[发明专利]一种基于超构材料的表面增强红外基底及其分子检测方法

说明书

本发明公开了一种基于超构材料的表面增强红外基底及其分子检测方法，红外基底依次设有支撑衬底、均匀表面等离激元薄膜和周期阵列；通过调控周期阵列的周期，该红外基底的均匀表面等离激元薄膜与电偶极子模式相互耦合，使得后者的谐振波长发生变化，近场电场强度发生增强；当待测分子吸附或制备于该红外基底时，通过外部红外光谱设备，即可测试得到该待测分子的表面增强红外吸收光谱。所述均匀表面等离激元薄膜采用介电常数实部为负值的金属材料或介电材料制备，其厚度为大于200nm。检测方法为：(1)实验测试光谱获取；(2)理论仿真光谱获取；(3)评价函数构建；(4)反演求解；(5)结果分析。

技术领域

本发明涉及分子检测技术领域，尤其涉及一种基于超构材料的表面增强红外基底及其分子检测方法。

背景技术

表面增强光谱利用粗糙表面附近的近场增强或合理设计的超构材料结构来增强附着分子的散射或反射信号，从而显著提高检测极限，甚至降至单分子水平。由于大多数分子在红外波长范围内具有其特征吸收指纹，红外光谱已成为鉴定未知有机物种的最有效方法之一，该法称之为表面增强红外吸收光谱法(SEIRA)。因此，SEIRA提供了一种强大而可靠的工具来检测微量分子，以及研究分子的构象变化和分子相互作用。

利用表面增强红外吸收效应产生的红外吸收光谱分析水体砷化合物种类的方法。各种砷化合物具有“红外特征光谱”的光学特性-即各种砷化合物的分子振动频率不同，对不同红外吸收波长进行比对，从而分析其种类与浓度。

一种提高表面增强红外吸收光谱的增强因子的方法，应用三明治结构中金纳米岛膜和金纳米棒的表面等离子体场之间的耦合，实现待测分析物的红外吸收光谱的极大增强，有望扩大SEIRA的应用领域。

用于增强红外光谱探测的石墨烯等离激元器件及制备方法，利用微纳米结构石墨烯上的局域等离激元，实现待测分析物的红外吸收光谱的增强，同时具备微量分子检测能力。

然而，这些表面增强红外基底大多制备复杂，可重复性低，探测波段单一，且只探测分子指纹信息，无法对分子的光学常数在宽波段范围内的详细信息进行反演检测，无法同时检测厚度。

一种光学基底材料光学常数的测试方法，通过测试不同厚度基底材料透射光谱，利用弱吸收区解析计算和全光谱区拟合运算相结合的方法计算得到光学基底材料的光学常数。

一种薄吸收膜的光学常数与厚度的测量装置及方法，将椭偏参数测量模块与反射率测量模块相对设置，且两者的探测光束辐射于待测样品的相同位置，从而实现了待测样品表面同一点的椭偏参数与反射率的同时、原位及在线测量。

然而，上述涉及光学常数的方法大多测试流程复杂、测量精度低，并且由于分子指纹振动本身非常微弱，故而难以实现有效可靠的分子光学常数反演，只能检测光学常数的实部，难以准确检测光学常数虚部。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术的部分技术问题，而提供了一种场增强、灵敏度高、制备方便的一种基于超构材料的表面增强红外基底及其分子检测方法。本方法在保证评价算法高效、健壮等特性基础上，运用了耦合效应下的超构材料红外基底提供的场增强、谐振波长可调等特性，将分子的红外指纹信号放大，结合算法使分子在宽波段范围内的光学常数的反演更加精确。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种基于超构材料的表面增强红外基底，红外基底依次设有支撑衬底、均匀表面等离激元薄膜和周期阵列；通过调控周期阵列的周期，该红外基底的均匀表面等离激元薄膜与电偶极子模式相互耦合，使得后者的谐振波长发生变化，近场电场强度发生增强；当待测分子吸附或制备于该红外基底时，通过外部红外光谱设备，即可测试得到该待测分子的表面增强红外吸收光谱。

优选的，所述均匀表面等离激元薄膜采用介电常数实部为负值的金属材料或介电材料制备，其厚度为大于200nm。