CN114942240B

CN114942240B - 上转换拉曼传感器及应用

Info

Publication number: CN114942240B
Application number: CN202210597176.4A
Authority: CN
Inventors: 陈文�; 刘扬
Original assignee: Wuhan Taihe Optical Technology Co ltd
Current assignee: Suzhou Taihe Optics Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2022-05-30
Filing date: 2022-05-30
Publication date: 2022-12-13
Anticipated expiration: 2042-05-30
Also published as: CN114942240A

Abstract

本发明实施例公开了一种上转换拉曼传感器及应用。该传感器包括：基底；第一金属纳米颗粒，第一金属纳米颗粒沉积在基底上；第二金属纳米颗粒，金属纳米颗粒可移动以靠近第一金属纳米颗粒；其中，将待分析物固定在第一金属纳米颗粒与第二金属纳米颗粒之间的纳米间隙区域或附近，并基于待分析物的分子振动模式，采用拉曼光源、红外光源同时照射待分析物，以检测出待分析物的上转换拉曼信号。本发明提供的上转换拉曼传感器不仅可以实现分子特异性检测，信号稳定，同时还能直接兼容大部分基于传统拉曼分子传感所进行的技术优化，而且相比传统拉曼技术，能有效分离传统拉曼技术常出现的背景噪声，大幅度提高分子信号在光谱和成像方面的灵敏度与信噪比。

Description

上转换拉曼传感器及应用

技术领域

本发明涉及光学传感技术领域，尤其涉及一种上转换拉曼传感器及应用。

背景技术

目前，微观检测通常采用拉曼散射的光学探测与传感以获取分子振动的‘指纹’光谱，从而实现无标记的高特异性探测。基于这一独特优势，拉曼检测与传感在多种生物化学相关应用中发挥着重要作用，包括病毒检测，化学毒性检测、疾病与癌症临床诊断、药物发现、食品过程控制和环境监控等。

然而拉曼传感在实际的应用中往往遇到了许多困难还未解决，例如，当其应用于多分子或者复杂的检测环境中（如细胞体内），真正待测分子的特征拉曼信号容易被环境中其他分子的拉曼信号所干扰或掩盖，从而难以简单可靠地进行信号分析，此时便需要借助复杂的机器学习算法来实现，导致拉曼传感的特异性大大降低，同时也影响分子探测的定量性。

另外，在激发分子拉曼信号的同时，往往也会激发分子的荧光信号，在光谱上表现为拉曼尖峰下方的宽波段强背景信号（拉曼光谱下方的大包），甚至会直接掩盖掉拉曼信号，从而极大的影响了拉曼传感的灵敏度。

上述缺陷导致拉曼传感仅仅局限于光谱检测和分析，其成像应用相比荧光等其他光学过程，其信噪比受荧光背景的严重制约，同时多分子干扰也会显著降低拉曼成像的特异性识别优势。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种上转换拉曼传感器及应用，本发明实施例提供的上转换拉曼传感器不但能显著提高在复杂环境下对分子指纹的特异性识别能力，同时能有效分离传统拉曼技术常出现的背景噪声，大幅度提高分子信号在光谱和成像方面的灵敏度与信噪比。

第一方面，本发明提供了一种上转换拉曼传感器，其包括：

基底；

第一金属纳米颗粒，所述第一金属纳米颗粒沉积在所述基底上；

第二金属纳米颗粒，所述金属纳米颗粒可移动以靠近所述第一金属纳米颗粒；

其中，将待分析物固定在所述第一金属纳米颗粒与所述第二金属纳米颗粒之间的纳米间隙区域或所述纳米间隙区域附近，并基于所述待分析物的分子振动模式，采用拉曼光源、红外光源同时照射所述待分析物，以检测出所述待分析物的上转换拉曼信号。

优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述第一金属纳米颗粒在所述基底上沉积，以在所述基底上形成若干个凹槽。

更优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，依次在所述基底上沉积金属连接层、所述第一金属纳米颗粒、第二金属层，并进行曝光和刻蚀，以在所述基底上形成所述凹槽。

更优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽的长边为1-5微米，短边为10-1000纳米。

更优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述凹槽在所述基底上呈阵列排布，两个长边相邻的所述凹槽之间的间距大于0.5微米，两个短边相邻的所述凹槽之间的间距大于0.5微米。

优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述第一金属纳米颗粒、所述第二金属纳米颗粒的直径均为10-1000纳米。

优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述第一金属纳米颗粒、所述第二金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中的一种或多种。

优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述第一金属纳米颗粒、第二金属纳米颗粒均修饰有配体，所述待分析物通过所述配体固定在所述纳米间隙区域中。

