[发明专利]用于长波长SERS的颗粒和方法

说明书

技术领域

本申请涉及表面增强拉曼光谱方法和颗粒，并且更具体地涉及增强长波长处的拉曼散射的颗粒。

背景技术

当光被引导到分子上时，绝大多数的入射光子在频率不改变的情况下被弹性地散射。这称为瑞利散射。但是，某些入射光子(大约每10⁷个入射光子中的一个)的能量被耦合到分子键的不同振动模式中。这样的耦合使得某些入射光以不同于入射光的范围的频率范围被分子非弹性地散射。这称为拉曼效应。通过绘制这样的非弹性地散射的光的频率与其强度的关系图，获得正在被观测的分子或材料的唯一拉曼光谱。对未知样品的拉曼光谱的分析可以得到关于该样品的分子成分的信息。

通过将(一个或多个)拉曼活性分子或材料与某些类型的纳米结构金属表面非常紧密靠近(例如≤20)，可以显著地提高拉曼散射的辐射的强度。例如，吸附到粗糙的金、银或铜或其它自由电子金属表面的分子的拉曼强度可以提高百万倍。称为表面增强拉曼散射和另一种表面增强拉曼光谱(在两种情况中均称为SERS)的这种效应可以在电介质基底上使用金属膜、金属胶体颗粒，以及在各种其它纳米级、中型、微观或宏观表面上使用有序或无序的金属颗粒阵列来观测到。

发生SERS或类似的表面增强光谱(SES)现象的机制被理解了，并且被认为是由于电磁(例如局部场)和化学(例如电荷转移)效应的组合而导致的。代表性的SES技术包括但不限于表面增强拉曼光谱(SERS)和表面增强共振拉曼光谱(SERRS)。在SERS或SERRS中，金属或其它增强表面将电磁地耦合到入射电磁辐射并产生局部放大的电磁场，该局部放大的电磁场导致位于增强表面上或靠近增强表面的SERS活性分子的拉曼散射增大10²到10⁹倍或更大。

如上所述，在用入射光照射分子时发生拉曼散射。典型地，该入射光源是单色激光。对于拉曼光谱，对入射激光波长的正确选择会是重要的考虑事项。例如，很多样品，特别是那些具有有机或生物性质的样品，将是(或包含)荧光物种。使用绿色(532nm)激光激励这些样品可以促进荧光，这将使得任何潜在的拉曼光谱陷入不再能被检测到的程度。

因此，诸如SERS和SERRS的拉曼光谱技术的特征经常在于使用光谱中的红色(例如，633nm)或近红外(NIR)(例如，785nm或1064nm)部分的激光。由于这些源具有比绿色或更短波长源稍低的光子能量，因此红色或NIR激光不会促进产生荧光的电子跃迁，从而导致更易于检测的拉曼散射。

不幸地，随着入射波长从绿色增加到红色或NIR，拉曼散射的效率降低，因为它随着(1/波长)⁴变化。因此，随着入射波长增加，需要更长的积分时间(integration time)和/或更高功率的激光，以获取适当的信号。典型地，对于拉曼光谱，使用发射具有不长于约1064nm的波长的激光。更长的波长会导致散射效率下降，因而使用更长波长的源是不实际的。

当使用更短波长激光时，会出现某些安全问题。特别地，以1064nm、785nm和更短波长发射的激光如果被射入人眼的话，将造成潜在的危险。根据美国国家标准局(ANSI)标准Zl 36.1-2007，如图1的曲线图100和102所示，对激光的最大眼睛安全曝光量在1400nm和更长的波长处急剧地增加。因此，使用以1064nm或更短波长发射的激光的拉曼显微镜或拉曼光谱仪必须是不能无意地照射技术人员的眼睛的固定装置，或者，这些装置必须包括复杂的安全机制，以避免可能对技术人员的眼睛造成意外伤害。因此，安全问题限制了在各种非控的、非实验室情形中会实施的手持或其它激光源的可行性。更长的波长辐射对眼睛可能是相对安全的；但是，如上所述，使用已知的增强策略，更长的波长的光源会导致低效的散射。

通常，用于更长波长的基于颗粒的增强表面的适用性可以通过使颗粒变大来改进，这是由于较大的颗粒相对于较小的颗粒通常表现出：使等离子激元带进一步偏移入NIR中。很多SES活性标记物被设计在流体中使用或分散，因此最好使用被调整尺寸的并且具有适当的密度以在所选液体中保持悬浮而不沉淀的颗粒或标记能够实现。因此，设计在更长的眼睛安全的波长处询问并且还能够在液体中悬浮的颗粒是特别有问题。

本发明针对于克服上面讨论的一个或多个问题。

发明内容