波长选择性表面增强拉曼散射纳米标签的制作方法

专利名称：波长选择性表面增强拉曼散射纳米标签的制作方法
波长选择性表面增强拉曼散射纳米标签
背景技术：
已表明SERS纳米标签可用于标示目标进行识别和跟踪。SERS纳米标签是通过表面增强拉曼散射(SERS)起作用的纳米粒子光学探测标签。SERS是基于激光的光谱法，其对于分子或其它材料产生具有比典型荧光窄得多的特征的指纹式振动光谱。通常，与标签结合(associate)的SERS活性分子由特定激发波长的激光激发。许多SERS活性分子可在若干个替代波长下激发，每个替代波长导致发射特征(characteristic) SERS光谱。在一些记号使用中，已知SERS纳米标签在多个适当解调波长下解调的能力是一个优点。在其它实施中，例如隐蔽项目记号，在多个波长下激发SERS纳米标签的能力可能是缺点，因为这使隐蔽标签更容易被第三方探测到。然而，用传统SERS报道分子难以制造可在有限数量的另外适当波长下解调的SERS纳米标签。·
本文中公开的实施方案是针对克服与已知表面增强光谱粒子关联的这些或其它问题。

发明内容
所选实施方案包括波长选择性粒子，例如如所描述的改性的(modified) SERS纳米标签。如本文中所使用，波长选择性粒子是不能在一种或多种波长下有效激发或解调(interrogated)的粒子,其中与所述粒子结合的报道分子(reporter molecule)通常会产生SERS光谱。例如，当使用1064nm的激发波长时，波长选择性SERS纳米标签可为SERS活性的，但在785nm下是钝性的(inactive),其中基于SERS纳米标签中存在的报道分子或金属纳米粒子的等离子性质(plasmonic property)而另外预期在785nm下的活性。波长选择性的SERS纳米标签的一个实施方案包括SERS增强核和与所述核结合的SERS活性报道分子。波长选择性SERS标签也包括围绕所述核/报道体(reporter)结合体(association)的包封剂。可由与所述包封剂结合的阻断材料(blocking material)赋予波长选择性，所述阻断材料完全或部分阻断特定波长的光能通向报道分子和等离子粒子。或者，阻断材料可完全或部分阻挡所选波长的光能辐射至报道分子或等离子粒子。阻断材料可为纳米棒，例如，与包封剂结合的金纳米棒。或者，阻断材料可为用于选择性地阻断相关波长的任何类型的分子。例如，阻断材料可为有机或无机染料或量子点粒子。或者，阻断材料可为金属氧化物、金属硫化物、金属氮化物或其它类似材料。在阻断材料是纳米棒的实施方案中，纳米棒可与包封剂静电结合。例如，纳米棒可用带电聚合物涂布，且SERS纳米标签用带相反电荷的聚合物涂布。或者，纳米棒可被共价连接(attach)到包封剂。在阻断材料是一种分子，例如染料的实施方案中，通过将包封剂形成为多孔或介孔表面，可将增加量的阻断材料与所述包封剂结合。一个替代实施方案包括如上文所述的SERS纳米标签，其具有与所述包封剂结合的遮蔽(masking)材料。遮蔽材料将完全或部分遮蔽由报道分子在给定波长下发射的光能。在一个遮蔽实施方案中，与SERS纳米标签结合的报道体当被激发时仍将发射拉曼光谱，但所述发射被遮蔽或使其无法探测。例如，与SERS纳米标签结合的荧光分子可被选择在特定波长下发荧光，因此遮蔽在所述波长下的SERS光谱。替代实施方案包括制造如上文所述的波长选择性SERS纳米标签的方法。替代方法也包括使用波长选择性SERS纳米标签以标示或标记项目、物质、文件或物品，使得可以比基于与SERS纳米标签一起使用的报道分子的性质而预期的小的解调频率探测到标签。