优选地，在所述的上转换拉曼传感器中，所述红外光源为近红外光源、中红外光源、远红外光源、极远红外光源中的任意一种，所述拉曼光源为可见激光。

第二方面，本发明还提供了一种上转换拉曼传感器的应用，将第一方面所述的上转换拉曼传感器应用于病毒检测、化学毒性检测、疾病与癌症临床诊断、药物发现、食品过程控制以及环境监控。

本发明实施例提供了一种上转换拉曼传感器及应用，通过将第一金属纳米颗粒沉积在基底上，当需要对待分析物进行检测时，只需将待分析物固定在第一金属纳米颗粒与第二金属纳米颗粒之间的纳米间隙区域或纳米间隙区域附近，并基于待分析物的分子振动模式，采用拉曼光源、红外光源同时照射待分析物，以检测出待分析物的上转换拉曼信号。本发明实施例提供的上转换拉曼传感器不仅可以实现分子特异性检测，信号稳定，同时还能直接兼容大部分基于传统拉曼分子传感所进行的技术优化，而且相比传统拉曼技术，能有效分离传统拉曼技术常出现的背景噪声，大幅度提高分子信号在光谱和成像方面的灵敏度与信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的标准拉曼光谱与红外吸收光谱重叠后的示意图

图3为传统的拉曼过程中形成的拉曼光谱图；

图4为本发明实施例提供的上转换拉曼光谱图；

图5为本发明实施例提供的金属纳米颗粒在电磁场作用下产生等离激元共振现象的示意图；

图6为本发明实施例提供的待分析物置于纳米间隙区域的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的金属纳米间隙结构在可见波段的共振峰与分子拉曼散射的频率匹配的示意图；

图8为本发明实施例提供的金属纳米间隙结构在中红外波段的共振峰与分子红外吸收的频率匹配的示意图；

图9为本发明实施例提供的实现上转换拉曼过程的示意图；

图10为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的另一结构示意图；

图11为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的另一结构示意图；

图12为本发明实施例提供的检测待分析物的上转换拉曼信号的光路图；

图13为本发明实施例提供的低分辨模式下的上转换拉曼光谱图；

图14为本发明实施例提供的高分辨模式下的上转换拉曼光谱图；

图15为本发明实施例提供的低分辨模式下的上转换拉曼光谱图；

图16为本发明实施例提供的高分辨模式下的上转换拉曼光谱图；

图17为本发明实施例提供的上转换拉曼传感方法的流程示意图；

图18为本发明实施例提供的检测待分析物的上转换拉曼信号的另一光路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和 “包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/ 或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

请参阅图1所示，图1为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的结构示意图。如图1所示，一种上转换拉曼传感器，其包括：

基底110；

第一金属纳米颗粒111，所述第一金属纳米颗粒111沉积在所述基底110上；

第二金属纳米颗粒120，所述金属纳米颗粒可移动以靠近所述第一金属纳米颗粒111；

其中，将待分析物固定在所述第一金属纳米颗粒111与所述第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域或纳米间隙区域附近，并基于所述待分析物的分子振动模式，采用拉曼光源、红外光源同时照射所述待分析物，以检测出所述待分析物的上转换拉曼信号。

本发明实施例提供的上转换拉曼传感器，通过在基底110上沉积第一金属纳米颗粒，当需要对待分析物进行检测时，只需将待分析物吸附在第一金属纳米颗粒111上，并将第二金属纳米颗粒120吸附在待分析物上，以使得待分析物处于第一金属纳米颗粒111与第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙中，同时基于待分析物的分子振动模式，同时采用拉曼光源、红外光源照射待分析物，便可检测出所述待分析物的上转换拉曼信号。

本发明实施例提供的上转换拉曼传感器，在传统拉曼探测技术上，通过添加红外光源，以在待分析物的拉曼光谱的特定振动模式上叠加相同频率的额外信号以形成上转换拉曼信号，其与传统拉曼信号的大部分基本物理属性一致但信号的光谱形状与峰值强度跟随红外光源，进而继承了传统拉曼技术的多种独特优势，进而可实现特异性检测，同时信号稳定，不会淬灭。

具体的，在实现待分析物的上转换拉曼时，需选定待分析物的一种分子振动模式，该模式下的待分析物需同时具有拉曼散射和红外吸收的活性，进而使得红外光源可借助红外吸收过程与选定的分子振动模式偶合，同时通过可见泵浦光激发的拉曼散射过程，以将信号上转换成可见波段的斯托克斯（红外光与拉曼光源的差频过程）与反斯托克斯（红外光与拉曼光源的和频过程）的光。

