具有拋物面反射器和sers元件的用于執(zhí)行光譜法的裝置制造方法
【專利摘要】根據(jù)示例，一種用于執(zhí)行光譜法的裝置包括拋物面反射器和與拋物面反射器間隔開并且大體上定位在拋物面反射器的焦點(diǎn)處的多個(gè)表面增強(qiáng)拉曼光譜法（SERS）元件。拋物面反射器反射從多個(gè)SERS元件生成的近場中的分子發(fā)射的拉曼散射光以大幅增加從所述裝置發(fā)射出的拉曼散射光的通量。
【專利說明】具有拋物面反射器和SERS元件的用于執(zhí)行光譜法的裝置

【背景技術(shù)】
[0001]在表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)中，探查(probe)分析物(analyte)的可振動(dòng)激發(fā)水平。光子能量以與被光子激發(fā)的振動(dòng)水平的量相等的量漂移(拉曼散射)?？梢詸z測(cè)包括對(duì)應(yīng)于對(duì)被探查的分析物特定的分子振動(dòng)的帶的波長分布的拉曼光譜以識(shí)別分析物。在SERS中，分析物分子緊密接近于可能或可能未涂敷有一旦被光激發(fā)就建立等離子體模式的電介質(zhì)(諸如二氧化硅、氮化硅和聚合物)的金屬納米顆粒(例如小于數(shù)十納米)，所述等離子體模式產(chǎn)生金屬納米顆粒周圍的近場。這些場可以耦合到近場區(qū)中的分析物分子。結(jié)果，入射光的聚集發(fā)生在納米顆粒的緊密鄰近區(qū)處，這增強(qiáng)了來自分析物分子的拉曼散射。
[0002]SERS最近已經(jīng)被執(zhí)行以通過金屬納米顆粒的皮下植入來體內(nèi)探查樣本(specimen)中的流體。然而，由于激發(fā)金屬納米顆粒的光直接從樣本表面(諸如樣本的皮膚)反射，并且拉曼散射光通過從樣本的表面生成的拉曼光而降級(jí)，因此難以獲得精確結(jié)果?？朔@些問題中的一些的一種技術(shù)是根據(jù)離泵浦射束(pump beam)的空間偏移距離來檢測(cè)增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。該“偏移”技術(shù)使得能夠?qū)崿F(xiàn)拉曼信號(hào)從來自表面(例如皮膚)的經(jīng)散射的激發(fā)光的去卷積，但是其耗時(shí)并且實(shí)現(xiàn)起來復(fù)雜。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003]本公開的特征通過示例的方式在以下一個(gè)或多個(gè)圖中圖示而非受限，其中相同的附圖標(biāo)記指示相同元件，其中:
圖1示出根據(jù)本公開的示例的用于執(zhí)行光譜法(spectroscopy)的裝置的透視圖；
圖2示出根據(jù)本公開的示例的圖1中描繪的用于執(zhí)行光譜法的裝置的側(cè)視圖；
圖3A和3B分別示出根據(jù)本公開的示例的圖2中描繪的裝置的橫截面?zhèn)纫晥D；
圖4A示出根據(jù)本公開的示例的可以實(shí)現(xiàn)在圖1-3B中描繪的裝置中的SERS元件(在該實(shí)例中為納米指(finger))的陣列的等距視圖；
圖4B和4C分別示出根據(jù)本公開的示例的在納米指的折疊(collapse)之前和之后圖4A中所示的沿線A-A的橫截面視圖；以及
圖5示出根據(jù)本公開的示例的用于制作用于執(zhí)行光譜法的裝置的方法的流程圖。

【具體實(shí)施方式】
[0004]出于簡化和說明性目的，通過主要參考其示例來描述本公開。在以下描述中，闡述大量特定細(xì)節(jié)以便提供本公開的透徹理解。然而，將容易顯而易見的是，可以在沒有對(duì)這些特定細(xì)節(jié)的限制的情況下實(shí)踐本公開。在其它實(shí)例中，尚未詳細(xì)描述一些方法和結(jié)構(gòu)以免不必要地使本公開晦澀難懂。
[0005]貫穿本公開，術(shù)語“一”和“一個(gè)”旨在指代至少一個(gè)特定元件。如本文所使用的，術(shù)語“包括”意味著包括但不限于，術(shù)語“包含”意味著包含但不限于。術(shù)語“基于”意味著至少部分地基于。此外，術(shù)語“光”是指具有在電磁光譜的可見和不可見部分中的波長的電磁輻射，包括電磁光譜的紅外、近紅外和紫外部分。
[0006]本文所公開的是用于執(zhí)行光譜法的裝置和用于制作所述裝置的方法。本文所公開的裝置包括拋物面反射器和與拋物面反射器間隔開并且大體上定位在拋物面反射器的焦點(diǎn)處的多個(gè)表面增強(qiáng)拉曼光譜法(SERS)元件。拋物面反射器大幅增加被引導(dǎo)到檢測(cè)器的從SERS元件周圍的分子發(fā)射的拉曼信號(hào)或散射光的通量。此外，拋物面反射器關(guān)于其中激發(fā)光被施加到SERS元件上的方向傾斜以大體上防止鏡面反射或者低角度散射的激發(fā)光到達(dá)檢測(cè)器并與拉曼信號(hào)競爭。
