复合表面等离子体共振及表面增强拉曼的显微成像技术制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术技术要点：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。

Composite surface plasmon resonance and surface enhanced Raman microscopy

The invention discloses a surface plasmon resonance (Surface Plasmon Resonance, SPR) and surface enhanced Raman scattering (Surface enhanced Raman Scattering, SERS) composite micro imaging technology, relates to the field of surface enhanced Raman scattering and surface plasmon. Technical point of the invention: the assembly of SPR SERS integrated micro imaging system, using nano slit array grating double structure excitation and detection of SPR and SERS. Change the SPR system to determine excitation angle through the mobile measurement SPR peak, to determine the effective refraction surface caused by the surface of the chip biomolecular reaction rate change; SERS system by measuring the Raman spectroscopy to directly distinguish biological molecules. While the detection efficiency, high sensitivity SPR and Raman with the help of nano slit array grating dual structure: excitation wavelength grating structure by efficient excitation of SPR; SPR dipole and nano gap on the surface of metal in the process of communication, the surface electric field and nano slit dipole SPR produced with the interaction of local electric field enhanced surface Raman signal enhancement.

【技术实现步骤摘要】
复合表面等离子体共振及表面增强拉曼的显微成像技术
本专利技术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。
技术介绍
表面等离子共振（SurfacePlasmonResonance,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-enhancedRamanScattering,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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案如下：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同时激发与检测SPR和SERS。SPR-SERS综合显微成像系统如图1所示。在普通显微镜白光照明光路之外引入激光，以在SPR-SERS复合功能芯片上激发表面等离体共振，用于感应其上的生物样品；此激光能同时激发局域电场增强，激励生物样品产生表面增强拉曼散射；这两类信号经过显微物镜信号收集系统，光路分离进而各自进行成像显示及数据分析。采用大面积纳米狭缝阵列光栅结构作为SPR-SERS复合芯片，如图2所示，其一个周期内存在两个10纳米量级的纳米间隙以产生强局域场。激发光波经光栅结构高效激发SPR：对于显微照明系统，如图3，平行激光经显微物镜聚焦，汇聚于芯片上，到达芯片的入射光包括由零度到物镜所确定的孔径角，方位角为零度到360度的锥形内的所有光束；激光入射方向在孔径角与方位角的变化，提供了SPR检测所需要的变量扫描，即孔径角与方位角角度分布中出现代表SPR激发的暗带（见图3（b））。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。具体检测包括：照明白光（未画出）经分光棱镜3分光后由透镜4聚焦成像在接收屏5上，进行一般成像检查，包括样品对焦、区域选择及样品轮廓观察等。人眼1可通过透镜2聚焦在焦面上的像直接观察成像。在普通显微镜白光照明光路之外引入两种波长的激光15（例如从两个端口应用同样的光路系统，分别引入633纳米及785纳米激光），经一组透镜14与12成平行光，其中采用位相扩散器13去除光的空间相干性以消除激光成像像斑（SPR成像用），位相片11、偏振片10用以调制偏振状态。平行激光光束经分光棱镜7导入显微物镜8，聚焦在样品台9上的纳米狭缝阵列光栅SPR-SERS芯片区域。聚焦在SPR-SERS芯片区域上的光线经显微物镜8收集反射光束后再经过分光棱镜7导入下一分光棱镜6。平行光束经过滤波片16分别进入SPR成像系统和SERS检测系统：激发SPR的一路平行光束全部通过滤波片16由透镜17聚焦导入CCD相机（ChargeCoupledDevice,电荷耦合器件）相机18，由CCD相机接收SPR信号（傅里叶变换平面）电脑显示SPR像，通过测量代表SPR激发的两条暗带（如图3（b））表征激发角度的移动；拉曼散射光线由滤波片16全部反射而经过反射镜19改变光路的方向，再经过滤波片20后由透镜21聚焦在拉曼检测区域（包括光栅23、24和CCD相机25）26上的狭缝22，由拉曼检测区域26接收拉曼光谱的信号，分析分子的本征峰以直接分辨分子。综上所述，本专利技术的关键为：将表面等离子共振激发以及表面增强拉曼激发在同一芯片上实现，利用显微镜成像，实现表面等离子体与表面增强拉曼的同时检测。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。同时，金属表面SPR与纳米缝隙的耦合所导致的强局域场，可以用来测量拉曼光谱以直接分辨生物分子本身。SPR间接测量与拉曼信号的直接判定，为精确判定感应表面上的生物反应增加了确定性。综上，本专利技术提出的复合显微成像技术具有成本低、精度高、可实用性强的优点，可广泛应用于生物检测等领域。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为SPR-SERS双模芯片复合显微成像示意图。1为人眼，2、4、12、14、17、21为透镜，3、6、7为分光棱镜，5为接收屏，8为显微物镜，9为样品台，10为偏振片，11为位相片，13为位相扩散器，15为激光，16、20为滤波片，18、25为CCD相机，19为反射镜，22为狭缝，23、24为光栅，26为拉曼检测区域。图2（a）为原子力显微镜测量的复合芯片面型示意图。显示纳米缝隙阵列结构及纳米缝隙，图中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种复合表面等离子体（Surface Plasmon Resonance, SPR）无标记检测及表面增强拉曼散射（Surface‑enhanced Raman Scattering, SERS）的显微成像技术；其特征在于，在普通显微镜轮廓成像的基础上，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增强；其中SPR 与 SERS 的同时高效激发是通过一种大面积周期性纳米缝隙阵列结构实现的。

【技术特征摘要】
1.一种复合表面等离子体（SurfacePlasmonResonance,SPR）无标记检测及表面增强拉曼散射（Surface-enhancedRamanScattering,SERS）的显微成像技术；其特征在于，在普通显微镜轮廓成像的基础上，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增强；其中SPR与SERS的同时高效激发是通过一种大面积周期性纳米缝隙阵列结构实现的。2.根据权利要求1所述的显微成像技术，其特征在于显微照明系统将平行光经显微物镜聚焦，汇聚于芯片上，达到芯片的入射光包括由零度到物镜所确定的孔径角，而方位角为零度到360°的锥形内的所有光束。3.根据权利要求1所述实现表面等离子体共振的高效激发，其特征在于大面积周期...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文雪，时元振，庞霖，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51