还可以理解，分子的转换拉曼传感过程可以被看成是一种二阶非线性光学中的和频产生（Sum Frequency Generation，SFG）与差频产生（Difference FrequencyGeneration，DFG）过程，即拉曼光源与红外光源合并成一束更高能量的反斯托克斯拉曼光（SFG，和频过程），或者拉曼光源与红外光源的能量相减以形成一束能量略低的斯托克斯拉曼光（DFG，差频过程）。

需要说明的是，上述和频过程与差频过程并不能在自由空间凭空发生，而要借助待分析物。具体的，红外光源的能量首先需要借助红外吸收过程，使其被待分析物所吸收并转化为分子的振动能，与此同时用拉曼光源照射待分析物，产生拉曼散射过程，使得被转化的分子振动能与拉曼光源发生能量合并（和频）或者相减（差频），从而得到上转换拉曼信号。

在一些实施例中，所述红外光源可以为近红外光源、中红外光源、远红外光源、极远红外光源中的任意一种；所述拉曼光源可以为近红外光源、可见光源中的任意一种。其中，当红外光源、拉曼光源均为近红外光源时，照射在待分析物上的两种近红外光源为两个不同波长的近红外光源；当拉曼光源为可见光源时，拉曼光源可以选择激光光源，激光光源可以为高功率的激光光源，红外光源可以为中红外激光光源。

可以理解，在选择红外光源时，对待分析物进行表征，以得到待分析物的标准拉曼光谱和红外吸收光谱，然后将待分析物的标准拉曼光谱与红外吸收光谱进行重叠，以确定重叠的峰，通过重叠的峰确定待分析物的分子振动模式，从而确定预设的红外激光的波长。

请参阅图2，图2为本发明实施例提供的标准拉曼光谱与红外吸收光谱重叠后的示意图。在图2所示的实施例中，若待分析物为BPT分子（联苯-4-硫醇，CAS号19813-90-2）粉末，则需先测量BPT分子的标准拉曼光谱和红外吸收光谱，然后将BPT分子的标准拉曼光谱与红外吸收光谱进行重叠，BPT分子候选的分子模式为1080cm^-1和1580cm^-1，其中采用1580cm^-1模式时，环境中其他的干扰分子也可能存在同样的碳峰，因此确定BPT分子的分子模式为1080cm^-1，从而便可采用波段为1080cm^-1的红外光源照射基底110的底部，以检测出BPT分子的上转换拉曼信号。

在图2所示的实施例中，若BPT分子候选的分子振动模式优选1080cm^-1，对于第二波长的红外光源，其第二波长可以直接由1080cm^-1进行单位换算以得到第二波长，即第二波长等于9.3微米；而对于分子的传统拉曼散射过程，对应模式R = ±1080 cm^-1的拉曼光波长λ还取决于第一波长λ_L的拉曼光源，换算公式为R/10⁷ =1/λ_L-1/λ。若第一波长λ_L为740纳米，则对应的斯托克斯（Stokes）以及反斯托克斯（Anti-Stokes）拉曼光波长分别为804纳米与685纳米。

在上述实施例中，9.3微米的红外光源与740纳米的拉曼光源合并成一束更高能量、波长为685纳米的反斯托克斯拉曼光（SFG，和频过程），或者740纳米拉曼光源与9.3微米红外光源的能量相减，形成一束能量略低、波长为804纳米的斯托克斯拉曼光（DFG，差频过程）。

请参阅图3和图4，图3为传统的拉曼过程中形成的拉曼光谱图；图4为本发明实施例提供的上转换拉曼光谱图。如图3和图4所示，拉曼光源的波长为780纳米，红外光源的波长为9.3微米，传统的拉曼过程只是分子的热振动与拉曼光源发生能量的相加减以形成拉曼光，即传统拉曼光=入射光±热振动；而在本申请提供的上转换拉曼过程中，分子的振动能级被红外光源所利用，并以此为跳板直接与拉曼光源发生和频过程或差频过程，从而得到上转换拉曼光，即上转换拉曼光=拉曼光源±红外光。

另外，本申请中的上转换拉曼过程与传统拉曼过程在原理上的主要区别在于，传统拉曼过程中分子的振动能级被环境的热能所直接激发（在绝对零度下无此过程），因而不涉及红外吸收过程；而对于上转换拉曼过程，分子的振动通过借助红外吸收过程被红外光源所驱动。同时，如图4所示，待分析物进行上转换拉曼过程时，同步存在传统拉曼过程，即传统拉曼+上转换拉曼=入射光±红外光+入射光±热振动，其中热振动所带来的传统拉曼信号在这里反而成了需要抑制的热噪声。在图4所示的实施例中，基于和频过程和差频过程得到的两种近红外信号光都被称为上转换拉曼，即9.3微米的低能量红外光源被转换到高能量的可见或近红外波段，然而考虑到传感应用中的信噪比以及为了回避低于激光能量的荧光背景，本申请通常只探测比激光能量更高的和频上转换拉曼信号，即拉曼光源+红外光源。

