專利名稱：用于長波長sers的顆粒和方法
技術(shù)領域：
本申請涉及表面增強拉曼光譜方法和顆粒，并且更具體地涉及增強長波長處的拉曼散射的顆粒。
背景技術(shù)：
當光被引導到分子上時，絕大多數(shù)的入射光子在頻率不改變的情況下被彈性地散射。這稱為瑞利散射。但是，某些入射光子(大約每IO7個入射光子中的一個)的能量被耦合到分子鍵的不同振動模式中。這樣的耦合使得某些入射光以不同于入射光的范圍的頻 率范圍被分子非彈性地散射。這稱為拉曼效應。通過繪制這樣的非彈性地散射的光的頻率與其強度的關系圖，獲得正在被觀測的分子或材料的唯一拉曼光譜。對未知樣品的拉曼光譜的分析可以得到關于該樣品的分子成分的信息。通過將(一個或多個)拉曼活性分子或材料與某些類型的納米結(jié)構(gòu)金屬表面非常緊密靠近(例如<20人)，可以顯著地提高拉曼散射的輻射的強度。例如，吸附到粗糙的金、銀或銅或其它自由電子金屬表面的分子的拉曼強度可以提高百萬倍。稱為表面增強拉曼散射和另一種表面增強拉曼光譜(在兩種情況中均稱為SERS)的這種效應可以在電介質(zhì)基底上使用金屬膜、金屬膠體顆粒，以及在各種其它納米級、中型、微觀或宏觀表面上使用有序或無序的金屬顆粒陣列來觀測到。發(fā)生SERS或類似的表面增強光譜(SES)現(xiàn)象的機制被理解了，并且被認為是由于電磁(例如局部場)和化學(例如電荷轉(zhuǎn)移)效應的組合而導致的。代表性的SES技術(shù)包括但不限于表面增強拉曼光譜(SERS)和表面增強共振拉曼光譜(SERRS)。在SERS或SERRS中，金屬或其它增強表面將電磁地稱合到入射電磁福射并產(chǎn)生局部放大的電磁場，該局部放大的電磁場導致位于增強表面上或靠近增強表面的SERS活性分子的拉曼散射增大IO2到IO9倍或更大。如上所述，在用入射光照射分子時發(fā)生拉曼散射。典型地，該入射光源是單色激光。對于拉曼光譜，對入射激光波長的正確選擇會是重要的考慮事項。例如，很多樣品，特別是那些具有有機或生物性質(zhì)的樣品，將是(或包含)熒光物種。使用綠色(532nm)激光激勵這些樣品可以促進熒光，這將使得任何潛在的拉曼光譜陷入不再能被檢測到的程度。因此，諸如SERS和SERRS的拉曼光譜技術(shù)的特征經(jīng)常在于使用光譜中的紅色(例如，633nm)或近紅外(NIR)(例如，785nm或1064nm)部分的激光。由于這些源具有比綠色或更短波長源稍低的光子能量，因此紅色或NIR激光不會促進產(chǎn)生熒光的電子躍遷，從而導致更易于檢測的拉曼散射。不幸地，隨著入射波長從綠色增加到紅色或NIR，拉曼散射的效率降低，因為它隨著(I/波長)4變化。因此，隨著入射波長增加，需要更長的積分時間(integration time)和/或更高功率的激光，以獲取適當?shù)男盘?。典型地，對于拉曼光譜，使用發(fā)射具有不長于約1064nm的波長的激光。更長的波長會導致散射效率下降，因而使用更長波長的源是不實際的。
當使用更短波長激光時,會出現(xiàn)某些安全問題。特別地，以1064nm、785nm和更短波長發(fā)射的激光如果被射入人眼的話，將造成潛在的危險。根據(jù)美國國家標準局(ANSI)標準H 36. 1-2007，如圖I的曲線圖100和102所示，對激光的最大眼睛安全曝光量在1400nm和更長的波長處急劇地增加。因此，使用以1064nm或更短波長發(fā)射的激光的拉曼顯微鏡或拉曼光譜儀必須是不能無意地照射技術(shù)人員的眼睛的固定裝置，或者，這些裝置必須包括復雜的安全機制，以避免可能對技術(shù)人員的眼睛造成意外傷害。因此，安全問題限制了在各種非控的、非實驗室情形中會實施的手持或其它激光源的可行性。更長的波長輻射對眼睛可能是相對安全的；但是，如上所述，使用已知的增強策略，更長的波長的光源會導致低效的散射。通常，用于更長波長的基于顆粒的增強表面的適用性可以通過使顆粒變大來改進，這是由于較大的顆粒相對于較小的顆粒通常表現(xiàn)出使等離子激元帶進一步偏移入NIR中。很多SES活性標記物被設計在流體中使用或分散，因此最好使用被調(diào)整尺寸的并且 具有適當?shù)拿芏纫栽谒x液體中保持懸浮而不沉淀的顆?；驑擞浤軌?qū)崿F(xiàn)。因此，設計在更長的眼睛安全的波長處詢問并且還能夠在液體中懸浮的顆粒是特別有問題。本發(fā)明針對于克服上面討論的一個或多個問題。

發(fā)明內(nèi)容
