦合“热点”，得到了拉曼信号。但无法精确控制纳米线与颗粒的间隙，这种结构的重复性比较差。另外，纳米线作为光学载体，虽然实现了激励光源位置和拉曼信号接收位置的不同，但纳米线的表面积太小，限制了可吸附分析物分子的数量，导致拉曼信号灵敏度较低。刘建胜等人提出一种基于传导表面等离激元的拉曼散射基底及其应用方法（专利号：CN103592282A），采用以聚合物包层和金属芯层的光波导结构实现了入射光与拉曼信号的分离，但是这种结构不仅复杂，制备时必须借助光刻技术的物理法才能实现，测试过程中入射光的对准也需要专门的设备，而且研制周期长，成本较高；更为重要的是这种结构只能用于液体样本的测试，限制了其应用场景。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了克服已有表面增强拉曼散射基底中分析物分子易光解、拉曼信号易受
散射的干扰、拉曼信号强度随距离呈指数衰减的不足之处，提出了一种异位表面增强拉曼散射基底结构及其近场检测方法。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术采用的具体方案为：一种异位表面增强拉曼散射基底结构，包括基片以及通过自组装方法组装于基片上的二维纳米片；二维纳米片为采用具有表面等离激元特性的金属材料制备而成的、至少包含一对平行端面的多边形结构，二维纳米片的厚度在纳米量级，而边长在微米量级。
[0007]作为优选方案，二维纳米片的厚度为70~150nm，边长为5~15μm。
[0008]作为优选方案，所述二维纳米片的材质为金、银、铂或铜。
[0009]作为优选方案，二维纳米片的一个端面在激励光源的激励下会形成表面等离激元信号，表面等离激元信号沿着纳米片的表面传输并在与该端面平行的另一端面输出。
[0010]作为优选方案，所述二维纳米片的形状为四边形，六边形或八边形。
[0011]作为优选方案，所述基片的材质为硅片或玻璃。
[0012]一种异位表面增强拉曼散射近场检测方法，主要包括如下步骤：（1）、配制分析物分子溶液，将拉曼散射基底结构浸入分析物分子溶液中，使拉曼散射基底结构表面吸附大量分析物分子，随后对吸附有大量分析物分子的拉曼散射基底结构进行烘干处理；（2）、选择二维纳米片一对平行端面的其中一端面，利用激励光源聚焦照射该端面，形成表面等离激元信号，表面等离激元信号沿着二维纳米片表面传输并自另一端面输出，分析物分子与表面等离激元信号相互作用，会在异于激励光源位置处形成拉曼信号；（3）、利用近场探针扫描采集拉曼信号，将采集的拉曼信号传输至拉曼光谱仪进行检测。
[0013]作为优选方案，近场探针对拉曼信号的采集方式为扫描式。
[0014]作为优选方案，分析物分子为有机染料、环境污染物或危害食品健康物质的分子。
[0015]本专利技术中的拉曼散射基底结构包括基片和通过自组装方法组装于基片上的二维纳米片，其中二维纳米片的厚度在纳米量级，而边长为微米量级。当二维纳米片的一端面被激励光源激励时，会形成沿着纳米片的表面传输的表面等离激元信号，最终在与其平行的另一端面输出，表面等离激元信号与分析物分子发生相互作用，会在异与激励光源位置处形成拉曼信号，从而被近场探针扫描接收。这种基片的工作原理是基于传输型的表面等离激元信号与分析物分子相互作用，而传统的金属纳米颗粒表面增强拉曼散射基底的激励光源位置和拉曼信号接收位置相同，它们的工作机理不同，二者之间有着本质的区别。与纳米线表面增强拉曼散射基底相比也有着极大的进步，由于纳米线传输的表面等离激元信号比较弱，需要借助纳米线与其附近颗粒之间的耦合特性，但它们之间的间隙无法精确控制，导致纳米线表面增强拉曼散射基底的重复性比较差，难以推广应用。而二维纳米片结构具有更大的表面积，不仅能够吸附更多的分析物分子，而且形成的表面等离激元信号较强，还可获得更大面积的出射光斑，采用纳米探针在近场区域对散射的拉曼信号进行扫描接收，避免了拉曼信号因远离纳米结构表面快速衰减而造成耗散，从而获得更强更多的拉曼信号，最终实现拉曼信号极限灵敏度的提升。因此基于异位表面增强拉曼散射基底的结构具有十分显著的优势。
[0016]有益效果：1.本专利技术所述的拉曼散射基底结构包括基片和通过自组装方法组装于基片上的二维纳米片，其中二维纳米片的厚度在纳米量级，而边长为微米量级，当二维纳米片的一端面被激励光源激励时，会形成沿着纳米片的表面传输的表面等离激元信号，最终在与其平行的另一端面输出，出射的信号与分析物分子发生相互作用，会在异与激励光源位置处形成拉曼信号，从而使分析物分子避免了因高密度光强激励光源的照射而发生分解，同时拉曼信号的异位采集也避免了激励光源的干扰。
[0017]2. 本专利技术所述的近场检测方法通过使用近场探针直接采集拉曼信号，可在拉曼信号快速衰减之前收集到这些光学信息，由于探针的尖端尺寸非常小，小于出射端的截面积，故而本专利技术选用扫描的方式快速将整个出射截面的拉曼信号完全收集，最终实现高灵敏度拉曼信号的探测。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异位表面增强拉曼散射基底结构，其特征在于，包括基片以及通过自组装方法组装于基片上的二维纳米片；二维纳米片为采用具有表面等离激元特性的金属材料制备而成的、至少包含一对平行端面的多边形结构，二维纳米片的厚度在纳米量级，而边长在微米量级。2.根据权利要求1所述的一种异位表面增强拉曼散射基底结构，其特征在于，二维纳米片的厚度为70~150nm，边长为5~15μm。3.根据权利要求1所述的一种异位表面增强拉曼散射基底结构，其特征在于，所述二维纳米片的材质为金、银、铂或铜。4.根据权利要求1所述的一种异位表面增强拉曼散射基底结构，其特征在于，二维纳米片的一个端面在激励光源的激励下会形成表面等离激元信号，表面等离激元信号沿着纳米片的表面传输并在与该端面平行的另一端面输出。5.根据权利要求1所述的一种异位表面增强拉曼散射基底结构，其特征在于，所述二维纳米片的形状为四边形，六边形或八边形。6.根据权利要求1所述的一种异位表面增强拉曼散射基底结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：单锋，孙姚姚，孙辉，刘嘉，唐春娟，刘利娜，王玉君，
申请(专利权)人：洛阳理工学院，
类型：发明
国别省市：