需要说明的是，上述虽然可以在理论上单纯依靠分子可以得到上转换拉曼信号，但上转换效率极低，导致实际信号过于微弱，或者需要极高功率的拉曼光源（如高功率激光）来进行激发。为了解决上述存在的缺陷，本实施例中将待分析物放置于第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域以使之分子耦合，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域能够提供巨大的电磁场增强，从而实现其上转换拉曼信号的大幅度增强。

可以理解，金属纳米颗粒在物理上可以被简化成带负电的自由电子云与带正电的原子实的组合。如图5所示，当入射光照射到颗粒上时，电磁波会周期性地驱动电子云发生集体震荡，此过程中光能与电子能发生相互作用，使得电磁场的能量被束缚在金属表面若干纳米的区域，此现象被称为表面等离激元共振现象。借助于表面等离激元共振现象，遍布自由空间的入射电磁波能量被压缩到只有几个纳米的高局域光场中，从而使其电磁场强度相对于入射光大幅度增强，从而产生等离激元共振结构的光局域与场增强效应；当两颗金属纳米颗粒靠近在一起时，两者的等离激元共振模式则会发生杂化耦合，使得绝大部分电磁场的能量都被集中在间隙区域，且间隙距离越小，电磁场能量也就越集中，能量也就越强。

需要说明的是，待分析物可通过单个金属纳米颗粒以实现上转换拉曼信号的检测，也可以通过两个或两个以上的金属纳米颗粒以实现上转换拉曼信号的检测，在单个金属纳米颗粒或多个金属纳米颗粒所构成的金属纳米结构中，两个金属纳米颗粒之间形成的纳米间隙结构所提供的电磁场局域度与增强往往最强，即为本申请的优选结构。请参阅图6，将待分析物置入电磁场增强最大的区域中（即纳米间隙区域），分子的各种光学过程可以被大幅度增强。

另外，待分析物还可放置于第一金属纳米颗粒、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域附近，并采用第一波长的拉曼光源、第二波长的红外光源同时照射待分析物后，同样也可以检测出待分析物的上转换拉曼信号。需要说明的是，当待分析物放置于第一金属纳米颗粒、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域的附近时，待分析物与纳米间隙区域之间的间距可以根据实际应用进行选择，本实施例中不做具体限定。

在具体实施过程中，如图7和图8所示，若待分析物为BPT分子，其分子振动模式为1080cm^-1，红外光源的波长为9.3微米，拉曼光源的波长为740纳米，上转换拉曼散射的波长为685纳米，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域中具备表面等离激元共振响应，在分别覆盖这两个波长的同时，还增强这两个过程，从而实现频率上的匹配。

另外，等离激元共振与分子的光学过程还需要在空间矢量上相匹配。请参阅图9，对于固定不动的分子，只有特定方向的电磁场才能有效激发其红外吸收与拉曼散射过程，在这里分别被简化成为红外吸收偶极子与拉曼偶极子过程。其中，偶极子为分隔一段距离的两个正负相反电荷。同时，为了有效实现分子的信号放大，不仅要将分子置入电磁场最强的纳米间隙区域，同时分子的红外吸收与拉曼偶极子的朝向还要与纳米间隙的局域电磁场方向保持一致。若电磁场方向与偶极子相互垂直，则无法激发分子的红外吸收与拉曼过程，或者导致激发效率较低。与此同时，由于上转换拉曼所需要的红外吸收与拉曼散射过程均发生在同一个（区域的）分子上，故金属纳米结构在红外与可见波段的两个等离激元共振模式就相应的需要在空间上相互重合。

由此可以理解，实现高效上转换拉曼过程的几个必要条件与技术要点具体可以为：

（1）金属纳米结构在红外以及可见波段的局域电磁场模式在空间上有相互重叠的区域，且分子处于该重叠区域；

（2）分子的红外吸收偶极子与红外电磁场模式在频率上匹配，且两者的朝向保持大体一致；

（3）分子的拉曼偶极子与可见电磁场模式在频率上匹配，且两者的朝向保持大体一致。

在一些实施例中，所述基底110为BaF₂、CaF₂、KBr、金刚石、锗片、硫化锌、硅片中的一种或多种；所述基底110的厚度为100-400微米，所述基底110双面抛光。其中，在进行基底110选择时，需选择双面均进行抛光了基底110，基底110进行双面抛光主要时为了保证红外光可以穿透基底110的背面，以照射到基底110正面上的结构。本实施例中的基底110优选硅片，硅片的厚度一般在350微米左右，该硅片对波长9.3微米红外光的透射率为30%。