[0007]本文公開的裝置可以包括離軸(off-axis)拋物面反射器，其中SERS元件大體上定位在離軸拋物面反射器的焦點(diǎn)處。在一方面，離軸拋物面反射器使得激發(fā)光能夠從使檢測(cè)器對(duì)激發(fā)光的收集最小化的方向被引入到SERS元件上，使得激發(fā)光大體上不干擾從SERS元件的近場中的分子發(fā)射的拉曼信號(hào)。此外，或者可替換地，本文公開的裝置可以包括定位成使從SERS元件的近場中的分子發(fā)射的拉曼信號(hào)反射朝向拋物面反射器的背反射器(back reflector),以從而進(jìn)一步增加引導(dǎo)到檢測(cè)器的拉曼信號(hào)的通量。根據(jù)示例，背反射器被合并到SERS元件中。此外，在其中激發(fā)區(qū)相比于拋物面反射器的焦距而言較小的實(shí)例中，則背反射器可以大幅小于拋物面反射器并且可以是平坦的。例如，背反射器可以被合并到平坦SERS元件的襯底中。
[0008]本文公開的裝置可以被制作或集成有植入到諸如人類、動(dòng)物、昆蟲、植物、非生物物品等之類的樣本中的殼體。根據(jù)示例，殼體形成諸如可外科手術(shù)植入的支架(stent)之類的可植入設(shè)備的部分。在一方面，本文公開的裝置可以實(shí)現(xiàn)以在體內(nèi)拉曼光譜法操作中生成相對(duì)高強(qiáng)度/通量(或信號(hào)強(qiáng)度)且可精確檢測(cè)的拉曼信號(hào)。換言之，相比于采用常規(guī)空間偏移技術(shù)來檢測(cè)拉曼信號(hào)的常規(guī)體內(nèi)拉曼光譜法技術(shù)，本文公開的裝置使得具有較高強(qiáng)度/通量的拉曼信號(hào)能夠被檢測(cè)到。
[0009]首先參考圖1，示出根據(jù)示例的用于執(zhí)行光譜法的裝置100的透視圖。應(yīng)當(dāng)理解到，圖1中描繪的裝置100可以包括附加組件并且本文描述的組件中的一些可以被移除和/或修改而不脫離于裝置100的范圍。還應(yīng)當(dāng)理解到，圖1中描繪的組件未按比例繪制，并且因此組件可以具有關(guān)于彼此的與其中所示的不同的相對(duì)大小。
[0010]裝置100可以實(shí)現(xiàn)成執(zhí)行光譜法(其在本文中還等同地被稱為表面增強(qiáng)拉曼光譜法(SERS))以利用相對(duì)高水平的靈敏度檢測(cè)分析物樣品中的分子。作為特定示例，裝置100要被實(shí)現(xiàn)成跟隨在裝置100植入到諸如人類、動(dòng)物、昆蟲、植物、非生物物品等之類的樣本中或在其中表面散射使信號(hào)降級(jí)的任何氣體或液體或液晶環(huán)境中之后執(zhí)行光譜法。這樣的環(huán)境的示例包括例如化學(xué)/食物處理機(jī)構(gòu)，其中對(duì)信號(hào)的表面和任何間質(zhì)貢獻(xiàn)是不合期望的并且需要被最小化。裝置100可以因此被實(shí)現(xiàn)成分析諸如血液、淋巴液、唾液、間質(zhì)液、氣體攜帶的分析物、氣流等之類的樣本中的流體中的分子。裝置100可以可替換地實(shí)現(xiàn)在不涉及裝置100的植入的光譜法應(yīng)用中。
[0011]如所示，裝置100包括拋物面反射器102和SERS元件104 (在圖1中描繪了 SERS元件104定位在其上的單個(gè)襯底)。拋物面反射器102 —般包括具有拋物面形反射表面的反射設(shè)備，其中將由拋物面反射器102的焦點(diǎn)106中的點(diǎn)源生成的球面波被變換成作為準(zhǔn)直射束沿軸傳播的平面波。SERS元件104被描繪為大體上定位在拋物面反射器102的焦點(diǎn)106處或附近，所述SERS元件104包括在襯底上以各種排序或隨機(jī)配置布置的諸如等離子體納米顆?；蚱渌鰪?qiáng)結(jié)構(gòu)之類的拉曼增強(qiáng)元件。SERS元件104可以進(jìn)行增強(qiáng)拉曼散射和促進(jìn)分析物吸附中的一個(gè)或二者。SERS元件104—般增強(qiáng)感測(cè)操作，諸如，表面增強(qiáng)拉曼光譜法(SERS)、增強(qiáng)的光致發(fā)光等，以在位于SERS元件104上或附近的分子上被執(zhí)行。
[0012]在一些示例中，SERS元件104可以被功能化成促進(jìn)分析物分子的吸附。例如，SERS元件104的表面可以被功能化成使得特定種類的分析物被吸引并且可以被結(jié)合或優(yōu)選地吸附到SERS元件104上。