图I是实施例I的SERS纳米标签和Au纳米棒的混合物的SERS活性和吸光度的图形表示。图2是以与SERS纳米标签静电结合的Au纳米棒为特征的实施例2的粒子的多个TEM图像的组合。图3是实施例2的粒子在所选波长下的UV-可见光消光特性和归一化 (normalized) SERS响应的图形表示。图4是实施例3的粒子的多个SEM图像的组合。图5是实施例3的粒子的所选波长下的UV-可见光消光特性和SERS活性的图形表不。图6是实施例4的粒子的SERS活性的图形表示。图7是实施例4的粒子的SEM图像。图8是实施例5的粒子的SERS活性的图形表示。图9是实施例6的粒子在所选波长下的SERS活性的图形表示。图10是以如实施例7中所述的介孔二氧化硅包封剂为特征的SERS纳米标签的SEM图像。图11是在与实施例8中所述的荧光遮蔽剂混合之后在SERS纳米标签的所选波长下的拉曼光谱的图形表示。
具体实施例方式本文中公开的实施方案涉及光谱活性粒子。具体而言，所公开的粒子和方法是表面增强光谱(SES)活性的。代表性的SES技术包括但不限于SERS、SERRS等。已观察到在各种其它光谱方法或系统中的表面增强。研究最广泛的是表面增强拉曼散射和表面增强荧光(SEF)。但是已观察到多种其它表面增强现象，包括表面增强超拉曼散射(SEHRS)、表面增强超拉曼谐振散射(SEHRRS)、表面增强瑞利(Rayleigh)散射、表面增强二次谐波产生(SHG)、表面增强红外吸收反射(SEIRA)和表面增强激光解吸离子化(SELDI)。这些是称为等离子体增强或等离子体增强光谱的更广泛领域的一部分，其除了上文提及的现象之外，还包括表面等离子体增强发射(例如SPASERS-辐射自发发射的表面等离子体放大)、等离子体增强衍射和等离子体增强光传输。等离子体增强也是一种提高太阳能电池效率的方法。如在整个本公开内容中所使用，SES包括上文所列出和任何相关或类似的光谱技术。本文中的许多实施例参考SERS而描述。然而须注意，本文中公开的方法、组合物和粒子可等同地应用于SERRS、SEHRS、SEF、SEHRRS、SHG、SEIRA、SPASERS或其它表面增强或等离子体增强SES技术。
一般而言，标签剂(taggant)是为了识别或定量的目的而掺入到对象中、对象上或与对象结合的材料、物质、分子、离子、聚合物、纳米粒子、微粒或其它物质。更特别地，标签剂使用在活动和产品中，包括但不限于探测、分析和/或定量测量，其涉及品牌安全、品牌保护、商标保护、产品安全、产品识别、品牌转换、条形码、灰色市场整治、敌友分析、产品生命周期分析、伪造、防伪、真实性法医分析、认证、生物辨识、对象跟踪、监管链分析、产品篡改、防走私、走私探测、供应链跟踪、产品跟踪、收入损失恢复、产品系列化、系列化认证、新鲜度跟踪、按日期销售跟踪、按日期使用跟踪和远距探测/识别。标签剂可被添加到所有形式的物质，包括但不限于固体、液体、气体、凝胶、泡沫、半固体、玻璃、等离子体、液晶、非晶质和磁有序性固体、超导体、超流体、玻色-爱因斯坦冷凝物和超固体。探测标签剂的许多已知方法利用若干个光谱技术的一个，例如表面增强光谱(SES)技术，如SERS或SERRS。广义而言，适当的材料分为两类纳米/微观和宏观。例如，·已知某些大小和形状的Ag和Au纳米粒子和其聚集物支持SERS。同样，在文献中已描述了很多种宏观SERS基底，包括电极、蒸镀膜、朗缪尔-布罗基特(Langmuir-Blodgett)膜、二维平面阵列等等。已知利用SERS活性标签的现有技术标记方法通常包括具有已知SERS活性特性的报道分子或染料。例如，已知的SERS活性化学品可作为染料添加，以标示燃料，且当SERS活性染料与SERS活性金属粒子或基底结合时，获得后续的SERS光谱。仅已知有限数量的SERS活性化学品。许多本文中公开的实施方案以使用表面增强光谱(SES)活性标签剂为特征。研究最广泛的是表面增强拉曼散射和表面增强荧光(SEF)。但是已观察到多种其它表面增强现象，包括表面增强超拉曼散射(SEHRS)、表面增强超拉曼谐振散射(SEHRRS)、表面增强瑞利散射、表面增强二次谐波产生(SHG)、表面增强红外吸收反射(SEIRA)和表面增强激光解吸离子化(SELDI)。