三維微納結(jié)構(gòu)、檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及微納加工及微納結(jié)構(gòu)，更具體地，涉及一種三維微納結(jié)構(gòu)、檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)光線入射到由貴金屬等構(gòu)成的(納米)顆粒或結(jié)構(gòu)上時(shí)，如果入射光子頻率與顆?；蚪Y(jié)構(gòu)傳導(dǎo)電子的整體振動(dòng)頻率相匹配，那么顆粒或結(jié)構(gòu)會(huì)對(duì)光子能量產(chǎn)生很強(qiáng)的吸收作用，于是發(fā)生局域表面等離子共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)現(xiàn)象。
[0003]金、銀、鉬等貴金屬顆?；蚪Y(jié)構(gòu)可以在紫外可見光波段展現(xiàn)出很強(qiáng)的光譜吸收，從而可以獲得LSPR光譜。該吸收光譜峰值處的吸收波長及強(qiáng)度取決于材料的微觀結(jié)構(gòu)特性，例如組成、形狀、結(jié)構(gòu)、尺寸等。同時(shí)，LSPR吸收譜還對(duì)顆?；蚪Y(jié)構(gòu)周圍的介質(zhì)極其敏感，因此可以作為基于光學(xué)信號(hào)的傳感器如化學(xué)傳感器和生物傳感器。
[0004]具體地，可以將金、銀等顆?；蚪Y(jié)構(gòu)懸浮于液體介質(zhì)，或固定在一個(gè)固體表面上。當(dāng)有生物分子等吸附在顆?；蚪Y(jié)構(gòu)表面時(shí)，該顆?；蚪Y(jié)構(gòu)的LSPR吸收峰的波長和/或強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生改變。通過測(cè)量經(jīng)過顆?；蚪Y(jié)構(gòu)的反射或者透射光譜，檢測(cè)LSPR吸收峰的變化情況，從而可以檢測(cè)被吸附的分子?；贚SPR的生物、化學(xué)傳感器可以做到無需標(biāo)記，實(shí)時(shí)、高靈敏度的檢測(cè)，可以廣泛用于藥物研究、生物檢測(cè)等方面。
[0005]另外，光的散射可以看作是光子與物質(zhì)碰撞后運(yùn)動(dòng)方向的改變。如果發(fā)生的是非彈性碰撞，即光子不僅發(fā)生了運(yùn)動(dòng)方向的改變，而且在碰撞過程中有能量交換，這種散射即為拉曼散射(Raman Scattering)。例如，對(duì)光滑銀電極表面進(jìn)行粗糙化處理后，可獲得吸附在銀電極表面上單分子層吡啶分子的高質(zhì)量的拉曼光譜。吸附在粗糙銀表面上的每個(gè)吡啶分子的拉曼散射信號(hào)與溶液相中的吡啶的拉曼散射信號(hào)相比，可以增強(qiáng)約6個(gè)數(shù)量級(jí)(即一百萬倍)。這是一種與粗糙表面相關(guān)的表面增強(qiáng)效應(yīng)，被稱為表面增強(qiáng)拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)效應(yīng)。
[0006]—種SERS的電磁增強(qiáng)機(jī)理認(rèn)為，金屬表面的粗糙化有利于電磁波在金屬表面激發(fā)LSPR，使得金屬表面的電場(chǎng)強(qiáng)度大大提高。這樣，靠近金屬表面的分子受到大大增強(qiáng)了的電場(chǎng)激發(fā)而產(chǎn)生了強(qiáng)拉曼散射。電磁增強(qiáng)機(jī)理是一種長程作用，它可以影響到距離金屬表面約幾百埃(10 米)的范圍，這種作用的增強(qiáng)因子為約104-106，與吸附分子關(guān)系不大。
[0007]SERS活性的表面往往能產(chǎn)生被增強(qiáng)的局域電場(chǎng)，是金屬表面等離子共振振蕩引起的，這被稱為物理增強(qiáng)。SERS技術(shù)克服了傳統(tǒng)拉曼光譜與生俱來的信號(hào)微弱的缺點(diǎn)，可以使得拉曼強(qiáng)度增大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。其增強(qiáng)因子可以高達(dá)1014-1015倍，以致探測(cè)到單個(gè)分子的拉曼信號(hào)。SERS可以用于痕量材料分析、流式細(xì)胞術(shù)以及其它一些應(yīng)用。
[0008]拉曼增強(qiáng)需要具有微納尺度(例如，納米尺度)的粗糙金屬表面作為基底，吸附在這種表面上的分子將會(huì)產(chǎn)生SERS效應(yīng)。
[0009]常規(guī)技術(shù)中，為實(shí)現(xiàn)LSPR或SERS，一般是在二維平面襯底上，通過納米加工技術(shù)，加工一層金屬納米結(jié)構(gòu)或沉積一層納米膠體顆粒。由于單層的納米結(jié)構(gòu)或納米膠體顆粒產(chǎn)生的LSPR或SERS信號(hào)較弱，導(dǎo)致檢測(cè)的靈敏度不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本公開的目的至少部分地在于提供一種三維微納結(jié)構(gòu)、檢測(cè)裝置和檢測(cè)方法，以例如增強(qiáng)LSPR和/或SERS的靈敏度。
[0011]根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了一種三維結(jié)構(gòu)，包括:襯底；在襯底上形成的單元結(jié)構(gòu)的陣列；以及設(shè)于陣列中至少一部分單元結(jié)構(gòu)的表面上的微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒。
[0012]根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種檢測(cè)裝置，包括上述三維結(jié)構(gòu)。
[0013]根據(jù)本公開的再一方面，提供了一種對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法，包括:使樣品流經(jīng)表面被結(jié)構(gòu)化從而具有增強(qiáng)表面積的裝置，所述結(jié)構(gòu)化的表面上設(shè)有微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒；針對(duì)所述裝置探測(cè)局域表面等離子共振(LSPR)光譜和/或表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)光
-1'TfeP曰。