[0013]根據(jù)示例，當(dāng)照射源110向SERS元件104上發(fā)射諸如激光射束、LED射束等之類的激發(fā)光112 (或等同地，泵浦光)時(shí)，SERS元件104在SERS元件104周圍產(chǎn)生近場。盡管激發(fā)光112已經(jīng)被描繪為直接從照射源110向SERS元件104上發(fā)射，但是應(yīng)當(dāng)理解到，各種光學(xué)組件(例如鏡子、棱鏡、透鏡等)可以定位成將激發(fā)光112引導(dǎo)到SERS元件。在任何方面，SERS元件104附近的近場耦合到SERS元件104的鄰近區(qū)中的分析物分子(未示出)。SERS元件104的金屬納米顆粒(或其它等離子體結(jié)構(gòu))也起作用來增強(qiáng)分析物分子的拉曼發(fā)射過程。結(jié)果，拉曼散射光從分析物分子發(fā)射并且拉曼散射光的發(fā)射通過SERS元件104增強(qiáng)。朝向拋物面反射器102發(fā)射可以在所有方向上從SERS元件104附近的分析物分子發(fā)射的拉曼散射光114的一部分。拉曼散射光114從拋物面反射器102的反射表面反射成準(zhǔn)直或近準(zhǔn)直射束，如圖1中所描繪的那樣。例如，拋物面反射器102可以將拉曼散射光114聚焦到諸如孔徑(aperture)、透鏡等之類的光學(xué)設(shè)備上以將拉曼散射光114引導(dǎo)朝向檢測(cè)器 120。
[0014]如同樣在圖1中描繪的，檢測(cè)器120定位成收集從拋物面反射器102的反射表面反射的拉曼散射光114 (以及在各種實(shí)例中，直接從分子發(fā)射的拉曼散射光114)?？商鎿Q地，各種光學(xué)組件(例如鏡子、棱鏡等)可以定位成將拉曼散射光114引導(dǎo)到檢測(cè)器120，其可以包括分光計(jì)、光電探測(cè)器等。在任何方面，檢測(cè)器120生成對(duì)應(yīng)于在檢測(cè)到的拉曼散射光114中包含的光的波長的電信號(hào)，其可以被處理以確定源自SERS元件104附近的分析物分子的拉曼散射光114的拉曼光譜。
[0015]根據(jù)示例，激發(fā)光112被發(fā)射通過其下植入裝置100的例如皮膚層、身體組織、血管壁、蓋等的表面層(未示出)。在另一示例中，激發(fā)光112被發(fā)射通過裝置100已經(jīng)定位在其中的氣體或液體環(huán)境。此外，拉曼散射光114被發(fā)射通過所述表面層和/或所述氣體或液體環(huán)境。根據(jù)示例，在其處發(fā)射拉曼散射光114的表面層和/或氣體或液體環(huán)境上的位置關(guān)于在其處發(fā)射激發(fā)光112的表面層上和/或氣體或液體環(huán)境中的位置偏移。在一方面，因而，可以大體上最小化在檢測(cè)器120檢測(cè)到的光中從表面層和/或氣體或液體環(huán)境散射的激發(fā)光112的貢獻(xiàn)。換言之，拋物面反射器102關(guān)于其中向SERS元件104上施加激發(fā)光112的方向傾斜，例如以最小化散射到引導(dǎo)到檢測(cè)器120中的拉曼散射光114中的激發(fā)光112 (其可以包括來自表面和/或間質(zhì)氣體或液體環(huán)境的偽拉曼信號(hào))的表面貢獻(xiàn)。
[0016]裝置100具有使裝置100適合于實(shí)現(xiàn)到樣本中的大小、配置并且由使裝置100適合于實(shí)現(xiàn)到樣本中的材料制成。根據(jù)示例，并且如以下更加詳細(xì)地討論的，裝置100包括可外科手術(shù)植入的支架。拋物面反射器102可以包括已經(jīng)被納米壓印、模制和/或印模以形成拋物面反射器102的形狀的聚合物材料。此外，聚合物材料的表面涂敷有諸如金、銀等之類的金屬、電介質(zhì)材料的保護(hù)涂層、布拉格層等的至少一個(gè)以成為反射性的。而且，拋物面反射器102可以具有從大約小于一毫米到大約幾厘米的范圍的尺寸。此外，SERS元件104可以定位在大約100微米寬或更大的范圍中的襯底上。
[0017]SERS元件104包括諸如等離子體納米顆?；蚣{米結(jié)構(gòu)之類的拉曼增強(qiáng)元件，其可以包括等離子體支持材料，諸如但不限于金(Au)、銀(Ag)和銅(Cu)。拉曼增強(qiáng)元件可以具有納米尺度表面粗糙度，其一般由一個(gè)或多個(gè)層的表面上的納米尺度表面特征表征并且可以在一個(gè)或多個(gè)等離子體支持材料層的沉積期間自發(fā)產(chǎn)生。通過本文中的定義，等離子體支持材料是在拉曼光譜法期間促進(jìn)拉曼散射和來自材料上或附近的分析物的拉曼信號(hào)的產(chǎn)生或發(fā)射的材料。此外，SERS元件104的拉曼增強(qiáng)元件(例如等離子體納米結(jié)構(gòu))可以通過例如金屬材料的物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、派射等或預(yù)合成的納米顆粒的自組裝沉積到例如由聚合物材料、金屬材料、半導(dǎo)體材料等形成的襯底上。