这些是称为等离子体增强或等离子体增强光谱的更广泛领域的一部分，其除了上文提及的现象之外，还包括表面等离子体增强发射(例如SPASERS-辐射自发射的表面等离子体放大)、等离子体增强衍射和等离子体增强光传输。等离子体增强也是一种提高太阳能电池效率的方法。如在整个本公开内容中所使用，SES包括上文所列出和任何相关或类似的光谱技术。本文中的许多实施例参考SERS而描述。然而须注意，本文中公开的方法、组合物和粒子可等同地应用于SERRS、SEHRS、SEF、SEHRRS、SHG、SEIRA、SPASERS或其它表面增强或等离子体增强SES技术。表面增强拉曼散射(SERS)活性粒子可用于多种应用。一个有趣的应用是防伪，且更特别地用于校验钞票、税章、标签(banderol)、护照、身份证、驾驶执照、工作许可证、信托文件、股票和债券证书，以及其它含有油墨的有价值文件的真实性、来源、年限和/或流通路径。同样，SERS活性粒子可用于类似目的，以标示或标记含有由油墨或漆组成的印刷物或文字的多种其它材料，包括但不限于软件、机器零件如飞机零件或汽车零件、仪器、医药和诊断产品、医疗装置、奢侈品、快速消费品、CD、DVD和其它电子存储组件等等。此外，任何类型产品的任何含油墨或含漆包装是为了防伪或认证目的而引入SERS活性粒子的可行位置。附加的与SERS活性粒子密切关联的应用包括品牌安全、品牌保护、商标保护、产品安全、产品识别、品牌转换、条形码、灰色市场整治、敌友分析、产品生命周期分析、伪造、真实性法医分析、生物辨识、文件跟踪、监管链分析、产品篡改、防走私、走私探测、供应链跟踪、产品跟踪、收入损失恢复、产品系列化、系列化认证、新鲜度跟踪、按日期销售跟踪、按日期使用跟踪、对象跟踪和远距探测和/或远距识别。此外，SERS活性粒子可用于这些应用的组合，包括但不限于认证和按日期销售跟踪的组合。这些应用统称为行业安全。本文中所述且可根据所公开的方法且使用所公开的材料而改性的一个非排他性和非限制性类型的标签是SERS纳米标签，也称为SERS标签。SERS纳米标签是通过表面增强拉曼散射(SERS)起作用的纳米粒子光学探测标签。SERS是基于激光的光谱法，其针对分子产生具有比典型荧光窄得多的特征的指纹式振动光谱。典型SERS纳米标签包括金属纳米粒子核和SiO2(玻璃)或其它含有硅的包封剂。包括但不限于各种类型的聚合物的其它材料也可以使用为包封剂或壳。涉及典型SERS纳米标签的使用、制造和特性的细节包括在标题为"Surface Enhanced Spectroscopy-Active Composite Nanoparticles^ 的美国专利第 6，514, 767 号；标题为"Surface EnhancedSpectroscopy-Active CompositeNanoparticles"的美国专利第 7, 192, 778 号；标题为 ^Surface EnhancedSpectroscopy-Active Composite Nanoparticles^ 的美国专利第 7, 443, 489 号和标题为"Surface Enhanced Spectrometry-Active CompositeNanoparticles"的美国公开专利申请案第US2006-0054506号中，通过引用将每份专利和公开案中公开的所有事项并入本文中。虽然本文中公开的实施方案按照从单个纳米粒子核制备的SERS纳米标签而描述，但是应了解，纳米粒子核团簇或聚集体可用于制备SERS纳米标签。本领域技术人员已知可用于制备金属胶体聚集体的团簇的方法。也预期使用标题为"Surface EnhancedSpectroscopy-Active Sandwich Nanoparticles^ 的美国专利第 6，861, 263 号中描述的夹心型粒子，通过引用将所述专利公开的一切事项并入本文中。纳米粒子核可为已知将会经由等离子(电磁)因素、化学因素或所述因素的组合而拉曼增强的任何材料。纳米粒子核可为各向同性或各向异性的。