一個實施例包括一種顆粒，該顆粒包括表面增強光譜(SES)活性芯和與SES活性芯相關聯(lián)的SES活性報道分子(SES-active reporter molecule),其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜。該實施例的顆?？梢园ㄖС衷谥辽?400nm的波長處的等離子體共振的SES活性芯。該顆?？梢园ǜ飨虍愋孕尽＠?，該顆?？梢园ǖ幌抻谑褂弥锌招尽⒅锌諚U芯、中空Cu桿芯、互鎖納米環(huán)芯(interlocking nanoring core)、一個或多個中空外殼的芯或者包含納米顆粒的聚集體的芯的實施方式。該顆?？梢詰腋≡谝后w溶劑中?？梢砸匀魏芜m合的方式改進或?qū)崿F(xiàn)顆粒懸浮，例如，在其它顆粒結(jié)構(gòu)周圍可以施加有機涂層。該顆?？梢园ㄔ诖笥诨虻扔?400nm的一個或多個波長處共振的SES活性報道分子。該報道分子可以是但不限于過渡金屬絡合物、過渡八面體金屬d8絡合物、芳香族(AZP)化合物或共價轉(zhuǎn)移絡合物?？商鎿Q的實施例包括制造如上所述的顆粒的方法，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時產(chǎn)生可測量的SES光譜?？商鎿Q的實施例包括標記材料的方法，該方法包括提供如上所述的顆粒，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時產(chǎn)生可測量的SES光譜；以及將該顆粒與關注材料相關聯(lián)。可替換的實施例包括檢測系統(tǒng)，該檢測系統(tǒng)包括如上所述的顆粒和具有提供在至少1400nm的波長處的照明的照明源的檢測器。


圖I是作為波長的函數(shù)的對單色激光輻射的最大容許曝光量的圖形表示。
圖2是現(xiàn)有技術(shù)的SERS納米標記的示意性表示。圖3是具有中空的納米管芯的標記的不意性表不。圖4是表示制造鏈接的納米環(huán)的方法的視圖。圖5是納米棱柱和納米環(huán)的電子顯微圖像。圖6是具有位于外殼內(nèi)的報道分子的中空外殼顆粒的示意性表示。圖7是具有多個同心外殼的顆粒的示意性表示。
圖8是模擬預測具有聚集的納米顆粒的芯的顆粒的等離子體共振的結(jié)果的圖形表不。圖9是當在785nm(圖9A)、1064nm(圖9B)和1546nm(圖9C)處被激勵時，使用AZP報道分子的納米標記的SERS光譜的圖形表示。圖10是所選的混合價過渡金屬報道器(mixed-valence transition metalreporter)的吸收光譜的圖形表示。
具體實施例方式除非另有說明，在本說明和權(quán)利要求書中使用的表示成分的數(shù)量、尺寸、反應條件等的所有數(shù)字均被理解為在所有實例中都由術(shù)語“大約”來修飾。在本申請和權(quán)利要求書中，除非另有說明，單數(shù)的使用也包括復數(shù)的情形。另外，除非另有說明，“或”的使用是指“和/或”。此外，術(shù)語“包括”的使用以及諸如“包含”和“被包含”的其它形式是非限制性的。此外，除非另有說明，諸如“元件”或“部件”的術(shù)語涵蓋包含一個單元的元件和部件，以及包含多于一個單元的元件和部件。通常，標記物是被合并入用于識別或量化的物體中或者與所述物體相關聯(lián)的材料、物質(zhì)、分子、離子、聚合物、納米顆粒、微粒等。更具體地說，標記物用于這樣的活動和產(chǎn)品，所述活動和產(chǎn)品包括但不限于與品牌安全、品牌保護、商標保護、產(chǎn)品安全、產(chǎn)品識別、品牌分流、條形碼、灰色市場的整治、朋友或敵人的分析、產(chǎn)品有效期分析、假冒、防偽、法醫(yī)的真實性分析、認證、生物識別技術(shù)、對象跟蹤、保管鏈分析、產(chǎn)品篡改、緝私、偵查走私活動、供應鏈跟蹤、產(chǎn)品跟蹤、恢復失去的收入、產(chǎn)品系列化、系列化的認證、新鮮度跟蹤、跟蹤保質(zhì)期限、使用日期跟蹤和孤立的檢測或識別相關的檢測、分析和/或量化測量。標記物可以被添加到各種形式的物質(zhì)，所述物質(zhì)包括但不限于固體、液體、氣體、凝膠、泡沫、半固體、玻璃、等離子體、液晶、非晶態(tài)和磁有序的固體、超導體、超流體、玻色-愛因斯坦凝聚體和超固體。由于上述原因，將標記物加入液體，特別是諸如燃料、柴油、汽油、煤油、乙醇、生物柴油、甲醇、原油、燃油添加劑等的液態(tài)烴，被認為是有用的。類似地，添加標記物允許對假冒或在不正確的設置(即，品牌分流)中的烴的使用進行保護。同樣地，在烴中測量標記物的濃度的能力允許對純度的確定如果濃度低于被添加的，那么這暗示了樣品已經(jīng)被篡改了(例如，通過添加較不貴重的烴)。通常，這種篡改可以在1-5%的級別，因此需要對標記物進行高度準確的精確測量。測量標記物濃度對處理監(jiān)視來說也可以是無價的，其中原油(例如)經(jīng)常與泥漿、蒸汽、水和其它雜質(zhì)混合在一起，并且其中對實際油濃度的知識會影響怎樣實現(xiàn)所選處理。在另一個例子中，當不同所有者的燃料產(chǎn)品共享相同的基礎設施(例如管道)時，標記的燃料允許操作人員獲知何種燃料何時在何地。