[0018]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，示出根據(jù)另一示例的裝置100的側(cè)視圖。應(yīng)當(dāng)理解，圖2中描繪的裝置100可以包括附加組件并且本文描述的組件中的一些可以被移除和/或修改而不脫離于裝置100的范圍。還應(yīng)當(dāng)理解到，圖1中描繪的組件未按比例繪制，并且因此組件可以具有關(guān)于彼此的與其中所示的不同的相對(duì)大小。
[0019]如圖2中所示，裝置100包括拋物面反射器102和SERS元件104。此外，裝置100被描繪為包括離軸拋物面反射器202和背反射器204，其可以包括球面反射器、拋物面反射器、平坦反射器等。應(yīng)當(dāng)理解到，在不脫離于本文公開的裝置100的范圍的情況下背反射器204可以從裝置100移除。
[0020]離軸拋物面反射器202將激發(fā)光112聚焦到SERS元件104上，如圖2中所示。因此，離軸拋物面反射器202被定位和配置成使得SERS元件104位于離軸拋物面反射器202的焦點(diǎn)處或附近。此外，離軸拋物面反射器202被定位和配置成從引導(dǎo)朝向檢測(cè)器120(未示出)中使從其中散射的激發(fā)光112在表面處和/或由間質(zhì)氣體或液體環(huán)境生成的偽信號(hào)最小化。
[0021]如圖2中所示，離軸拋物面反射器202附接到拋物面反射器102并且與其整體形成。在該方面，離軸拋物面反射器202可以形成到與拋物面反射器102相同的聚合物塊中?？商鎿Q地，離軸拋物面反射器202可以與拋物面反射器102分離地形成。在該示例中，離軸拋物面反射器202可以與拋物面反射器202分離和間隔開。在任何方面，離軸拋物面反射器202可以由與以上討論的拋物面反射器102類似的材料、類似的尺寸和通過類似的過程形成。
[0022]背反射器204被定位和配置成反射從SERS元件104附近的分子發(fā)射的拉曼散射光114以被引導(dǎo)到拋物面反射器102。在這方面，背反射器204—般起作用以通過將更多光引導(dǎo)朝向拋物面反射器102來增加引導(dǎo)到檢測(cè)器120的拉曼散射光114的強(qiáng)度或通量。背反射器204也可以由與以上討論的拋物面反射器102類似的材料、類似的尺寸和通過類似的過程形成。
[0023]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3A和3B，分別示出根據(jù)兩個(gè)示例的裝置100的橫截面?zhèn)纫晥D，其中裝置100被形成為集成組件。應(yīng)當(dāng)理解，圖3A和3B中描繪的裝置100可以包括附加組件并且本文描述的組件中的一些可以被移除和/或修改而不脫離于裝置100的范圍。例如，離軸拋物面反射器202和背反射器204中的任一個(gè)或二者可以被移除。還應(yīng)當(dāng)理解到，圖3A和3B中描繪的組件未按比例繪制，并且因此組件可以具有關(guān)于彼此的與其中所示的不同的相對(duì)大小。
[0024]—般而言，圖3A和3B中描繪的裝置100可以具有類似于可植入支架的相對(duì)伸長的配置和大小。此外，裝置100的末端可以是開放的或者具有多個(gè)開口以使得諸如間質(zhì)液體、血液、淋巴液、唾液等之類的樣本的流體能夠例如通過毛細(xì)力流動(dòng)到裝置100中。此外，盡管拋物面反射器102已經(jīng)被描繪為布置成橫切于裝置100的縱軸，但是拋物面反射器102可以替代地被布置成平行于縱軸。
[0025]裝置100可以包括拋物面反射器102和SERS元件104的單個(gè)集合。在該示例中，不包括拋物面反射器102和SERS元件104的集合的裝置100的其余部分可以具有圓柱形配置。裝置100可以可替換地包括沿殼體302定位的拋物面反射器102和SERS元件104的多個(gè)集合。在該示例中，拋物面反射器102和SERS元件104的集合可以彼此相同或者可以彼此不同，例如通過在集合之一中包括離軸拋物面反射器202而從另一個(gè)集合省略離軸拋物面反射器202。此外，集合之間的裝置100的部分可以具有圓柱形配置。
[0026]首先參考圖3A，裝置100被描繪為包括殼體302，拋物面反射器102、SERS元件104、離軸拋物面反射器202和背反射器204定位在所述殼體302內(nèi)。殼體302可以包括適合于植入到樣本中的任何材料，諸如硅、聚合物、塑料、銀、鈦等。在其中在沒有植入到樣本中的情況下實(shí)現(xiàn)裝置100的實(shí)例中，殼體302還可以包括其它材料，諸如可能對(duì)樣本有毒的材料。此外，形成殼體302以使得激發(fā)光112和拉曼散射光114能夠被發(fā)射通過所述殼體，例如如圖2中所示。在這方面，殼體302形成有多個(gè)孔，例如，作為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。此外，或者可替換地，殼體302由光學(xué)透明材料形成。
