[发明专利]一种涂覆增益介质的拉曼光谱高电磁增强基底及制备

说明书

技术领域

本发明属于分子传感技术领域，具体涉及一种涂覆增益介质的拉曼光谱高电磁增强基底。

背景技术

分子的拉曼散射光谱与分子的转动和振动直接相关，可以在分子水平上研究物质结构，它在化学，物理学，生物学，医学，环境科学等学术领域，以及人们日常生活直接相关的如食品安全，墨迹鉴定等方面，得到了越来越重要的应用。但是，拉曼光谱存在非常致命的缺点：检测灵敏度太低，分子的拉曼散射截面通常仅有10^-29cm^-2S^-1，因而对样品量及采谱时间有非常高的要求。这在一定程度上限制了拉曼光谱的应用。

1974年M.Fleischmann等人在试验中首次发现，吡啶分子吸附在电化学粗糙的Ag电极表面时其拉曼信号强度得到了约6个数量级的增强，并将这种粗糙表面的拉曼增强效应称为表面增强拉曼散射（Surface Enhancement Raman Scattering，SERS）。SERS现象被提出后，受到了人们的高度重视。SERS光谱较普通拉曼光谱具有极高的灵敏度，可达到单分子探测水平，并对吸附或靠近基底表面的分子有长程增强作用，这些特点使得SERS在表面科学，材料科学以及生物科学领域具有广泛的应用。

虽然表面增强拉曼光谱具有很好的应用前景，但它的产生机理至今还没有统一的定论。拉曼散射强度正比于分子感应偶极矩P的平方，而P＝α·E，其中，α为分子的极化率张量，E是电场强度。据此，研究者提出了SERS的两种不同机理：电磁增强机理和化学增强机理，前者针对电场E的变化，增强因子可达10¹¹，后者针对极化率张量α的变化，增强因子一般为10²-10³。目前，普遍认为这两种机理同时作用，并且以电磁增强为主导。SERS的电磁增强机理，主要是基于金属微纳结构的局域表面等离子体共振（LSPR）作用，金属纳米颗粒可以强烈的散射和吸收激发光，并可以把光局限在金属纳米颗粒表面附近纳米尺度的空间范围内形成一个局域增强的电磁场，进而增强SERS信号。虽然金属微纳基底可以极大增强SERS信号，但由于金属损耗的存在，阻碍了基于电磁增强机理的SERS增强因子的进一步增大。

发明内容

本发明的目的在于针对上述存在问题，提供一种涂覆增益介质的拉曼光谱高电磁增强基底，即在传统的SERS基底上引进增益介质材料，增益介质材料基于受激辐射原理，能够放大激励光信号，以补偿金属损耗，使电场增强因子远高于不含增益介质的SERS基底。

本发明的技术方案：

一种涂覆增益介质的拉曼光谱高电磁增强基底，为在金属盲孔阵列表面涂覆增益介质的表面增强拉曼光谱基底结构，基底金属上均布有圆形、矩形或三角形盲孔阵列，金属基底上涂覆的增益介质为罗丹明6G/聚甲基丙烯酸甲酯（R6G/PMMA）薄膜。

所述基底金属为金、银或铜。

所述盲孔的边长或直径、孔深、涂覆增益层厚度、孔阵列的x方向周期及y方向周期均为0.1λ-2λ，金属基底厚度大于0.1λ，其中：λ为处于可见-红外波段的波长，λ为0.3μm-2μm；增益介质薄膜的厚度为0.01λ-2λ。

一种所述涂覆增益介质的拉曼光谱高电磁增强基底的制备，通过在有机溶剂中溶入染料分子实现，步骤如下：

1）采用表面平整的玻璃或硅为基片，并在其上利用电子束加热蒸镀技术镀一层铬膜；

2）采用电子束加热蒸镀技术在上述镀有铬膜的基片上沉积厚度大于0.1λ的基底金属；

3）将罗丹明6G和聚甲基丙烯酸甲酯溶于有机溶剂二氯甲烷中得到混合溶液，将混合溶液涂覆在基底金属表面并烘干，形成在基底金属表面上涂覆有增益介质的薄膜；

4）采用聚焦离子束刻蚀技术在上述涂覆有增益介质的基底金属表面加工出盲孔阵列，即可制得在金属盲孔阵列表面涂覆增益介质的表面增强拉曼光谱基底结构。

所述基片的尺寸长不超过200mm、宽不超过200mm、厚不超过20mm。

所述在基片上沉积铬膜的厚度不小于5nm。

所述在镀有铬膜的基片上沉积金属膜厚度大于0.1λ。

所述罗丹明6G与聚甲基丙烯酸甲酯的质量比为0.001-0.5:1，罗丹明6G和聚甲基丙烯酸甲酯与二氯甲烷的用量比为0.1-1g/ml。