需要说明是，上述实施例选择的硅片在尺寸没有具体的限制，其可根据实际应用进行选择。本实施例提供的硅片为了兼容现有的微加工技术，一般默认选用4英寸的硅片。

在一些实施例中，所述第一金属纳米颗粒111为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中的一种或多种；所述第二金属纳米颗粒120为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中的一种或多种。其中，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120可以为相同的金属纳米颗粒，也可以为不相同的金属纳米颗粒。

需要说明的是，本实施例中第一金属纳米颗粒、第二金属纳米颗粒的直径均为10-1000纳米；第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120不仅仅局限于金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒，还包括其他可大幅度减少光损失的材料。

可以理解，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120之间可以构建不同的金属纳米结构以实现待分析物置于金属纳米间隙中，如金属纳米颗粒-金属纳米凹槽、金属纳米颗粒-金属纳米线、金属纳米蝴蝶结-微米蝴蝶结、金属纳米颗粒-分子-金属微米圆盘、金属纳米颗粒密排—金膜等构型。

在一些实施例中，请参阅图10，图10为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的另一结构示意图。

如图10所示，一种上转换拉曼传感器，其包括：基底110，所述基底110上设有若干个具有金属内壁131的凹槽130；第二金属纳米颗粒120，所述第二金属纳米颗粒120可移动以填充所述凹槽130。其中，所述第一金属纳米颗粒111在所述基底上沉积，以在所述基底110上形成若干个凹槽。同时凹槽的内壁裸露着第一金属纳米颗粒111，基底110的表面并不裸露所述第一金属纳米颗粒111。

在图10所示实施例中，通过在基底110上设置具有金属内壁131的多个凹槽130，当需要对待分析物进行检测时，只需将待分析物吸附在金属内壁131上，并采用第二金属纳米颗粒120填充凹槽130，以使得待分析物固定在第二金属纳米颗粒120与凹槽130之间，同时采用可见激光照射待分析物，并基于待分析物的分子振动模式，采用预设的红外激光照射所述基底110的底部，便可检测出所述待分析物的上转换拉曼信号。

在一些具体实施例中，请参阅图11，图11为本发明实施例提供的上转换拉曼传感器的另一结构示意图。

如图11所示，基底110上依次沉积有金属连接层140、第一金属层150、第二金属层160，金属连接层140、第一金属层150、第二金属层160沉积在基底110上后，进行曝光和刻蚀，从而在基底110上形成凹槽130。具体的，采用电子束蒸发或磁控溅射技术将金属连接层140、第一金属层150、第二金属层160沉积在基底110上。其中，第一金属层由第一金属纳米颗粒111在基底110上沉积形成，金属连接层140、第一金属层150、第二金属层160沉积的速度应在0.1-2nm/s的范围内，沉积完成后，样品表面在10平方微米范围内粗糙度的均方根应该保持在10nm以内，样品表面过于粗糙影响光学性能。

在一些实施例中，金属连接层140的材料可以为铬或铝，铬可以作为标准的连接材料，且在基底110上沉积的厚度在0.5-2纳米之间，过厚的铬会显著降低第一金属层150的等离激元共振性能。

在一些实施例中，基底110上依次沉积有金属连接层140、第一金属层150、第二金属层160后，采用电子束曝光将阵列凹槽130的图案写入至基底110上。具体的，在进行图案写入前，需将样品放置在高温（例如180℃）条件下进行烘烤2-5min，以去除吸附在表面的水分，再静置1-3min以使得样品处于室温，然后将1-3mL的PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）溶液（分子量950K，稀释度A4，公司MircoChem）旋涂于样品表面，旋涂速度为1500-2500rpm，并保持1-2min，旋涂完成后置于高温（例如180℃）条件下进行烘烤5min，静置至室温，最后放入电子束曝光设备中并采用预先设计好的图案进行曝光，便可再基底110上完成阵列凹槽130的图案写入。

在本实施例中，图案曝光的空间分辨率为5-30nm，优选20nm（即将几何图案变换为20nm的方形像素元），电子束的电压为50-100kv（优选100kv，）、电流为60-80nA（优选70nA）、曝光剂量为1000-2000µC/cm²（优选1500µC/cm²），电子束曝光完成后，需将样品浸入显影液中1-3min（优选2min），并清洗显影液并采用氮气吹干。其中，显影液由甲基异丁基酮、异丙醇混合而成，甲基异丁基酮、异丙醇的比例优选1：3。