[0027]此外，在圖3A中，SERS元件104被描繪為被支持膜304在適當(dāng)位置支持，即在拋物面反射器102的焦點(diǎn)處或附近。支持膜304還可以被形成為使得光能夠被發(fā)射通過所述支持膜并且可以由與殼體302相同或類似的材料形成。然而，可替換地，SERS元件104可以通過支持膜304或另一結(jié)構(gòu)附接到背反射器204。
[0028]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖3B，裝置100描繪有拋物面反射器102、離軸拋物面反射器202和背反射器204，其連接在一起以形成殼體302。在這方面，拋物面反射器102、離軸拋物面反射器202和背反射器204集成到殼體302中。在該示例中，在拋物面反射器102與背反射器204之間的殼體302的部分可以形成為使得光能夠被發(fā)射通過所述殼體并且可以由與如以上關(guān)于圖3A討論的殼體302相同或類似的材料形成。此外，支持SERS元件104的支持膜304可以由與以上關(guān)于圖3A討論的支持膜304相同的任何材料形成。
[0029]作為另外的替換，在圖3A和3B 二者中，SERS元件104可以與背反射器204集成，使得例如，背反射器204包括其上提供SERS元件104的拉曼增強(qiáng)元件的襯底。
[0030]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4A，示出根據(jù)示例的圖1-3B中描繪的SERS元件104的陣列400的等距視圖，在該實(shí)例中拉曼增強(qiáng)元件406定位在納米指404的頂部上。如圖4A中所示，陣列400包括納米指404延伸在其上的襯底402。更特別地，納米指404被描繪為附接到并且延伸在襯底402的表面之上。襯底402可以由任何合適材料形成，諸如硅、氮化硅、玻璃、塑料、聚合物、Si02、Al203、鋁等，或者這些材料的組合等。
[0031]根據(jù)示例，納米指404由相對(duì)柔性的材料形成以使得納米指404能夠是可橫向彎曲或折疊的，例如以使得納米指404的尖端能夠朝向彼此移動(dòng)，如本文在以下更加詳細(xì)地討論的那樣。用于納米指404的合適材料的示例包括諸如可UV固化或可熱固化壓印抗蝕劑、聚丙烯酸烷基酯、聚硅氧烷、聚二甲基硅氧烷(PDMS)彈性體、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、含氟聚合物等或其任何組合之類的聚合物材料、諸如金、銀、鋁等之類的金屬材料、半導(dǎo)體材料等及其組合。
[0032]納米指404通過任何合適附接機(jī)制附接到襯底402的表面。例如，納米指404通過使用各種合適納米結(jié)構(gòu)生長技術(shù)而直接生長在襯底402表面上。作為另一示例，納米指404與襯底402整體地形成。在該示例中，例如，由其制作襯底402的材料的一部分被蝕刻或以其它方式被處理以形成納米指404。在另外的示例中，材料的分離層粘附到襯底402表面并且材料的分離層被蝕刻或以其它方式被處理以形成納米指404。在各種示例中，納米指404通過納米壓印或模壓(embossing)過程來制作，其中在聚合物基質(zhì)上在多步壓印過程中采用相對(duì)剛性的柱的模板以形成納米指404。在這些示例中，模板可以通過光刻或其它高級(jí)光刻形成有期望的圖案以將納米指404布置在預(yù)定布置中。更特別地，例如，期望的圖案可以通過電子束光亥IJ、光亥IJ、激光干涉光刻、聚焦離子束(FIB)、球體自組裝等中的任一種設(shè)計(jì)在模具上。此外，圖案可以被轉(zhuǎn)印到例如硅、玻璃或聚合物襯底(PDMS、聚酰亞胺、聚碳酸酯等)的另一襯底上。諸如蝕刻之類的各種其它過程和使用在微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和納米機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的制作中的各種技術(shù)也可以用于制作納米指404。
[0033]納米指404例如被定義為具有超過在垂直于長度的平面中取得的納米尺度橫截面尺寸(例如寬度)的多于若干倍的長度(或高度)的伸長的納米尺度結(jié)構(gòu)(例如長度>3x寬度)。一般地，長度遠(yuǎn)大于寬度或橫截面尺寸以促進(jìn)納米指404朝向一個(gè)或多個(gè)相鄰納米指404橫向彎曲。在一些示例中，長度是橫截面尺寸(或?qū)挾?的大于大約5或10倍。例如，寬度可以為大約100納米(nm)并且高度可以為大約500nm。在另一示例中，納米指404的基部處的寬度可以在大約10nm與大約1微米(μ m)之間的范圍，并且長度可以在大約50nm與2 μ m之間的范圍。在其它示例中，基于用于形成納米指404的材料的類型來給納米指404定大小。因此，例如，用于形成納米指404的一種或多種材料越剛性，納米指404的寬度可以越小以使得納米指404能夠是可橫向折疊的。在另外的示例中，納米指404可以形成脊(r i dge )，其中三個(gè)尺寸中的兩個(gè)(例如，長度和高度)超過納米尺度橫截面尺寸(例如，寬度)多于若干倍。