同樣地，標記物的添加還提供對法律責任的確保。例如，在油或汽油的溢出樣品中沒有標記物會允許向其油或汽油添加了標記物的燃料所有者免責。在很多情況中，使用已知標記物會導致不足的精確度、檢測準確度或其它問題。標記物還可以用于各種其它液體，上述液體包括但不限于液體藥劑、液體藥物和液體藥品。標記物還可以用于輔助監(jiān)視其它液體的處理。例如，可以使用標記物來跟隨e.大腸桿菌的生長。同樣地，標記物可以用來監(jiān)視材料(例如油箱中的燃料)的消耗。這可適合于液體或固體燃料。標記物還可以用于跟蹤例如散裝化學品和材料、粉末、混合物、聚合物等固體材料。例如，標記物可以用于被認為用于開發(fā)爆炸物的材料。標記物還可以用于跟蹤植物和其它東西，例如，動物。標記物還可以用于跟蹤分子、生物分子、大分子、生物聚合物、細胞和大分子集群，換句話說，用于許多生命科學應用，所述應用包括但不限于體外和體內(nèi)診斷。在這些應用 中，標記物通常被稱為“光學檢測標簽”或“光學量化標簽”。由于上述的相同的原因，可以用于長激勵波長的標記物/標簽在跟蹤其它液體、固體、生命體中以及對于生命科學應用都是有用的。檢測標記物的很多已知方法使用若干光譜技術(shù)之一，例如，諸如SERS或SERRS的表面增強光譜(SES)技術(shù)。存在極大數(shù)量的SERS活性材料。廣泛地說，合適的材料分為兩類納米/微觀的和宏觀的。例如，已知某些尺寸和形狀的Ag和Au納米顆粒及其聚集體支持SERS。同樣地，在文獻中已經(jīng)描述了種類繁多的宏觀SERS物質(zhì)，其包括電極、蒸鍍薄膜、Langmuir-Blodgett膜、2維平面陣列等。已知的現(xiàn)有技術(shù)的使用SERS活性標記的標記方法通常包括具有已知的SERS活性特性的報道分子或染料。例如，已知的SERS活性化學品可以作為染料被添加到標記燃料中，并且當SERS活性染料與SERS活性金屬顆?；蛭镔|(zhì)相關聯(lián)時，獲得后續(xù)的SERS光譜。若干公開的材料和方法的特征在于使用表面增強光譜(SES)活性標記物。代表性的SES技術(shù)包括但不限于SERS、SERRS等。已經(jīng)對在各種其它光譜方法或系統(tǒng)中的表面增強進行了觀察。大部分被最廣泛研究的是表面增強拉曼散射和表面增強熒光(SEF)。但是，已經(jīng)觀察了各種其它表面增強現(xiàn)象，其包括表面增強超拉曼散射(SEHRS)、表面增強超拉曼共振散射(SEHRRS)、表面增強瑞利散射、表面增強第二諧波產(chǎn)生(SHG)、表面增強紅外線吸收反射(SEIRA)和表面增強激光解吸附離子化(SELDI)。這些現(xiàn)象是被稱為等離子體增強或等離子體增強的光譜的更廣領域中的一部分，除了上面提到的現(xiàn)象外，還包括表面等離子體增強發(fā)射(諸如SPASERS-輻射的自發(fā)發(fā)射的表面等離子體放大)、等離子體增強衍射和等離子體增強光學傳輸。等離子體增強也是用于提高太陽能電池的效率的方法。如在整個本公開和權(quán)利要求書中所使用的，SES包括上述列出的任何相關或類似的光譜技術(shù)。在本文中的很多例子是針對SERS進行描述的。但是，必須注意，在本文中公開的方法、成分和顆?？梢酝鹊貞糜赟ERRS、SEHRS、SEF、SEHRRS、SHG、SE I RA、SPASERS或其它表面增強或等離子體增強SES技術(shù)。如上所述，已知的SERS活性納米顆粒的一種類型是SERS納米標記,如美國專利No. 6，514，767、No. 6，861，263、No. 7，443，489 等中描述的。在美國專利 No. 6，514，767、No. 6，861，263和No. 7，443，489中公開的全部內(nèi)容以引用的方式并入本文中。在傳統(tǒng)的SERS納米標記成分中，報道分子(reporter molecule)被吸附到SERS活性表面,并且SERS活性表面和報道器(reporter)通常使用二氧化硅封裝。二氧化硅涂層的一個優(yōu)點是其防止被吸附的分子擴散開，并且還防止其它分子被吸附到表面上。這樣使得對SERS納米標記顆粒具有一定級別的魯棒性和環(huán)境敏感性，這對于很多應用來說是期望的特征。典型的SERS納米標記可以通過電磁光譜的紅色或NIR部分中的入射輻射(例如，在633nm處的入射光)來激勵。如上所述，拉曼散射效率隨著入射光的波長的增加而降低。典型的SERS納米標記可以被制成如圖2所示的三組分納米級顆粒200。第一組分是大致球形的SERS增強金屬芯202。該芯可以是但不限于直徑為大約90nm的固體金(Au)球，但是，其它金屬、形狀和尺寸也是可能的。芯202的作用是電磁耦合到入射的激光輻射，并產(chǎn)生導致拉曼散射強度提高IO2到IO9倍的局部放大的電磁場。第二組分是SES活性“報道器”204，S卩，緊密靠近(并且，理想地，被吸附到)芯表面的分子或其它光譜活性材料。SERS實驗的輸出是報道器的指紋狀振動光譜，該指紋狀振動光譜的強度與極化率成比例。傳統(tǒng)的短波長標記的第三組分是膠囊密封材料206。典型地，膠囊密封材料是SiO2、聚合物或其它適合的材料。膠囊密封材料206的主要作用是防止報道器204從芯表面擴散開， 并且防止其它物種(可以產(chǎn)生令人混淆的指紋)到達表面。如在美國專利No. 6，514，767、No. 6，861，263、No. 7，443，489 中所描述的，使用光譜的紅色或近紅外線部分中的激光激勵已知的SERS納米標記。例如，在633nm、785nm或1064nm發(fā)射的拉曼激光是可市售的，并且適用于傳統(tǒng)的SERS活性顆粒。如圖I所示，這些波長對眼睛是不安全的。如本文中所定義的，小于1400nm的任何激勵波長對眼睛安全”大于1400nm的波長被定義為對眼睛是安全的。