基于硅基微納結構襯底的光操控-表面增強拉曼光譜方法研究

張 旭， 辛 坤， 史曉鳳， 馬 君

中國海洋大學青島市光學光電子重點實驗室， 山東 青島 266100

引 言

表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering， SERS)是一種與粗糙金屬材料(如金、 銀等)相關的表面增強效應， 可使拉曼信號最高增強約1014～1015倍。 表面增強拉曼光譜靈敏度高、 信息含量豐富， 作為一種獨立的檢測手段已被用于生物[1]、 化學[2]和食品[3]等各方面的檢測中。 由于SERS增強基底的制備是實現高靈敏度探測的關鍵因素， 因此研制具有高靈敏度、 高穩定性以及易制備的SERS活性基底一直是SERS領域研究的熱點之一。 目前常見的SERS基底有： 溶液中的金屬納米粒子[4]、 化學刻蝕和化學沉積的活性基底[5]等。

利用光操控技術制備金屬納米粒子聚集體是SERS領域研究的熱點， 2009年， Tong等[6]實現了光捕獲的吸附在微流體通道內金納米粒子聚集體上的5×10-2mol·L-1的苯硫酚(TP)和2-萘硫醇(2-NT)的探測。 2012年Lin等[7]報道了一種特殊的捕獲銀納米粒子的實驗裝置， 研究了光子晶體腔對銀納米粒子的捕獲作用， 檢測到1.0×10-8mol·L-1的PMA。 2016年， Wu等[8]將駐波光阱和拉曼技術結合， 利用駐波拉曼光鑷在光阱中捕獲80 nm金納米粒子簇， 并探測到了2.5×10-6mol·L-1羅丹明B的信號。 2017年， Spadaro等[9]研究了等離子體硅-金復合結構的光學捕獲效應及其在拉曼光鑷中作為SERS探針的應用， 研究發現多孔硅殼內壁嵌入金納米球的復合結構能夠增強光捕獲效率。

目前， 基于光操控的SERS技術主要是利用光梯度力作用捕獲金屬納米顆粒， 該方法可以監測捕獲的粒子數， 提高SERS檢測靈敏度。 但僅基于光梯度力捕獲金屬納米粒子捕獲率低， 且需要捕獲光和激發光兩束激光， 實驗裝置復雜。……