[0034]納米指404已經(jīng)被描繪為具有大體上圓柱形橫截面。然而，應(yīng)當(dāng)理解到，納米指404可以具有其它形狀的橫截面，諸如例如矩形、方形、三角形等。此外，或者可替換地，納米指404可以形成有一個(gè)或多個(gè)特征(諸如凹口、凸出等)，以大體上使納米指404傾斜以沿特定方向折疊。因此，例如，兩個(gè)或更多個(gè)鄰近的納米指404可以包括一個(gè)或多個(gè)特征，以增加納米指404朝向彼此折疊的可能性。本文在以下更加詳細(xì)地描述納米指404可以折疊的各種方式。
[0035]陣列400包括納米指404的大體上隨機(jī)分布或納米指404的預(yù)定配置。在任何方面，根據(jù)示例，納米指404關(guān)于彼此布置成使得至少兩個(gè)相鄰納米指404的尖端能夠在納米指404處于折疊狀態(tài)中時(shí)與彼此緊密接近，例如，與彼此分開小于大約10納米。作為特定示例，相鄰納米指404定位成與彼此分開小于大約100納米。根據(jù)特定示例，納米指404在襯底402上被圖案化，使得納米指404的相鄰納米指優(yōu)選地折疊成預(yù)定義的幾何形狀，例如三角形、方形、五邊形等。
[0036]此外，盡管圖4A將陣列描繪為具有沿每一行布置的相對(duì)大數(shù)目的納米指404，但是應(yīng)當(dāng)理解到，陣列可以在每一行中包括任何數(shù)目的納米指404。在一方面，在襯底402上提供相對(duì)大數(shù)目的納米指404以一般地提高來自分析物的分子的可檢測(cè)拉曼散射的可能性。
[0037]拉曼增強(qiáng)元件406包括等離子體材料，諸如但不限于金、銀、銅、鉑、鋁等，或者以合金形式的這些材料的組合，或者能夠支持用于針對(duì)拉曼散射的場增強(qiáng)的表面等離子體的其它合適的材料。此外，拉曼增強(qiáng)元件406可以是多層結(jié)構(gòu)，例如具有1到50nm的金的上涂層的10到lOOnm銀層，或者反之亦然。通過本文中的定義，等離子體材料是支持等離子體的材料。
[0038]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4B，示出依照示例的陣列400的圖4A中所示的沿線A_A的橫截面視圖。如其中所示，納米指404的每個(gè)尖端408包括部署在其上的相應(yīng)拉曼增強(qiáng)元件406?？梢园ń饘偌{米顆粒的拉曼增強(qiáng)元件406可以通過例如金屬材料的物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、濺射等或者預(yù)合成納米顆粒的自組裝之一沉積到納米指404的尖端408 上。
[0039]盡管已經(jīng)在圖4A-4B中將納米指404描繪為每一個(gè)豎直地延伸并且關(guān)于彼此在相同高度處，但是應(yīng)當(dāng)理解到，納米指404中的一些可以以關(guān)于彼此的不同的角度和高度來延伸。納米指404之間角度和/或高度的差異可以例如由于由納米指404的制作以及納米指404上的納米增強(qiáng)元件406的沉積等中存在的制造或生長變化引起的差異而發(fā)生。
[0040]如圖4B中所示，納米指404在第一位置中，其中尖端408處于關(guān)于彼此的大體上間隔的布置中。尖端408之間的間隙410可以具有足夠大的大小以使得液體能夠位于間隙410中。此外，間隙410可以具有足夠小的大小以使得至少一些納米指404的尖端408能夠在提供于間隙410中的液體蒸發(fā)時(shí)通過例如當(dāng)液體蒸發(fā)時(shí)施加在尖端408上的毛細(xì)力而朝向彼此牽拉。
[0041]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖4C，示出根據(jù)示例的跟隨在液體的蒸發(fā)之后的陣列400的圖4A中所示的沿線A-A的橫截面視圖。圖4C中描繪的視圖與圖4B中描繪的視圖相同，除了納米指404被描繪在第二位置中，其中一些納米指404的尖端408已經(jīng)被牽拉朝向彼此。根據(jù)示例，由于在尖端408之間的間隙410中的液體(未示出)的蒸發(fā)期間和其之后施加到納米指404的鄰近納米指上的毛細(xì)力，一些納米指404的尖端408可以與彼此相對(duì)緊密接近并且可以在一段時(shí)間內(nèi)保持與彼此相對(duì)緊密接近。
[0042]在任何情況下，并且在一方面，使納米指404的尖端408朝向彼此牽拉，如圖4C中所示，以增強(qiáng)通過拉曼增強(qiáng)元件132的近場中的分析物分子412的拉曼信號(hào)發(fā)射，這是因?yàn)猷徑舛?36上的拉曼增強(qiáng)元件132之間的相對(duì)小間隙產(chǎn)生具有相對(duì)大的電場強(qiáng)度的“熱點(diǎn)，，所致。