特別地，以1432nm和大約1550nm發(fā)射的可市售的激光被定義為對眼睛是安全的。如在美國專利No. 6，514，767,No. 6，861，263,No. 7，443，489中所描述的SERS納米標記不適于與合理功率的對眼睛安全的激光源一起使用，因為使用在這里公開的芯配置和報道器類型的拉曼散射效率在更長的、對眼睛安全的波長處被急劇地降低。如上所述，很多標記物實施例需要可以在液體母體(matrix)中懸浮可選的時間段或者不確定地懸浮的標記或顆粒。對眼睛安全的激勵偏好更大的顆粒，而用于在液體母體中長期懸浮分散的適合性偏好更小的顆粒。因此，可懸浮的可用于對眼睛安全的波長的SERS標記的設計是特別有問題的。不能低估制備在對眼睛安全的激勵波長(例如大約1432nm和大約1550nm)處可用的SERS標記物的難度。當前沒有文獻描述在這樣的波長的SERS。任何類型的SES增強的體積均來自于由于金屬表面的局域化的表面等離子體導致的電磁共振。對于大部分普通球形金屬納米顆粒Ag和Au,各個顆粒的表面等離子體分別位于400和530nm附近。通過制作這些顆粒的聚集體，或者通過制作非球形顆粒，可以使等離子體進一步偏移到紅色和紅外線。即使當高度聚集時，球形Au也不支持在1550nm處的顯著的等離子體共振。因此，移動到1550nm激勵通常將需要新型的芯配置；如果要求顆粒仍保持懸浮在溶劑中，將使得更具挑戰(zhàn)性。實現(xiàn)這些目標的一種方法的特征在于各向異性顆粒芯，并且可能是如同下面所詳細描述的芯外殼結(jié)構(gòu)?？梢栽趯ρ劬Π踩牟ㄩL處被有效地激勵的顆粒的可替換的實施例用傳統(tǒng)球形芯合并新型的報道分子或用各向異性芯合并新型的報道分子。重要的是請注意，可以在對眼睛安全的波長處激勵SES活性顆?；驑擞浳锏哪繕丝梢允褂眯滦偷男九渲?、新型的報道器或這些技術(shù)的組合來實現(xiàn)。
具有各向異性芯的長波長顆粒A.中空納米管顆粒在液體中保持懸浮的能力可以通過降低顆粒質(zhì)量來增強?？梢灾苽渲锌盏念w粒，其特征在于，在保留更大的芯的大部分光學特性的同時減少質(zhì)量的芯。例如，期望中空金屬桿在近IR中具有等離子體共振。Au納米管已經(jīng)通過以Ag桿開始的電置換(galvanicreplacement)合成了。Hollow Metal Nanorods with Tunable Dimensions, Porosity,and Photonic Properties, Nathanael R. Sieb, Nien-chen Wu, Elham Majidi, RichaKukreja, Neil R. Branda and Byron D.Gates, ACS Nano, Article ASAP DOI 10.1021/nn900099t 發(fā)布日期(網(wǎng)絡)2009年5月13日。該特定例子示出了 Au等離子體偏移到 750nm。使用Cu構(gòu)建納米管應當將等離子體帶向更長的波長進一步偏移。金納米管也已經(jīng)通過融合 Au 納米球來制備了。Alignment of Cobalt Nanoparticles as Templates, AdamM. Schwartzberg,Tammy Y. Olson,Chad E. Talley and Jin Z. Zhang J. Phys. Chem. C,2007,111(44),16080-16082 DOI :10. 1021/jp076034b 發(fā)布日期(網(wǎng)絡)2007 年 10 月 5 日?；蛘撸梢灾苯油ㄟ^在諸如陽極生長的鋁膜或玻璃管陣列的模板的內(nèi)部沉積金屬(例如Au、Ag或Cu)制成管。然后溶化該膜，得到游離金屬納米管。如圖3所示，納米管300的內(nèi)部可以被SERS報道分子302涂布。可以在該結(jié)構(gòu)的外部上生長或沉積諸如二氧化硅或另一種金屬氧化物的保護層304，從而提供與環(huán)境的隔離。最后，可以將有機分子或有機涂層306附著到保護層304上，以在非極性溶劑中提供改進的溶解性。B.互鎖納米環(huán)可能適合于對眼睛安全的SERS顆粒的可替換的各向異性芯的配置以互鎖納米環(huán)的芯為特征?；ユi金環(huán)的制備可以通過使用有機索烴模板來實現(xiàn)。為了制備納米尺寸的環(huán)，需要使用聚合索烴來進行。諸如在C. 0. Dietrich-Buchecker, J. -P. Sauvage,J. P. Kintzinger, Tetrahedron Lett. 1983，24，5095 ；C. 0. Dietrich-Buchecker, J. -P.Sauvage, J. M. Kern, J. Am. Chem. Soc. 1984，106，3043 and J. -P. Sauvage，Ace. Chem.Res. 1990，23，319中描述的，可以如圖4所示通過使用氨基聚丙烯酸酯聚合物衍生出四配位金屬絡合物，隨后使用多余的乙撐二胺使酯基團氨基化來制備聚索烴。環(huán)的尺寸可以通過聚合物的分子量來控制。然后，聚氨索烴可以用作用于形成金環(huán)的模板。小的單官能團化的金納米顆?？