在一些实施例中，基底110进行曝光显影后，可采用氩离子刻蚀技术进行刻蚀，以在基底110上形成阵列凹槽130。其中，刻蚀的电压、电流以及刻蚀时间取决于第一金属层150的厚度，刻蚀角度为-10°（样品表面与氩离子束的方向成-10°+90°=80°）。基底110在进行刻蚀的过程中以5-15rpm（优选10 rpm）的速度保持自转，刻蚀完成后，需去除基底110表面的PMMA，具体将基底110浸入丙酮中并进行超声（例如30min）处理，超声处理完成后再次放入刻蚀设备中，保持功率不变，并将刻蚀角度设为-70°进行刻蚀，刻蚀完成后，置于氧等离子体环境中进行表面氧化处理（例如10min），最大功率不超过400w，进而使得金属连接层140、第二金属层160的表面均被氧化成金属氧化层，凹槽130内壁仅仅只有第一金属层150暴露在外界，且处于未有强吸附分子附着的状态。

可以理解，本实施例提供的第一金属层150由第一金属纳米颗粒在基底上沉积形成，第一金属纳米颗粒优选金纳米颗粒，第一金属层150的厚度优选30-200nm，低于30nm的厚度会导致器件的光学性能下降，而高于200nm会显著提高成本，同时还会产生光学干涉、透射率下降等副作用。金属连接层140的材料优选铝，其主要缘由是铝对金的光学性能影响更小，其厚度优选1-2nm。

在一些实施例中，第二金属层160的材料可以采用铝或能在氧等离子体环境中氧化的金属材料，本实施例中第二金属层160的材料优选铝，当基底110完成曝光、刻蚀以及氧化后，第二金属层160的表面均被氧化铝，由于氧化铝的亲水性优于金，因此形成凹槽130后的基底110可兼容后续的第二金属纳米颗粒120的组装应用。另外，若需要疏水表面，可将硅烷分子吸附在氧化铝表面，以形成疏水表面。

在上述实施例中，若采用氩离子刻蚀技术进行刻蚀，第一金属层150的厚度优选150nm，刻蚀的电压优选300 V，电流优选500 mA，第一次刻蚀时间优选240s，第二次刻蚀的时间优选30s。

在一些实施例中，所述凹槽130为矩形凹槽，所述凹槽130的长边为1-5微米，短边为40-500纳米，所述第二金属纳米颗粒120的直径为40-500纳米，所述凹槽130在所述基底110上呈阵列排布，两个长边相邻的所述凹槽130之间的间距为1-4微米，优选2微米，两个短边相邻的所述凹槽130之间的间距为1-4微米，优选2微米。其中凹槽130的长边优选2微米，凹槽130的长边决定红外共振波长，其对应的等离激元共振峰在9.3微米左右，与1080cm^-1分子模式相匹配，凹槽130的短边优选150nm，第二金属纳米颗粒120的直径优选150nm，其中，短边长度不应小于10nm或者第一金属层150厚度的五分之一。

在一些实施例中，所述凹槽130的内壁裸露有第一金属纳米颗粒。具体的，当待分析物固定在第二金属纳米颗粒120和凹槽130的内壁之间时，第二金属纳米颗粒120和凹槽130的内壁间的间隙区域会产生巨大的电磁场增强，其恰号与待分析物的分子在空间中重合，进而使得待分析物的红外吸收和拉曼散射的两个过程均被共振增强。同时，当第二金属纳米颗粒120与填充在凹槽130内时，才能同时在红外以及可见波段形成具有足够电磁场增强的共振模式。

可以理解，两个电磁场共振模式需要在空间中重叠，并且同时要与分子在空间中重叠，即分子—红外共振模式—可见共振模式三者的空间重合。其中，基底110上的若干个凹槽130既可以为阵列排布结构，也可以为其他结构，只需满足上述条件便可。

在一些实施例中，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120均修饰有配体，所述第二金属纳米颗粒120通过所述配体将所述待分析物固定在所述金属纳米颗粒120与所述凹槽130之间，即待分析物位于第一金属纳米颗粒111与第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域中。其中，第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120在化学合成出来时表面已自带配体，该配体可以为柠檬酸钠。

在一些实施例中，待分析物可以为BPT分子，第二金属层160的材料可以为金，可将多个批次的凹槽130样品放入具有不同浓度的BPT分子溶液1-3h，优选2h，由于BPT分子的巯基基团和金原子会有强烈的结合作用，因此BPT分子会自动在纳米凹槽130表面自主装成单层分子，最后拿出样品，用乙醇清洗，用氮气吹干备用。