适合作为SERS纳米标签的核的纳米粒子包括胶体金属；空心或实心的(filled)纳米棒；磁性、顺磁性、导电或绝缘的纳米粒子；合成粒子；水凝胶(胶体或棒)等。纳米粒子可作为单个纳米粒子存在，或作为纳米粒子的团簇或聚集体而存在。纳米粒子可以多种形状存在，包括但不限于球体、棒、圆盘、棱锥、立方体、圆柱体、纳米螺旋、纳米弹簧、纳米环、棒形纳米粒子、箭头形纳米粒子、泪滴状纳米粒子、四角锥形纳米粒子、棱柱形纳米粒子和多个其它几何和非几何形状。已描述的另一个类别的纳米粒子包括具有内表面积的纳米粒子。这些纳米粒子包括空心粒子和多孔或半多孔粒子。虽然认识到粒子形状和纵横比可影响纳米粒子的物理、光学和电子特性，但是特定形状、纵横比或是否存在内表面积对粒子作为纳米粒子的资质无影响。如本文中所定义的纳米粒子也包括这样的纳米粒子其中金属部分包括附加组份(例如以核-壳粒的形式)。每个SERS纳米标签通常用一个或多个唯一报道体编码，所述报道体包括位于纳米粒子核与玻璃或其它适当包封剂的壳之间的界面上的有机或无机分子，或者有机或无机材料。这种探测标签的途径平衡作为高分辨率分子光谱工具的拉曼散射的强度(strength)和与SERS相关的增强，同时绕开在制造独立SERS基底时经常遇到的缺陷，例如重复性困难和缺乏选择性。SERS纳米标签在633nm、785nm、1064nm或其它适当激发波长下展现强光谱(超过106的增强因子)，这些波长可被选择以避免生物样品(例如全血冲和基质(如玻璃和塑料)中的固有背景荧光。基本上为SERS钝性的或相对较弱SERS活性的包封剂使粒子稳定以免聚集，防止报道体扩散开，防止非所需物质的竞争性吸附，并且提供建立异常良好的表面。玻璃、二氧化硅、硅酸盐或含硅物质非常适合作为包封剂。典型SERS纳米标签不展现波长依赖性响应。因此，当在若干个激发波长之一下激发时，已知的标签将返回一个可识别光谱。例如，已知的标签可以是可激发的，且在785nm和1064nm的激发波长两者下返回可探测的SERS光谱。波长选择性标签可用于许多目的，包括但不限于材料或文件的隐蔽记号。如本文中所使用，波长选择性粒子是在一个或多个波长下不能有效激发或解调的粒子，其中所选报道分子/金属纳米粒子组合通常会产生SERS 光谱。例如，当使用1064nm的激发波长时，波长选择性SERS纳米标签可为SERS活性的，但在785nm下是钝性的，其中将基于报道体而预期785nm下的活性。重要的是注意，本文中讨论的许多实施例以在785nm下将不是SERS活性的，但使用1064nm激发将容易被识别的标签为特征。这种特定波长选择性仅是代表性的。所公开的或类似的方法可用于制造在785nm下显示光谱但在1064nm下不显示光谱的相反标签。此外，所描述的方法和材料可适应于其它适当波长。此外，可使用效应(或材料)组合以产生更复杂的波长响应分布(profile)。例如，SERS标签可在633nm、785nm和1064nm下可激发。接着用在633nm和1064nm下强烈吸收光,但在785nm下不吸收光的材料涂布粒子。在前者频率的任一个下激发不会产生光谱，但在后者下激发会产生光谱。或者，可使分布相反，使得在633nm和1064nm下激发能获得SERS光谱，但在785nm下激发无法获得。波长选择性的所有变更属于本公开内容的范畴。一种将波长选择性赋予本来(otherwise)非选择性标签的方法是对标签添加涂层，所述涂层阻断本来会引起激发的光。例如，如上文所述的典型SERS纳米标签的涂层可用在785nm下阻断光,但在1064nm下不阻断光的Au纳米棒补充。这种方法在下文的实施例I至5中更详细讨论。在认证应用中调整SERS标签的波长选择性的一个类似途径是用在给定波长下阻断吸收的材料的第二层覆盖SERS纳米标签层。例如，如果将对785nm和1064nm激发响应的SERS标签放入清漆中，并且涂布到一张纸上，那么在任一波长下的解调将产生SERS光谱。然而，如果将在785nm下强烈吸收但在1064nm下完全透射的黑色油墨层施加到SERS标签涂层上，那么在785nm激发下将看不到SERS光谱，但在1064nm激发下将看到正常光谱。