梢员还矁r地附著到聚合物的氨基上，形成納米顆粒串；D. Qiu, J. G. Worden,J.Trullinger, Q Huo，J. Am. Chem. Soc. 2005，127，8008. Growth of gold around thenanoparticle string would yield interlocked gold rings。從 Cu 原子去絡合可以在金生長之前或之后完成?；蛘?，電置換可以用于從Ag納米顆粒模板產(chǎn)生中空Au納米顆粒。在本實施例中，如圖5所示，Au環(huán)500可以從Ag納米棱柱502產(chǎn)生。Ag納米棱柱是平的Ag納米顆粒，其在形狀上從三角形變化到六邊形再到碟形。當Au離子被引入Ag納米棱柱溶液中時，使用Au置換Ag，產(chǎn)生如開始模板一樣成形的Au的中空環(huán)。ACS Nano, 2009, 3 (6), pp 1365-1372。C.中空球和立方體可以通過遵循生長模板外殼的方法制成中空球形顆粒。生長模板可以是非金屬(聚苯乙烯、二氧化硅等)，在這種情況中，通過播種生長機制將外殼添加到外部。第一小種子膠體(經(jīng)常是Au)被附著到二氧化硅或聚合物珠的外部。然后，生長額外的Au，得到連續(xù)的外殼。由于外殼可以被制備為具有一些孔，因此通過使用合適的化學品溶解生長模板將容易地去除生長模板顆粒。作為例子，Tam等人已經(jīng)使用在1900nm的等離子體共振制備了相對較大的中空顆HMesoscopic nano shells Geome try-dependent p lasmon resonancesbeyond the quasistatic limit,Felicia Tarn,Allen L. Chen,Janardan Kundu and HuiWang, Naomi J. Halas J. Chem. Phys. 127，204703，2007?；蛘?，如果 Ag 顆粒被用作生長模板，通過Au的Ag的電移位已經(jīng)被用于制備中空球和中空正方體。如圖6所示，一旦制備了中空外殼600，報道分子602就可以插入到顆粒的內(nèi)部，隨后進行密封內(nèi)部的反應。D.中空扁球體用非球形芯可以進行如上所述關于球的類似的生長模板外殼方法。這種類型的顆粒的一個例子具有赤鐵礦芯、9. 8nm的Au外殼和在1250nm處的消光最大值。Nanorice A Hybrid Plasmonic Nanostructure, Hui Wang, Daniel ff. Brandi, Fei Le, Peter Nordlander and Naomi J. Halas Nano Lett. , 2006,6(4),827-832 DOI :10.1021/nl060209w 發(fā)布日期(網(wǎng)絡)2006年3月11日。E.多外殼顆粒若干理論論文報告稱，多層顆粒具有伴隨大電磁場增強的窄的等離子體共振。因此具有微調(diào)的等離子體特性的SERS活性納米顆粒芯可以包含多個外殼。SERS增強芯可以包括用于電漿的金屬，以及可以用作隔離片以產(chǎn)生金屬層之間的明確定義的間隙的層(諸如電介質(zhì))。例如，如圖7所示，包括多個金屬外殼702、704的SERS增強芯700應當提供額外的SERS增強和將等離子體共振調(diào)到紅外線的能力。由于通過兩個不同的等離子體的相互作用驅(qū)動兩個系統(tǒng)的光學響應，所以在金屬層之間經(jīng)受的電磁場應當與兩個相鄰顆粒之間的接合處發(fā)現(xiàn)的電磁場類似。通過控制每一層的厚度和成分，應當可以實現(xiàn)對光學響應的精調(diào)。內(nèi)部的外殼可以由上述的任意中空芯外殼顆粒組成。然后，在該顆粒上生長諸如二氧化硅或聚合物的報道器摻入電介質(zhì)層706。例如，諸如芳香族硫醇的報道分子可以被結(jié)合到外殼，然后通過StSber處理可以在其上生長二氧化硅層。然后，對電介質(zhì)層606進行改性，以便外部外殼的生長。例如，在二氧化硅層電介質(zhì)層的情況中，可以使用用于單個外殼顆粒的如上所述的相同處理?；蛘?，如果正帶電的聚合物被用作電介質(zhì)層，那么Au種子顆?？梢匀鏢anles-Sobrido等人在JACS. 2009，131，2699-2705描述的被靜電地結(jié)合到聚合物，然后其將用于后續(xù)的金屬外殼的種子為媒介的生長。為了充分地調(diào)節(jié)明確定義的等離子體共振，將金屬沉積到厚度公差為2_5nm的其它芯材料上是有利的。層厚度對多外殼顆粒的光學行為的影響比對固態(tài)金屬的影響更大。這一點通過在赤鐵礦芯上的Au外殼的消光分布(extinction profile)來得以說明，隨著Au外殼從9. 3nm增加到27. 5nm，可以觀察到其紅偏移大約200nm。使用現(xiàn)有方法，最薄的金外殼將部分地由Au納米顆粒‘底漆’涂層的尺寸和密度來限定，并且可能差不多是10nm。但是，可以蝕刻更厚的外殼，以限定相對薄的最終的構(gòu)造。可以結(jié)合對消光分布的實時監(jiān)視來使用諸如KCN的蝕刻劑，并在理想的終點淬滅。