具体的，上述实施例中的BPT分子吸附在凹槽130上时，可将第二金属纳米颗粒120配制成溶液，并滴在不同浓度的BPT分子的样品上，静置1-30min（优选10min）后，清洗样品，此时第二金属纳米颗粒120填充凹槽130结构，进而使得BPT分子被夹在颗粒与凹槽130之间，从而具有较强的电磁场增强效果。另外，还可采用更复杂但更可靠的毛细力自主装技术，以完成第二金属纳米颗粒120填充凹槽130结构，其实施方式可根据具体情况进行改动，本实施例中不做具体限定。

上述实施例中配制第二金属纳米颗粒120溶液的过程可以为：根据凹槽130的尺寸准备第二金属纳米颗粒120，将第二金属纳米颗粒120分散在溶剂中，第二金属纳米颗粒120溶液的浓度可以为OD1（OD，光学密度，OD1这里代表520nm的光穿过溶液1cm后光强衰减到10%），溶剂可以为去离子水、乙醇、1X PBS（磷酸缓冲盐溶液）、1X TBS（三乙醇胺缓冲盐水溶液）等常用化学或生物传感用溶剂。

在一些实施例中，若涉及到特定的化学分子或者生物蛋白检测，需在第一金属层150的表面修饰特殊配体或抗体，进而使得凹槽130内壁的表面能够抓取待分析物。

在一些实施例中，如图12所示，待分析物固定在第二金属纳米颗粒120与凹槽130之间后，将样品放置在显微镜的样品台下，可选用785纳米波长的可见激光，通过反射片220反射至物镜210中，并通过物镜210汇聚到纳米颗粒所在的位置，同时通过物镜210收集散射信号，并且通过一系列光学元件将光信号导入到光谱仪得到拉曼光谱，同时，可将波段为1080 cm^-1的红外激光通过另一个物镜汇聚到样品的背面，同时红外光斑要与可见光斑在空间上重叠，此时便可生成上转换拉曼光谱。如图13-图16所示，若光谱仪处于低分辨模式（>1nm），则通过观察上转换拉曼光谱的强度来分析便可判定待分析物的信息；若将光谱仪切换成高分辨率模式（<1nm，优选<0.1nm），则可以通过观察尖峰的峰型信息，进一步提高判定待分析物的灵敏度以及特异识别度。另外，若待分析物的浓度过低导致信号弱，则可以通过增加红外激光的功率来放大信号。

本发明实施例还提供了一种上转换拉曼传感方法，如图17所示，该方法包括：

S101、根据待分析物的标准拉曼光谱、红外吸收光谱选取第一波长的拉曼光源以及第二波长的红外光源；

S102、将所述待分析物放置于第一金属纳米颗粒111、第二金属纳米颗粒120之间的纳米间隙区域；

S103、采用所述第一波长的拉曼光源、所述第二波长的红外光源同时照射所述待分析物，以检测出所述待分析物的上转换拉曼信号。

可以理解，本发明实施例提供的上转换拉曼传感方法并不仅仅局限于在基底110的顶部射入拉曼光源，同时在基底110的底部射入红外光光源，以实现对待分析物的上转换拉曼信号的检测，还可采用如图18所示的方法，在基底110的上表面同时射入红外光源、拉曼光源以实现对待分析物的上转换拉曼信号的检测。

在图18所示的光路图中，拉曼光源采用可见激光，红外光源采用中红外激光，可见激光通过陷波滤光片230射入至基底110上方的物镜中，同时中红外激光通过中红外二向色镜240射入基底110上方的物镜210中，从而实现在基底110的上方同时照射纳米间隙中的待分析物，此时红外光斑要与可见光斑在空间上重叠，从而实现对待分析物的上转换拉曼信号的检测。其中，陷波滤光片230仅反射激光，透过其他波长，中红外二向色镜240反射红外激光，但对可见光透明，物镜210可以选择反射式物镜，也可以选择中红外透射式物镜。

本发明所采用的上转换拉曼传感技术虽然与传统拉曼传感技术在物理原理上虽然有些不同，但本发明提供的上转换拉曼传感技术能直接兼容大部分基于传统拉曼分子传感所进行的技术优化，其包括：信号放大技术，例如将待分析物与具有等离激元共振的金属纳米机构相结合，实现拉曼信号指数级放大的表面增强拉曼光谱技术，同时还可在此基础上优化表面增强拉曼基底110的制备技术，即对光学共振以及天线效应的优化设计。另外，还可实现分子探测所必需的分子扩散与基底110吸附技术。