另一个途径是使用在激发波长下具有非零消光的报道体，引致表面增强谐振拉曼光谱(SERRS)。虽然在激发波长下报道分子的较大吸光度引致较大谐振增强是事实，但是较大吸光度还必然导致从激发态的不可逆失活过程的增加的可能性也是事实，这可导致降低的标签稳定性。实施例I-与SERS纳米标签结合的Au纳米棒制备SERS纳米标签和Au纳米棒的若干物理混合物。在图I中描绘所述混合物在785nm和1064nm下的UV-可见光消光和SERS行为。具体而言，SERS纳米标签/Au纳米棒混合物的拉曼光谱用在785nm (线图(chart) 102)和1064nm (线图104)下获得的数据图示。如线图102和线图104所示，SERS纳米标签浓度保持恒定，并且纳米棒浓度改变。样品的UV-可见光消光光谱也在线图106中示出，以及SERS响应对纳米棒浓度的图在线图108中示出。可注意到在785nm下信号几乎被完全抑制，而1064nm下信号相对不受影响。也可以注意到，含有最多纳米棒的样品不能通过UV-可见光测量，因为其消光太高而无法由仪器读取。实施例2-与SERS纳米标签静电结合的Au纳米棒虽然实施例I中获得的结果表明赋予波长选择性的第一公开方法在概念上是合理的，但是使足够量的Au纳米棒吸附到纳米标签上是挑战性的。通过使用静电方法将纳米棒连结到玻璃包封的纳米标签而针对克服吸附挑战已经取得明显进展。通常，增强吸附技术涉及使带电涂层与纳米棒结合，以及使带相反电荷的涂层与SERS纳米标签结合。例如，如最初所生产的，实施例I中使用的纳米棒可通过带正电的双层CTAB (十六烷基三甲基溴化铵)稳定。然而，移除过量CTAB (其阻碍吸附)可使所述棒失去稳定，并引起聚集。用带负电的聚合物涂布纳米棒允许更彻底的清洁。为完全实施这种方法，SERS纳米标签也必须·用带正电的聚合物涂布。此外，可通过将纳米棒与另一分子结合而增强静电组合方法。在实施例2中，纳米棒与标为SERS-817的少量谐振SERS报道体混合。随后，纳米棒通过带负电的聚合物稳定，并全面清洁。使用先前已用带正电的聚合物涂布的SERS纳米标签制备物理混合物，促进棒到SERS粒子的一些吸附。在充分的培育(incubation)期之后，通过添加过量的带负电聚合物而稳定所述混合物(“包封”纳米标签/纳米棒组件，并使其更便于清洁)。简单地清洁所述组件以移除大部分未连结的纳米棒和过量的聚合物，此后，将其包封在玻璃中。所得粒子组件在图2的TEM图像中示出。观察到所述粒子是完全成簇的(clumpy)，且在1064nm下未展现特别强的SERS信号。然而如图3中所示,这些粒子在785nm(图迹线(graph trace) 302)和1064nm(图迹线304)下确实具有明显且独特的信号(signature)，其中1064nm的信号对应于SERS纳米标签上的BPE报道体，且785nm光谱对应于在初始步骤中添加到纳米棒的报道体SERS-817的SERS光谱。因此，如图3中所图示，这个结果表明在785nm下，光子未到达内部核或内部报道分子。如果785nm激发光到达了 SERS纳米标签的核，那么会呈现BPE报道体的强光谱。实施例3-Au纳米棒作为等离子体吸收齐[I (absorber)可改进与SERS纳米标签结合的纳米棒的吸附特性，以提高所得粒子的波长选择性。图4的TEM图像是用纳米棒涂布(如前文所述的经由静电吸附)的纳米标签样品。然而这个样品利用由于纳米棒形状、大小或纵横比而本质上更适合于阻断785nm的激发能量的纳米棒。因此，如图5中所示，实施例3的SERS纳米标签在785nm下显示明显比原始标签低的SERS响应(参见图迹线502)。在12. 5μ g/mL的金浓度下获取图5中的所有数据。所观察到的信号上的降低大约比未改性的标签小十倍。然而，可能由于聚集，纳米棒的消光似乎已变宽，导致1064nm下的信号明显受影响(图迹线504)。