如上所述，無機或聚合物外殼或?qū)涌梢杂脕砜刂苾蓚€金屬外殼之間的間隙。例如，已經(jīng)在金屬芯上制造了正好2-3nm厚度的耐化學腐蝕的SiO2外殼。在這些外殼上沉積其它的金屬層不僅會將等離子體響應進一步推進到NIR中，而且會在這兩個金屬(層)之間產(chǎn)生明確定義的間隙，與納米顆粒聚集體的產(chǎn)生類似。通過將拉曼報道器嵌入到該層中，期望電磁增強的大幅提高。電介質(zhì)隔離片厚度對整個增強芯的等離子體響應具有更強的沖擊，因此理想情況下，電介質(zhì)層將生長并通過Inm的精度來蝕刻。用于電介質(zhì)隔離片的開發(fā)的可能的候選者是具有交流電荷的聚合物層。這樣的一層接一層(LBL)的沉積策略應該允許對外殼厚度的亞納米控制。芯外殼納米顆粒的主要優(yōu)點是可以選擇性地去除生長模板。SiO2生長模板芯可以通過HF蝕刻去除，并且使用報道分子或其它低密度材料置換隨后的空隙，增強這些顆粒保持懸浮在液體母體中的能力。使用混合的Au/Ag外殼(或其它合金)還允許通過選擇性的Ag蝕刻來制備穿孔的外殼，促進模板去除/置換。同樣地，Au納米顆粒的形成已經(jīng)在另外的中空二氧化硅外殼的內(nèi)表面上被示出了，隨后，可以將其插入拉曼活性材料?？梢栽诒痉椒ㄉ线M行擴展，并且允許在外殼內(nèi)擴散較大的過量的報道器，其后通過進一步的金屬生長來將報道器密封在內(nèi)部。在這種構(gòu)造的內(nèi)部可能地添加另一種SES增強金屬芯，會進一步 增強在對眼睛安全的波長處的SERS響應。F.更小的顆粒的聚集體除了直接產(chǎn)生具有理想的電磁性質(zhì)的SES增強芯構(gòu)造以外，可以通過控制聚集體或者各向同性或各向異性顆粒的組件來影響SES活性顆粒的整體性能。例如，在端到端對齊與側(cè)到側(cè)對齊的金納米桿之間的消光分布中已經(jīng)示出了顯著的不同。因此，使用小顆粒的聚集體并獲得具有大約1550nm的激勵波長的SERS響應是可能的。例如，有限元方法模擬示出，產(chǎn)生在IR中共振的小Au納米顆粒的聚集體是可能的。如圖8的曲線圖所示，使用COMSOL Multiphysics 3. 4軟件包執(zhí)行的模擬示出，5個直徑20nm的Au膠體的聚集體在大約1450nm處可以具有等離子體共振。該模擬假定納米顆粒將物理接觸并且布置在與進入的光的偏振平行的線性配置中。在這些條件下，該結(jié)構(gòu)的等離子體共振被偏移到比各個顆粒的520nm等離子體共振長得多的波長。還說明了，由于這些聚集體在其等離子體共振處產(chǎn)生了高電磁近場增強，因此這些聚集體將對長波長處的SERS有效。如上所述的新的芯的設計的開發(fā)可以解決對用于更長的、對眼睛安全的波長的電漿的顧慮，但是這些芯的設計可能不利于與要求在液體中保持懸浮延長的時間段的SES活性顆粒一起使用。有機材料可以附著、沉積或生長在所述顆粒的外部，以改進這些顆粒保持懸浮在液體里的能力。Au和Ag是用于SES活性顆粒芯的主要討論的金屬。Au和Ag在傳統(tǒng)上是最受關注的，這是由于這些材料的等離子體響應與標準的紅色激勵波長匹配得好，并且這些材料適度地穩(wěn)定。諸如Cu的可替換的材料應當具有用于在更長的、對眼睛安全的波長處進行激勵的出色的電漿性質(zhì)，但是Cu非常容易氧化。另外，存在可以用于各向異性增強芯的其它SES增強材料，其包括但不限于Pd、Pt、Co和類似的金屬。這些可替換的芯材料可以在NIR中具有令人感興趣的消光分布，或者是可用于額外涂層的模板。適合于與對眼睛安全的激勵波長一起使用的SERS活件報道器用于在對眼睛安全的波長處進行有效激勵的SES活性顆粒的適用性還可以通過選擇的SES活性報道器或者報道器和增強芯配置的組合來確定。例如，適用于可以在對眼睛安全的波長處激勵的顆粒的共振報道器可以基于過渡金屬絡合物，其中在大約1550nm處有三種類型的以報道器為中心的共振。首先，已知過渡八面體金屬d8絡合物(例如，Ni2+鹽)在從3A2g —3T2g的光學躍遷產(chǎn)生的近IR中表現(xiàn)出可以容易地測量的吸收率。由于這些躍遷在d軌道之間，它們是不允許對稱的，因此對于在I. 5-5(^1 CnT1范圍中的典型的摩爾吸收率(e )是微弱的。然而，它們?nèi)匀皇俏说暮铣赡繕耍壳盀橹顾鼈兛梢苑浅７€(wěn)定。例如，通過使用NH3作為配體，可以避免使用碳。同樣地，通過使用簡單電荷考慮，可以使它們吸收到SERS增強金屬芯?；蛘?，在過渡金屬化學中也知道金屬配體電荷轉(zhuǎn)移(MLCT)光學躍遷或者相反的LMCT躍遷，其中，在這兩種情況下，電子密度在金屬和配體分子軌道之間部分地脫離原位(前者的一個例子是[Ru(bpy)3]2+)。這些躍遷涉及g態(tài)(M)和u態(tài)(L)對稱的軌道，因此是允許的，并且可以具有在5,000-50,0001^0^1范圍內(nèi)的e值。在過渡金屬絡合物中，這些躍遷通常在可見光波長范圍內(nèi)。報道器和增強芯之間的MLCT或LMCT躍遷可以在1550nm 附近發(fā)現(xiàn)。其證據(jù)已經(jīng)如下所述在1064nm處得以說明，其中報道器AZP顯示出與其它報道器相比異常強烈的SERS光譜，如由在785nm、1064nm處的相對比SERS強度所證實的，期望其遵循大約[1064/785]4的關系。特別地，圖9A、圖9B和圖9C示出在三個不同的激勵波長785nm、1064nm和1546nm處的4，4'偶氮吡啶(AZP)和1，2-雙(4-吡啶基)乙烯(BPE) SERS納米標記的SERS光譜。兩種類型的SERS納米標記均具有90nm金芯。AZP和BPE具有非常類似的分子結(jié)構(gòu)，如下圖所示，包括相同尺寸的共軛路徑和相同的與金屬的結(jié)合基團。