[0043]根據(jù)示例，納米指404在大體上定位在拋物面反射器102的焦點(diǎn)中之前定位到圖4C中描繪的折疊狀態(tài)中。此外，陣列400被翻轉(zhuǎn)，使得拉曼增強(qiáng)元件406被引導(dǎo)朝向拋物面反射器102。還應(yīng)當(dāng)指出，拉曼增強(qiáng)元件406可以包括涂敷有諸如金屬之類的等離子體材料的其它納米結(jié)構(gòu)和納米顆粒。在一些示例中，拉曼增強(qiáng)元件406可以包括例如金和銀膠狀納米顆粒、涂敷有Au或Ag的黑娃等。
[0044]現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖5，示出根據(jù)示例的用于制作用于執(zhí)行光譜法的裝置的方法500的流程圖。應(yīng)當(dāng)理解到，圖5中描繪的方法500可以包括附加過程并且本文中描述的一些過程可以被移除和/或修改而不脫離于方法500的范圍。此外，盡管在本文中對(duì)通過方法500的實(shí)現(xiàn)制作的裝置100做出特定參考，但是應(yīng)當(dāng)理解到，方法500可以被實(shí)現(xiàn)成制作不同配置的裝置而不脫離于方法500的范圍。
[0045]在塊502處，獲得拋物面反射器102。拋物面反射器102可以通過以以上討論的任何方式的拋物面反射器102的制作獲得?？商鎿Q地，拋物面反射器102可以包括預(yù)制作的組件并且可以因此從拋物面反射器102的制造商或供應(yīng)商獲得。
[0046]在塊502處，獲得多個(gè)SERS元件104。SERS元件104可以通過以以上討論的任何方式制作的SERS元件104的制作獲得?？商鎿Q地，SERS元件104可以被預(yù)制作在襯底上并且可以因此從SERS元件104的制造商或供應(yīng)商獲得。根據(jù)特定示例，SERS元件104包括提供在納米指406的尖端408上的拉曼增強(qiáng)元件406，如圖4C中所示。
[0047]在塊506處，可選地獲得偏移拋物面反射器202和/或背反射器204。偏移拋物面反射器202和/或背反射器204的獲得被視為可選的，因?yàn)檠b置100可以在沒有這些反射器中的任一個(gè)的情況下制作。在獲得這些反射器中的任一個(gè)或二者的實(shí)例中，偏移拋物面反射器202和/或背反射器204可以通過以以上討論的任何方式的這些反射器的制作獲得或者從這些反射器的制造商或供應(yīng)商獲得。根據(jù)特定示例，偏移拋物面反射器202與如以上關(guān)于圖2討論的拋物面反射器102整體形成。
[0048]在塊508處，多個(gè)SERS元件104大體上定位在拋物面反射器102的焦點(diǎn)處。根據(jù)示例，SERS元件104關(guān)于拋物面反射器102的定位可以發(fā)生在獲得拋物面反射器102和SERS元件104期間。因此，例如，SERS元件104可以在塊504處制作成大體上定位在拋物面反射器102的焦點(diǎn)處。在任何方面，SERS元件104可以通過使用任何合適的機(jī)制(諸如圖3A和3B中描繪的支持膜304)被大體上支持在拋物面反射器102的焦點(diǎn)處。
[0049]此外，在塊508處，如果偏移拋物面反射器202要包括在裝置100中，SERS元件104還可以大體上定位在偏移拋物面反射器202的焦點(diǎn)處。而且，如果背反射器204要包括在裝置100中，背反射器204可以定位成將從SERS元件104發(fā)射的光引導(dǎo)朝向拋物面反射器102。另外，SERS元件104可以大體上定位在背反射器204的焦點(diǎn)處。
[0050]在塊510處，拋物面反射器102和SERS元件104集成到殼體302中。拋物面反射器102和SERS元件104可以以上文關(guān)于圖3A和3B討論的任何方式集成到殼體302中。此夕卜，偏移拋物面反射器202和/或背反射器204可以集成到殼體302中，同樣如以上討論的那樣。
[0051 ] 根據(jù)示例，拋物面反射器102和SERS元件104被形成并且然后定位到殼體302中。在另一示例中，拋物面反射器102和SERS元件104直接形成在殼體302中。離軸拋物面反射器202和背反射器204還可以以這些方式中的任一種來制作。
[0052]盡管貫穿本公開的全部內(nèi)容具體地予以描述，但是本公開的代表性示例在大應(yīng)用范圍之上具有實(shí)用性，并且以上討論并非旨在并且不應(yīng)被解釋為是限制性的，而是作為對(duì)本公開的各方面的說明性討論而提供的。