这个结果进一步证明等离子体吸收剂可有效地用于抑制给定波长下的SERS响应，且因此产生波长选择性粒子。实施例4-涂布玻璃的Au纳米棒作为等离子体吸收剂与SERS纳米标签结合的纳米棒的等离子性质可在与SERS纳米标签结合之前稳定，以防止由纳米棒-纳米棒相互作用引起的等离子性质的变化。在这个实施例中，首先用薄玻璃壳涂布金纳米棒。这个玻璃壳防止在纳米棒吸附到SERS纳米标签之前或期间由纳米棒的聚集或聚结而引起的等离子变化。因此，保持了金纳米棒的光学性质，并且观察到明确得多的波长响应。如前文所述，接着可使用静电方法而容易地使涂布玻璃的纳米棒直接吸附到SERS纳米标签。图6示出用涂布二氧化硅的纳米棒处理之前和之后的SERS纳米标签的拉曼光谱。处理之后，785nm下的SERS强度对1064nm下的SERS强度减小大约8倍。图7示出纳米棒-纳米标签合成粒子的SEM。实施例5-等离子壳作为等离子体吸收剂可将具有由纳米级金属壳围绕的电介质核的核-壳结构制造成在近IR中具有等离子体谐振。例如参见图8的二氧化硅-AG核壳粒子的吸光度光谱。具体而言，可将核与壳的相对尺寸设计用来产生约785nm的等离子体谐振。这种结构将削弱嵌入所述结构内的 SERS纳米标签的SERS响应，因为所述壳的等离子体谐振会阻止来自激发激光的光到达纳米标签，并且也阻止拉曼散射的光逸出。由于可将等离子体谐振设计成在1064nm下最低限度地吸收，所以可调整粒子的几何形状以在1064nm下最低限度地影响纳米标签的SERS信号。产生波长选择性SERS粒子的替代方法A.分子吸收剂可利用分子吸收剂以阻断所选波长，例如785nm (或其它波长)的激发源，或所得SERS发射。然而，典型化学吸收剂的横截面会比Au纳米棒的横截面小得多，因此需要存在明显更多的分子。然而，这可能是有利的，因为许多这些分子吸收剂展现微弱的荧光。在高浓度下，这种荧光可被淬灭(quench)，得到具有最少、无特征发射的粒子。—种可提供高掺杂程度的方法是形成具有非常大的表面积的多孔玻璃壳。如果可将近IR吸收剂物理地吸附至玻璃，那么整个粒子可用附加的二氧化硅层覆盖。玻璃生长过程中表面活性剂的存在可导致具有非常大表面积的介孔涂层。此外，假形相转换(pseudomorphic transformation)方法可允许已制备的SERS纳米标签被转化成具有介孔壳的标签。任选地，可随后覆盖孔以防止染料或阻断分子逸出。或者，可将吸收剂经由硅烷试剂(例如3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS))或任何其它偶联剂而共价连接到SERS纳米标签的二氧化硅表面。以这种方式，随着更厚玻璃壳的形成，可将分子引入遍及二氧化硅。可将吸收相关波长的光的任何材料用于分子吸收剂应用。例如，可将标签引入到在期望波长下吸收的油墨中。实施例6-被分子吸收剂围绕的SERS纳米标签图9中呈现的数据表明分子吸收剂可用于遮蔽使用785nm激发而来自SERS纳米标签的信号，同时使来自1064nm激发的信号不变。对于实施例6,将SERS纳米标签悬浮在不含分子吸收剂且含有标为IRA-800的10 μ g/mL和100 μ g/mL的分子吸收剂的水溶液中。SERS纳米标签的浓度在所有情况中相同。在分子吸收剂是10 μ g/mL的情况下，785nm下来自SERS纳米标签的SERS信号不易看见，虽然观察到来自分子吸收剂的微弱荧光。然而，在吸收剂浓度是100 μ g/mL的情况下，不仅SERS信号被完全遮蔽，而且来自分子吸收剂的荧光也被淬灭，形成785nm下微弱、无特征的发射。相比之下,在这些溶液中，1064nm下的SERS响应几乎无变化。实施例7-具有介孔包封剂的SERS纳米标签实施例7中的粒子以在存在表面活性剂CTAB下完成的附加玻璃涂层为特征，以制备如上文所述的介孔包封剂。虽然难以确定玻璃是否确实是多孔的，但是如图10中所示，涂层确实看起来与从典型SERS纳 米标签包封过程获得的光滑涂层不同。这些孔的大小预期小于5nm。B.