〈二+》 ^=====^〈.二
AZPBPF這兩個報道分子之間明顯的差別是橋接芳香環(huán)的基團的性質(zhì)，這導致其HOMO和LUMO軌道的不同能級,正如這些化合物的不同顏色所示的。通過比較對應于785nm激勵的圖9A、對應于1064nm激勵的圖9B與對應于1546nm激勵的圖9C中圖示的散射強度而得到的示出的在更長波長處對AZP標記的不尋常高的增強可能是由于AZP和金屬之間的金屬到配體或配體到金屬的電荷轉(zhuǎn)移導致的，這可能通過其特征分子軌道能量實現(xiàn)?？赡軙c在對眼睛安全的波長處的報道分子等同有效的其它芳香偶氮類型的化合物包括但不限于4，4' -二乙炔基偶氮苯，4-(4-喹啉)吡啶，4-(4-乙炔基苯基偶氮)吡啶，5-(4-吡啶偶氮)咪唑，3-(4-吡啶偶氮)噻吩，5-(4-吡啶偶氮)噻唑(4，4' - 二乙炔基偶氮苯，4-(4-喹啉基偶氮)吡啶，4-(4-乙炔基苯基偶氮)吡啶，5-(4-吡啶基偶氮)咪唑，3-(4-吡啶基偶氮)噻吩，5-(4-吡啶基偶氮)噻唑)和類似的化合物。第三感興趣的過渡金屬絡合物包括混合價或共價轉(zhuǎn)移(IT)絡合物，其在光譜的近IR/IR區(qū)域中表現(xiàn)出非常強的寬的吸收率。這些吸收率是由通過例如-CN或吡嗪的有機配體所橋接的兩個或更多金屬共享的電子所導致。這種電子密度的拖尾效應導致高可極化性，即，拉曼發(fā)射的關鍵因素?；旌蟽r化合物的簡單例子包括經(jīng)典的Creutz-Taube離子，其使用1320nm激勵的溶液中的共振拉曼光譜已經(jīng)被公布；以及更簡單的Prussian Blue。在IR附近具有強烈IT帶的一系列混合價過渡金屬化合物可以適用于在對眼睛安全的波長處可用的SES標記中的報道器。其包括含有2-6個Ru、Os或Fe金屬離子的絡合物，其中這樣選擇配體，以使得它們被吸附到增強金屬芯表面。例如，可以制成具有如圖10所示的光譜的三核陰離子[(CN) (bpy) 2Ru-CN-Ru (dcbpy) 2_NC_Ru (bpy) 2 (CN) ] _ (其中，bpy= 2,2' -二卩比唳并且dcbpy = 4,4' - 二羧基-2,2' -二卩比唳)。這種分子在明顯地超出 1500nm 的 4600M_1cm_1 的 Amax(1280nm)處具有 e。還可以制成在大約ZOOOir1Cnr1的1500和1800之間的\ _處表現(xiàn)出e的一系列混合價烯烴聯(lián)接二茂鐵，其引入-SH或-NH2基團，以引入對增強金屬芯的結(jié)合?；蛘撸谙旅媸境龅耐ㄓ媒Y(jié)構(gòu)的混合價化合物在(Angew. Chem. Int. Ed. 2007,46,1778-1796及其中的參考文獻)進行了描述，該混合價化合物包括由2個或更多金屬原子形成的物種，其中Mn 和Mni分別是+2和+3氧化態(tài)的Ru、0s或Fe，BL是共軛橋接配體，其包括吡嗪、4，4' 二吡啶基、I，2-雙(4-吡啶基)乙烯、I，4-雙(4-吡啶基)苯、1，4-雙-[(4-吡啶基)乙烯基]苯、乙炔，二乙炔、三乙炔、四乙炔、1，2_ 二乙烯基苯、4，4' -二乙烯基-聯(lián)苯、4，4" 二乙烯基-P-二聯(lián)苯、4_乙稀基卩比淀、4-(4-乙稀基苯基)卩比淀、I-(4-卩比淀基)-2-(4_乙稀基苯基)乙烯或類似的化合物。Ln是單或多配位基配體，其完成金屬的坐標球并含有可以結(jié)合到金屬芯的官能團，所述官能團包括2，2' -二吡啶基、2，2'-雙吡啶-4，4' -二羧酸、2,2' 6/，2"-三吡啶、1，10-鄰二氮雜菲-5-胺或類似的化合物。
權(quán)利要求
1.一種顆粒，包括 表面增強光譜(SES)活性芯； 與所述SES活性芯相關聯(lián)的SES活性報道分子， 其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顆粒，其中SES活性芯支持在至少1400nm的波長處的等離子體共振。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的顆粒，其中SES活性芯包括各向異性芯。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的顆粒，其中SES活性芯包括中空結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒，其中SES活性芯包括中空桿。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的顆粒，其中SES活性芯包括中空Cu桿。