[发明专利]一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构

说明书

本发明公开了一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖‑活性基底结构。本发明包括具有凹状台阶结构的等离激元探针和设置在衬底上表面的银纳米粒子活性基底；所述探针前部的台阶结构的高度为20‑100 nm，等离激元探针的针尖曲率半径为5‑50 nm，等离激元探针镀有银膜，银膜厚度为5‑50 nm，银膜高度为200‑300 nm，银纳米粒子直径为15‑105 nm，等离激元探针的针尖和银纳米粒子活性基底的间距为1‑20 nm。本发明台阶形针尖‑活性基底结构在中心区域可以产生很大的拉曼增强因子，通过对台阶形针尖‑活性基底结构的结构参数进行优化进一步提高了中心区域的拉曼增强因子，提供了对电场增强的一种有效途径。

技术领域

本发明涉及纳米材料和632.8nm激光光源下针尖增强拉曼散射技术领域，更具体的说，是涉及一种用于增强拉曼信号的台阶形针尖-活性基底结构。

背景技术

拉曼光谱术是一种无需样品标记的物质化学信息检测方法，能够通过光与被测物质的相互作用，反应物质的振动、转动能级，检测样品的物质结构。但由于受到光学衍射极限和探测灵敏度的限制，拉曼光谱很难直接应用于纳米尺度材料和结构的研究。近年来，结合扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)和表面增强拉曼光谱技术(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)的针尖增强拉曼光谱技术(Tip-EnhancedRaman Scattering，TERS)发展迅速，已经被应用于材料科学、生物医学和生命科学等领域。1974年，Fleishmann 等在对光滑银电极表面进行粗糙化处理并在其表面吸附单层的吡啶分子后，获得了吡啶分子高质量和高强度的拉曼光谱，其后类似的增强现象在一些其他体系中得到了确认并被称为SERS技术。1985年，Wessle首先提出了将扫描探针显微镜SPM 和表面增强拉曼光谱术SERS增强机理相结合而构成具有高空间分辨率光谱探测方法的设想。2000年左右多个国家的研究小组分别通过 SPM 和SERS联用实现了TERS的实验验证，并正式提出了TERS概念。

当入射光以适当的波长和偏振方向照射在纳米尺度的尖锐金属探针尖端时，在局域表面等离激元共振效应(Localized surface plasmon resonance，LSPR)、避雷针效应(Lightning-rod effect)和基底镜像效应的共同作用下，针尖附近会产生强烈的局域电磁场增强，此时的金属针尖可以看作具有极高功率密度的纳米光源，激发针尖下方样品的拉曼信号，称为针尖增强拉曼光谱(TERS)。TERS技术兼具了SPM和SERS的优点，不仅具有高的空间分辨率，同时还具有高探测灵敏度，能够对纳米物质成分进行测量分析并同步获取高分辨形貌图像，实现物质分子形貌和物性的对照表征。TERS技术为纳米尺度物质的化学分析和形貌成像开辟了新的可能。TERS增强主要取决于针尖和TERS模型结构的一些激发条件，包括针尖的曲率半径、几何形状和材料、基底的材料以及入射角等。

大量研究表明，单独探针性能的研究对设计和优化探针具有重要意义，但单纯仅靠针尖增强很难获得足够单分子拉曼探测的灵敏度和空间分辨率，基底的材质和微观结构会对针尖-基底体系LSPS激发产生明显影响，利用基底可以进一步提高针尖-基底间的电场强度和局域性。TERS系统一般可以使用玻璃、云母、硅片等常规平坦介质材料表面作为基底，考虑到介质基底对电场并无明显的增强作用，通过在介质基底上沉积金、银纳米颗粒构成 SERS 基底，可以进一步增强拉曼信号并淬灭荧光，称为SERS-TERS模式。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种用于增强检测信号的台阶形针尖-活性基底结构。针尖前部的纳米尺度的台阶等离激元结构提高了针尖的激发效率和增强因子，银纳米粒子活性基底可以进一步增强拉曼信号并淬灭荧光。