[0053]在本文中已經(jīng)描述和圖示的是示例連同其一些變型。本文中所使用的術(shù)語、描述和圖僅通過說明的方式來闡述并且不意指為限制。許多變型在主題的精神和范圍內(nèi)是可能的，所述主題旨在由隨附權(quán)利要求書一一以及它們的等同物一一來限定，其中，所有術(shù)語都意指在它們最寬泛的合理含義中，除非另有指示。
【權(quán)利要求】
1.一種用于執(zhí)行光譜法的裝置，包括: 拋物面反射器；以及 與拋物面反射器間隔開并且大體上定位在拋物面反射器的焦點(diǎn)處的多個(gè)表面增強(qiáng)拉曼光譜法(SERS)元件，其中拋物面反射器反射從多個(gè)SERS元件生成的近場中的分子發(fā)射的拉曼散射光以大幅增加從所述裝置發(fā)射出的拉曼散射光的通量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括: 定位成將泵浦光引導(dǎo)到SERS元件上的離軸拋物面反射器。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述離軸拋物面反射器附接到拋物面反射器。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述拋物面反射器關(guān)于離軸拋物面反射器傾斜以使發(fā)射到離軸拋物面反射器上的激發(fā)光處于不同于拉曼散射光從拋物面反射器反射的角度的角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括: 背反射器，其中多個(gè)SERS元件定位在拋物面反射器和背反射器之間，并且其中從多個(gè)SERS元件生成的近場中的分子發(fā)射的拉曼散射光從背反射器反射到拋物面反射器上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述多個(gè)SERS元件包括襯底，并且其中所述背反射器合并到襯底中。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中所述多個(gè)SERS元件大體上定位在背反射器的焦點(diǎn)處。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括: 光被發(fā)射通過其的殼體；并且 其中所述拋物面反射器和所述多個(gè)SERS元件處于定位在殼體內(nèi)和與殼體集成中的至少一個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的裝置，其中所述殼體被定大小成使得殼體能夠植入到樣本中且由使得殼體能夠植入到樣本中的材料形成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述多個(gè)SERS元件包括多個(gè)納米指，其上拉曼增強(qiáng)元件附接到納米指的自由端。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中多個(gè)納米指中的至少兩個(gè)的自由端上的拉曼增強(qiáng)元件緊密接近于彼此。
12.一種用于制作用于執(zhí)行光譜法的裝置的方法，所述方法包括: 獲得拋物面反射器，其中所述拋物面反射器具有焦點(diǎn)； 獲得多個(gè)表面增強(qiáng)拉曼光譜法(SERS)元件；以及 將多個(gè)SERS元件定位在大體上處于拋物面反射器的焦點(diǎn)的位置處。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括: 獲得離軸拋物面反射器；并且 其中定位多個(gè)SERS元件還包括定位多個(gè)SERS元件使得多個(gè)SERS元件還大體上處于離軸拋物面反射器的焦點(diǎn)處。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括: 獲得背反射器；以及 將背反射器定位成使多個(gè)SERS元件定位在背反射器與拋物面反射器之間并且將從多個(gè)SERS元件生成的近場中的分子發(fā)射的拉曼散射光反射到拋物面反射器上。
15.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，還包括: 將拋物面反射器和多個(gè)SERS元件集成到殼體中，光被發(fā)射通過所述殼體，其中所述殼體被定大小、配置和由材料形成以植入到樣本中。
【文檔編號(hào)】G02B5/10GK104487825SQ201280075014
【公開日】2015年4月1日 申請(qǐng)日期:2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月31日
【發(fā)明者】王 S-Y., 吉布森 G., 李 Z., M. 布拉特科夫斯基 A., J. 巴塞洛 S., 金 A., 亞馬卡瓦 M., 周 Z-L., P. 擴(kuò) H. 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)