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒，其中SES活性芯包含互鎖納米環(huán)。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒，其中SES活性芯包括多于一個的中空外殼。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的顆粒，其中SES活性芯包括納米顆粒的聚集體。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顆粒，其中顆粒能夠懸浮在液體溶劑中。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顆粒，還包括包圍該顆粒的有機涂層。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的顆粒，其中SES活性報道分子在大于或等于1400nm的一個或多個波長處共振。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的顆粒，其中SES活性報道分子包括過渡金屬絡合物。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的顆粒，其中SES活性報道分子包括過渡八面體金屬d8絡合物。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的顆粒，其中SES活性報道分子包含芳香族(AZP)化合物。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的顆粒，其中SES活性報道分子包含以下中的至少一種4，4’偶氮吡啶、4，4’_ 二乙炔基偶氮苯、4-(4-喹啉基偶氮)吡唆、4-(4-乙炔基苯基偶氮)吡啶、5-(4-吡啶基偶氮)咪唑和3-(4-吡啶基偶氮)噻吩、5-(4-吡啶基偶氮)噻唑。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的顆粒，其中SES活性報道分子包含共價轉(zhuǎn)移絡合物。
18.一種顆粒的制造方法，包括 提供表面增強光譜(SES)活性金屬芯；以及 將SES活性報道器與所述SES活性金屬芯相關聯(lián)，其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的顆粒的制造方法，其中SES活性芯支持在至少1400nm的波長處的等尚子體共振。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的顆粒的制造方法，其中SES活性芯包括各向異性芯。
21.根據(jù)權(quán)利要求18所述的顆粒的制造方法，其中顆粒能夠懸浮在液體溶劑中。
22.根據(jù)權(quán)利要求18所述的顆粒的制造方法，還包括使用有機涂層包圍膠囊密封材料。
23.根據(jù)權(quán)利要求18所述的顆粒的制造方法，其中SES活性報道分子在大于或等于1400nm的一個或多個波長處共振。
24.—種標記材料的方法，包括 提供一種顆粒，該顆粒包括表面增強光譜(SES)活性金屬芯和與所述SES活性金屬芯相關聯(lián)的SES活性報道器，其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜；以及 將該顆粒與關注材料相關聯(lián)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的標記材料的方法，還包括使用發(fā)射具有至少1400nm的波長的光的光源，從與關注材料相關聯(lián)的顆粒獲得SES光譜。
26.—種檢測系統(tǒng),包括 一種顆粒，該顆粒包括 表面增強光譜(SES)活性芯； 與所述SES活性金屬芯相關聯(lián)的SES活性報道分子， 其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜；以及 包括提供具有至少1400nm的波長的照明的照明源的檢測器。
全文摘要
實施例包括一種顆粒，該顆粒包括表面增強光譜(SES)活性芯和與SES活性芯相關聯(lián)的SES活性報道分子，其中，所述顆粒在被具有至少1400nm的波長的入射光激勵時具有可測量的SES光譜。可替換的實施例包括制造所述顆粒的方法和使用所述顆粒標記材料的方法。該顆粒可以包括支持在至少1400nm的波長處的等離子體共振的SES活性芯。該顆?？梢园ǜ飨虍愋孕?。該顆?？梢园ㄔ诖笥诨虻扔?400nm的一個或多個波長處共振的SES活性報道分子。
文檔編號C12Q1/68GK102803966SQ201080027793
公開日2012年11月28日 申請日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者M·J·納坦, R·G·弗里曼, M·E·皮奧蒂, W·E·多林, F·塔姆 申請人:卡博特保密器材股份有限公司