[发明专利]复合表面等离子体共振及表面增强拉曼的显微成像技术

说明书

本发明公开了一种表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)及表面增强拉曼（Surface‑enhanced Raman Scattering,SERS）的复合显微成像技术，涉及表面等离子体基元及表面增强拉曼领域。本发明技术要点：组装SPR‑SERS综合显微成像系统，利用纳米狭缝阵列光栅双模结构激发与检测SPR和SERS。SPR系统通过测量SPR峰位的移动判定激发角度的变化，以确定芯片表面生物分子反应所引起的表面有效折射率的改变；SERS系统通过测量拉曼光谱以直接分辨生物分子本身。而SPR与拉曼的高效、高灵敏度检测借助于纳米狭缝阵列光栅双模结构：激发光波经光栅结构高效激发SPR；SPR在金属表面传播过程中与纳米间隙产生偶极振荡，SPR产生的表面电场与纳米狭缝偶极共同作用增强表面局域电场获得增强的拉曼信号。

技术领域

本发明涉及表面等离子体基元及表面增强拉曼领域，大面积周期性纳米缝隙阵列结构激发等离子体共振和表面增强拉曼，以及一种复合表面等离子体共振及表面增强拉曼的显微成像技术。

背景技术

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）是光子入射到贵金属表面从而导致金属中的电子随着电场发生振荡的一种量子光电现象。SPR技术通过测量金属界面上发生生物物质相互作用后，表面有效折射率的变化所导致的激发耦合条件的变化来检测生物分子，是一种间接测量；而拉曼信号检测则是一种完全的直接测量。拉曼散射是待测样品对入射光的非弹性散射，其实质是当光子与分子发生非弹性碰撞时，光子将能量传递给待测分子后，分子能态发生跃迁及辐射，揭示分子的振动或转动能级的光谱技术。拉曼光谱提供了待测材料中分子固有的振动和旋转模式，直接反应待测样品的分子结构。然而拉曼散射是一种弱散射过程，其探测受限于背景噪声和荧光背景。拉曼散射截面约为10^-30cm2，而荧光过程的散射截面约为10^-15cm2；相对于拉曼散射，荧光信号远远高于拉曼散射，这也是目前荧光技术更为普遍应用的原因。拉曼信号电磁场增强是一种通过局域电场（如粗糙的金属表面能够产生增强的局域电场）所引发的拉曼增强效应；这种所谓的表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman Scattering, SERS）所产生的信号与分子所处光电场强度的四次方成正比。显然，拉曼信号的增强依赖于局域电场的增强，而局域电场集中在纳米共振结构附近，因此SERS适用于表面附着分子或者细胞表面的蛋白分子的直接分辨及检测。

鉴于SPR技术对生物分子的间接检测与拉曼光谱对分子的直接分辨，近年来不断有科研工作者探讨SPR拉曼增强，或将结合两种模式的双模式结构。现已有研究将银纳米粒嵌入光栅结构用以激发表面等离子体，增强纳米颗粒间的局域场从而进行表面增强拉曼检测。然而，该方法所使用的银颗粒层是随机形成的，无法精确控制纳米粒子位置及间隙形成方式，因此检测结果的可重复性低，以致无法进行实用化应用。另外，有研究制作了周期性金纳米蝴蝶结结构来形成SPR与SERS基底；周期性结构激发表面等离子体，而蝴蝶结结构激发偶极共振，形成强局域电场增强拉曼信号。然而纳米结构蝴蝶结制作工艺繁琐，需要用电子束光刻或离子束刻蚀的方法制作，昂贵的制作成本根本无法实用化推广。虽然采用纳米压印方法可以降低其制作成本，但其纳米结构在转移过程中，精度无法保证。有研究采用111晶向在硅基底上进行湿法刻蚀得到周期性的三角结构，利用金属周期性结构激发表面等离子体局域电场增强拉曼。此方法能达到80%拉曼信号检测重复率，基本达到实用化要求。但其增强方式仅通过表面等离子共振增强拉曼信号，缺少纳米结构增强局域场强，导致增强率不高，无法进行高精度的生物检测。

以上这些方法都能一定程度上实现表面等离子体增强拉曼检测或表面等离子体与表面拉曼增强的同时检测，但目前存在制作成本高、精度低、可实用性差等缺点；另外，SPR-SERS系统协同进行显微成像还未见报道。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种高精度、可实用化的复合表面等离子体共振及表面增强拉曼的显微成像技术，于同一芯片实现表面等离子体共振的高效激发和表面局域场的超增强。