[发明专利]一种增强分子拉曼散射的金属微纳结构

说明书

技术领域

本发明属于微纳技术领域，涉及一种金属微纳结构，特别涉及一种增强分子拉曼散射的金属微纳结构。 

背景技术

拉曼散射(RS)是光的一种散射现象，是当单色入射光的光子与待测分子相互作用，发生非弹性碰撞，光子与分子之间发生能量交换，光子改变运动方向和频率所发生的散射。拉曼光谱是由印度物理学家1930诺贝尔奖获得者C.V.Raman发明的，拉曼光谱(RS)被称为分子的指纹谱，可用于结构分析，具有明确的指向性。但由于其与红外光谱类似，是一种吸收光谱，因此强度弱。 

目前对拉曼散射增强效应的研究仅停留在初级阶段，产生作用的机理并不明确。经研究表明，拉曼散射强度∝1/λ⁴。采用同等激光功率，266nm激光激发的拉曼光谱信号强度是532nm激光激发拉曼光谱强度(斯托克斯和反斯托克斯)的2⁴＝16倍。因此可采用紫外光提高拉曼信号，但这种方法可能激发更多荧光。另外，采用调谐激发波长到分子吸收峰上时，可以获得百倍乃至到万倍的共振增强效应，一方面可以大幅提升系统检测极限，另一方面可以实现选择性激发(对感兴趣的分子激发效率超过实验体系中其他分子的2-4个数量级)。但增强效应有限。同时，紫外共振拉曼系统对于拉曼光谱收集系统，光谱仪的光通量优化和光谱CCD或ICCD的优化都有很高的要求，紫外波段的激光器，光学系统的光谱CCD，ICCD乃至紫外优化的显微镜都昂贵，限制了这种方法的广泛应用。 

发明内容

本发明要解决的问题是：克服现有技术拉曼散射增强因子低、设备昂贵的缺点，提供一种高增强因子的金属微纳结构，使待测分子拉曼散射得到最大增强的方法。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种增强分子拉曼散射的金属微纳结构，制作方法步骤如下： 

(1)根据探测分子，选用电磁场计算方法，估算计算机内存容量限制； 

(2)根据步骤(1)中得到的计算机内存容量限制，确定网格划分、周围介质环境折射率、激发光波长，然后初步确定金属微纳结构的参数，所述金属微纳结构的参数包括材料、特征尺寸、周期、排布； 

(3)利用步骤(2)中的条件，计算金属微纳结构的消光特性Qext和金属微纳结构的吸收特性Qabs，通过消光特性Qext与吸收特性Qabs的差值，得到金属微纳结构的散射特性Qsca； 

(4)利用步骤(3)中得到的金属微纳结构的散射特性Qsca，计算模拟金属微纳结构的等离子体共振频率λ_LSPR，并将结构等离子体共振频率λ_LSPR与系统激发光频率λex比较，如果两者相等则转入下一步骤(5)，如果两者不相等，则返回步骤(2)，重新修改金属微纳结构的参数和周围介质环境条件； 

(5)计算出金属微纳结构的平均电场增强因子E(w)和待测分子在特征峰w’处的电场增强因子E(w’)，进而得到金属微纳结构拉曼增强因子F(w)＝E(w)E(w’)； 

(6)利用步骤(4)得出的金属微纳结构参数，采用纳米球自组装、或干涉光刻、或压印、或双光子激光直写的方法制备出微纳结构； 

(7)将步骤(6)中得到的微纳结构通过磁控溅射、或蒸镀、或化学镀的方法实现微纳结构金属化，最终得到金属微纳结构。 

所述步骤(1)中的分子为气体分子、或固体分子、或液体分子。 

所述步骤(1)中的电磁计算模拟方法通过离散偶极子近似(DDA)、或时域有限差分(FDTD)、或有限元法、或转移矩阵法、或严格耦合模分析手段，对金属纳米粒子阵列的物理特性进行分析和计算纳米结构阵列电磁场分布的情况。 

所述步骤(1)中的周围介质环境条件为周围环境条件材料、或光场分布、或磁场分布。 

本发明与现有技术相比所具有的优点是：本发明克服现有技术拉曼散射增强因子低、设备昂贵的缺点，提供一种高增强因子的金属微纳结构，它基于拉曼电磁共振增强原理：如果分子处于发生局部表面等离子共振增强电磁场中时，其拉曼散射信号将被大大放大，使待测分子拉曼散射得到最大增强的方法，且简单实用，解决了实现低浓度探测的关键技术问题，该方法对发展拉曼光谱探测有着重要的意义，可广泛地应用于气体痕量探测、或高灵敏度固体、溶液探测等领域。 

附图说明

图1是本发明增强分子拉曼散射的金属微实现流程图；