[0014]根據(jù)本公開的實(shí)施例，由于單元結(jié)構(gòu)陣列或結(jié)構(gòu)化表面的存在，可以增加微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒，從而可以增強(qiáng)LSPR和/或SERS的靈敏度。
【附圖說明】
[0015]通過以下參照附圖對(duì)本公開實(shí)施例的描述，本公開的上述以及其他目的、特征和優(yōu)點(diǎn)將更為清楚，在附圖中:
[0016]圖1是示意性示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)的配置的透視圖；
[0017]圖2中(a)和2(b)示出了示例陣列的顯微照片；以及
[0018]圖3是示意性示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的檢測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下，將參照附圖來描述本公開的實(shí)施例。但是應(yīng)該理解，這些描述只是示例性的，而并非要限制本公開的范圍。此外，在以下說明中，省略了對(duì)公知結(jié)構(gòu)和技術(shù)的描述，以避免不必要地混淆本公開的概念。
[0020]在附圖中示出了根據(jù)本公開實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達(dá)的目的，放大了某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種區(qū)域、層的形狀以及它們之間的相對(duì)大小、位置關(guān)系僅是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)限制而有所偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計(jì)具有不同形狀、大小、相對(duì)位置的區(qū)域/層。
[0021]在本公開的上下文中，當(dāng)將一層/元件稱作位于另一層/元件“上”時(shí)，該層/元件可以直接位于該另一層/元件上，或者它們之間可以存在居中層/元件。另外，如果在一種朝向中一層/元件位于另一層/元件“上”，那么當(dāng)調(diào)轉(zhuǎn)朝向時(shí)，該層/元件可以位于該另一層/元件“下”。
[0022]根據(jù)本公開的實(shí)施例，提供了一種三維結(jié)構(gòu)。該三維結(jié)構(gòu)可以包括在結(jié)構(gòu)化的表面上設(shè)置的微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒。例如，這種微納結(jié)構(gòu)和/或顆?？梢詫?shí)現(xiàn)局域表面等離子共振(LSPR)和表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)中至少之一，并可以吸附某些物質(zhì)(如，分子)，從而可以據(jù)LSPR和/或SERS光譜來檢測(cè)所吸附的物質(zhì)。相比于平坦表面，這種結(jié)構(gòu)化表面可以提供增大的表面積，且因此可以增大物質(zhì)被吸附的概率，從而可以增強(qiáng)LSPR和/或SERS。
[0023]這種結(jié)構(gòu)化的表面可以通過襯底上形成的單元(微)結(jié)構(gòu)的陣列來提供。相對(duì)于襯底上相同面積但并未設(shè)置結(jié)構(gòu)陣列的區(qū)域，設(shè)置這種結(jié)構(gòu)陣列導(dǎo)致增大的表面積(由于單元結(jié)構(gòu)的表面例如頂面和側(cè)面的面積)。這樣的單元結(jié)構(gòu)例如可以包括(微)柱體等。
[0024]微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒可以由金屬材料，例如貴金屬如金、銀等制造。微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒可以均勻分布在單元結(jié)構(gòu)的表面上。
[0025]這里需要指出的是，在本說明書中，所謂“微”(例如，微流體通道、微結(jié)構(gòu)、微柱體等)是指能夠通過微加工(Microfabricat1n或microprocessing)工藝獲得的尺度，例如微米、亞微米，乃至更小尺寸如納米。類似地，所謂“微納”，是指微米、亞微米或納米的尺度。
[0026]根據(jù)本公開的實(shí)施例，該三維微納結(jié)構(gòu)還可以包括設(shè)于襯底上的通道，如微流體通道(Microfluidic Channel)。例如，通道可以包括通過在襯底上開槽而形成的嵌入于襯底中的通道。流體可以沿該通道流動(dòng)。例如，通道的尺寸可以設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象，從而流體可以通過毛細(xì)現(xiàn)象而無需其他外力沿通道流動(dòng)。
[0027]毛細(xì)(capillary)現(xiàn)象，又稱毛細(xì)管作用，是指液體在細(xì)管狀物體內(nèi)側(cè)，由于內(nèi)聚力和附著力的差異，克服自身重力而上升的現(xiàn)象。當(dāng)液體和固體(管壁)之間的附著力大于液體本身內(nèi)聚力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。液體在垂直的細(xì)管中時(shí)液面呈凹或凸?fàn)?，以及多孔材質(zhì)物體能吸收液體皆為毛細(xì)現(xiàn)象所造成的影響。
[0028]單元結(jié)構(gòu)的陣列可以設(shè)于通道中。這樣，該陣列可以增強(qiáng)通道中的毛細(xì)現(xiàn)象。陣列中的單元結(jié)構(gòu)可以高度有序設(shè)置，例如按行和列規(guī)則排列。
[0029]根據(jù)本公開的實(shí)施例，還提供了一種檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置可以包括上述三維微納結(jié)構(gòu)。
[0030]根據(jù)本公開的實(shí)施例，還提供了一種對(duì)樣品進(jìn)行檢測(cè)的方法。該方法可以包括使樣品流經(jīng)表面被結(jié)構(gòu)化從而具有增強(qiáng)表面積且在結(jié)構(gòu)化的表面上可以設(shè)有微納結(jié)構(gòu)和/或顆粒的裝置，以及針對(duì)該裝置探測(cè)LSPR光譜和SERS光譜中至少之一。
[0031]本公開的技術(shù)可以多種形式來呈現(xiàn)，以下將描述其中一些示例。
[0032]圖1是示