另外，本发明实施例提供的上转换拉曼传感技术，相比传统拉曼传感技术具有更高的探测灵敏度。传统拉曼传感技术往往需要采用信号放大技术才能获取足够的灵敏度，即将待分析物与具有等离激元共振的金属纳米结构相结合以实现拉曼信号指数级放大。而本发明实施例提供的上转换拉曼传感技术，不仅能完整的继承表面增强拉曼光谱技术的特点，而且在此基础上生成的上转换拉曼信号还与红外激光的功率成正比，因此只需提高红外激光的功率，便可进一步的提高信号的强度，进而实现探测灵敏度的大幅度提升。

本发明实施例提供的上转换拉曼传感技术，结合高分辨率光谱仪，其生成的拉曼光谱相比传统拉曼光谱具有更高的信噪比，其在低分辨率光谱环境下，上转换拉曼信号比传统拉曼信号更强，其在高分辨率光谱下进行相同测量时，生成的上转换拉曼信号相比低分辨模式的上转换拉曼信号的信噪比可进一步放大数倍。由于上转换拉曼峰的真实峰宽和红外入射光源保持一致，都远远小于常规拉曼光谱仪的分辨，上转换拉曼信号在低分辨率光谱中的信号变得矮而宽，而在高分辨光谱中的信号高而窄，两种情况的光谱几何面积大小不变。因此，进一步提高光谱分辨率可以进一步提高信号的强度，同时上转换拉曼信号下方的宽背景噪声占据整个光谱的强度比例则相对减少，从而得到更高的信噪比。

可以理解，本发明实施例提供的上转换拉曼传感技术，结合高分辨率光谱仪生成的拉曼光谱相比传统拉曼光谱具有更高的信噪比，故该技术特别适合在高荧光背景和多干扰分子的复杂探测环境（如细胞内）中，实现待测分子的特异性传感（只用盯住峰宽窄得多的上转换信号）。此外，由于不同的待测分子具有不同的特征上转换振动模式，因此将多种不同波长的红外光源联合使用，则可以实现高信噪比、多分子、多指标的分子传感。

另外，本发明实施例提供的上转换拉曼传感技术，具有比传统拉曼更大的成像传感应用潜力。由于上转换拉曼信号为窄波段信号，故可在光谱上有效的隔离其他的背景信号，同时配合窄带滤光片，进而可以得到比传统拉曼传感更高信噪比的拉曼成像。

本发明实施例还提供了一种上转换拉曼传感器的应用，将第一方面所述的上转换拉曼传感器应用于病毒检测、化学毒性检测、疾病与癌症临床诊断、药物发现、食品过程控制以及环境监控。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种上转换拉曼传感器，其特征在于，包括：

基底；

其中，将待分析物固定在所述第一金属纳米颗粒与所述第二金属纳米颗粒之间的纳米间隙区域或所述纳米间隙区域附近，并基于所述待分析物的分子振动模式，采用第一波长的拉曼光源、第二波长的红外光源同时照射所述待分析物，以检测出所述待分析物的上转换拉曼信号，实现病毒检测、化学毒性检测、药物发现、食品过程控制以及环境监控；

其中，所述分子振动模式通过将所述待分析物的标准拉曼光谱、红外吸收光谱进行重叠后的重叠峰确定，所述第二波长的红外光源通过对所述分子振动模式进行单位换算确定，同时选取近红外光源、可见光源中的第一波长的拉曼光源，并根据换算公式R/10⁷ =1/λ_L-1/λ确定上转换后的斯托克斯以及反斯托克斯拉曼光波长，其中，R为分子振动模式，λ_L为第一波长，λ为上转换后的斯托克斯或反斯托克斯拉曼光波长。

2.根据权利要求1所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述第一金属纳米颗粒在所述基底上沉积，以在所述基底上形成若干个凹槽。

3.根据权利要求2所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，依次在所述基底上沉积金属连接层、所述第一金属纳米颗粒、第二金属层，并进行曝光和刻蚀，以在所述基底上形成所述凹槽。

4.根据权利要求2所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述凹槽为矩形凹槽，所述凹槽的长边为1-5微米，短边为10-1000纳米。

5.根据权利要求4所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述凹槽在所述基底上呈阵列排布，两个长边相邻的所述凹槽之间的间距大于0.5微米，两个短边相邻的所述凹槽之间的间距大于0.5微米。

6.根据权利要求1所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述第一金属纳米颗粒、所述第二金属纳米颗粒的直径均为10-1000纳米。

7.根据权利要求1所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述第一金属纳米颗粒、所述第二金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒、铝纳米颗粒中的一种或多种。

8.根据权利要求1所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述第一金属纳米颗粒、第二金属纳米颗粒均修饰有配体，所述待分析物通过所述配体固定在所述纳米间隙区域。

9.根据权利要求1所述的上转换拉曼传感器，其特征在于，所述红外光源为近红外光源、中红外光源、远红外光源、极远红外光源中的任意一种。