[发明专利]化学检测器

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2005年12月19日提交的序列号为No.60/751,472的美国临时专利申请的优先权，在此通过参考引入。

技术领域

本发明涉及拉曼和表面增强拉曼光谱(SERS)。更具体地，本发明涉及用于通过SERS的痕量化学检测的改进方法、装置和系统。

背景技术

拉曼散射由拉曼(C.V.Raman)在1928年发现。由于拉曼在光线的散射和以他命名的拉曼效应的发现上所做的工作，拉曼在1930年获得了诺贝尔物理学奖。

拉曼散射是光子的创造或湮没光学声子的非弹性散射。简单地说，拉曼散射是入射光(光子)与化学分子振动(声子)相互作用的结果。唯一的化学分子结构导致唯一的拉曼散射光谱(这就是为何它也称作拉曼指纹光谱)。因此，拉曼散射提供关于化学物质的光谱指纹细节，并且还可用于将分子异构体乃至手性分子彼此进行区分。

在1960年代晚期发明激光之后，可商业地使用拉曼光谱。在标准设置中，激光(从UV到近红外)用于照亮固体、液体或气体形态中的测试化学物质。使用激光的原因是，只有单波长光子会与化学物质相互作用，以消除来自具有各种波长的光子(光)的散射峰的重叠。这就是为何拉曼光谱在发现之后经历了30年才进入实际应用的原因。在散射之后，一旦诸如电荷耦合器件(CCD)或CMOS检测器的光子检测器采集了散射光，就采集到了拉曼光谱。拉曼频移定义为在散射光波长和入射光波长(激光波长)之间的波长间距。峰的位置对应于各种分子键的振动强度，因而提供了分子的光谱指纹。

拉曼散射在许多应用领域中获得了宽广的应用范围：制药、化学、生物、医学、生命科学、材料科学、半导体、艺术品复原、食品安全、环境、刑侦、国土安全等。

尽管拉曼散射是极有用的分析工具，但它经受的一个主要缺点是：由于分子的散射截面非常小，散射信号非常微弱。典型地，在化学物质上只有大约入射光子的10^-8会经历拉曼散射。当然，可使用高能量的激光和高灵敏度的CCD检测器以改进散射信号，但带来的是额外的开销、附加的硬件以及意想不到的采样损失。由于散射信号微弱，常规拉曼散射应用相对较宽但是仍然非常有限。

通过使用粗糙表面的表面增强效应被发现可以增强拉曼散射信号。所谓的表面增强拉曼光谱(SERS)得以发展(M.Fleischmann，P.J.Hendra，and A.J.McQulillan的，发表于1974年的Chem.Phys.Lett.，26，123的“Raman Spectra of Pyridine Adsorbed at a Silver Electrode”)。表面可通过金属颗粒或粒子簇(cluster)的沉积来形成。在许多情形中，在溶液中形成银或金的纳米粒子，并且使用诸如玻璃的平坦的衬底以采集纳米粒子。然后，或者将表面浸入待测量的溶液、或者将溶液喷洒到表面上。激光束直接照射具有纳米粒子的表面，并且由检测器采集散射光。由于在纳米粒子和被测量的化学物质之间的相互作用，获得了增强的拉曼光谱。与常规拉曼散射相比，拉曼信号可增强至9-10个数量级(甚至更高)。

Zhongfan Liu和他的同事(在2004年的Nanotechnology，15，357)证明了当平均粒子距离(间距)降低到100nm以下的时候，拉曼信号增强变得更强。更重要的是，当粒子距离接近或几乎等于粒子直径的时候，获得显著的增强。此外，当粒子直径变得小于100nm的时候，增强甚至更强。总之，拉曼散射在与纳米粒子表面相互作用之后将大大地增强，特别是与尺寸小于50-100nm的粒子相互作用之后。

表面增强的拉曼散射现象可通过在具有局域化电磁场增强和化学增强的光子(激光)之间的相互作用来解释(见由A.M.Michaels等人在1999年的J.Am.Chem.Soc.121，9932-39中的讨论)。

世界各地的许多研究团体证明了SERS。增强可从一个实验室到另一个实验室得以重复。在近些年中，从事SERS的一个团队来自于Intel(2003年12月22日的J.P.Roberts，Biophotonics International)。Intel团队使用具有在表面上涂敷诸如银的贵金属的涂层的多孔硅结构。Intel证明了增强随多孔硅孔尺寸的减小而增加。包括Intel的工作的所有试验可由其他团队重复，但是很难可重复地证明相同的增强水平。