调整表面等离子体将波长选择性赋予SERS纳米标签的一个替代方法是(例如)生产具有在1064nm下比在785nm下本征更好的响应的增强标签。这种调节可通过明智地选择标签材料、形状、大小或聚集程度来完成。C.使用谐振报道体具有近1064nm吸收特征的分子可提供谐振增强。例如，染料IR-1048(sigma-aldrich)具有集中在1048nm下的强分子吸收，而染料IR-27在988nm下具有最大吸光度。P.电荷转移谐振相对其它波长，在1064nm下给出增强响应的其它类别的分子包括偶氮吡啶、各种AZP/苯并喹啉(benzocinnoline)(特别是在1064nm下比在785nm下更佳的分子)、突光团/金属络合物、光致变色/热致变色分子(螺吡喃)等。E.摭蔽SERS信号上文详述的一些实施例通过阻断激发波长的入射或阻断由所选波长下的激发引起的SERS光谱发射而赋予SERS纳米标签波长选择性。或者，可产生SERS纳米标签的SERS信号，但在探测之前有效地被遮蔽。例如，分子或材料可与在使用785nm激发时为强荧光的包封剂结合。可随后用1064nm激发使SERS探测发生。实施例8-通过荧光遮蔽SERS信号图11示出从含有染料IR-140 (IOOnM)和SERS标签样品的混合物获得的两个光谱。当在785nm下激发时，观察到因IR-140的强荧光发射光谱1102，并且不能探测到SERS标签的存在。所述荧光有效遮蔽了拉曼标签存在的事实。当在1064nm下激发时，探测到来自SERS标签的拉曼光谱1104。这个结果通过两种物质的物理混合而获得。或者，荧光材料可引入到SERS标签的结构中。注意，785nm下的SERS完全被突光掩盖,但当在1064nm下激发时没有突光。添加到粒子的染料量对应于远小于单层覆盖，意味着针对有效的波长选择性标签，将需要将极少的荧光团引入SERS标签中。F.替代读出方法可使用替代读出方法以将波长选择性赋予SERS纳米标签。典型拉曼散射以皮秒的时间尺度出现，而荧光以最快的在纳秒机制中出现而出现，且其它发光过程可慢得多。由于时间行为上的这种差异，即使当发光在相同波长下出现时也可探测到拉曼散射。通过用比发光寿命短得多的光脉冲激发拉曼散射和发光两者，可使用时间分辨探测。接着可使用时间选通探测以测量拉曼散射，同时拒绝大部分发光。或者在频域中，激发源的振幅可在高频调制。以这种方式，具快速响应的过程(即，拉曼散射)遵循所述调制频率，且可用频率和相位敏感探测器探测。来自响应较慢的过程的信号可被频率敏感探测器拒绝。因此，拥有光谱未分辨(spectrally unresolved)的突光和拉曼散射两者的材料可用作拉曼标签。G.瞬杰光漂白使用导致分子吸收至饱和的强光脉冲是可能的。这种情况在光子被吸收的速率超过激发态可被削弱的速率时发生。此时，入射光子将自由激发拉曼散射和SERS。合适的读出系统将需要脉冲光源和快速探测系统。替代实施方案包括制造如上文所述的波长选择性SERS纳米标签的方法。替代方法也包括使用波长选择性SERS纳米标签以标示或标记项目、物质、文件或物品，使得可在比基于与SERS纳米标签一起使用的报道分子的性质的预期更小的解调频率下探测标签。标记方法包括提供如上文所述的SERS活性粒子，以及将所述粒子与相关材 料或对象结合。标记方法可进一步包括从与相关材料结合的粒子获得SERS光谱和其它识别信息，且从而识别所标示的对象或物质。如本文中所述，补充的识别信息可与所述标签或对象结合。本文中公开的粒子的小型、耐用(robust)、无毒和易连结的性质允许其用于标记几乎任何期望对象。标记的对象可由固体、液体或气相材料或相的任意组合制成。所述材料可是离散固体物件，例如容器，药丸或首饰件，或连续或粒状材料，例如涂料、油墨、燃料，或例如纺织品、纸张或塑料的延伸片，在这些情况中粒子通常分布遍及材料。可用本文中公开的粒子标记或粒子可引入其中的特定材料或对象的实例包括但不限于·包装，包括粘合剂、纸张、塑料、标签和封条 农用化学品、种子和作物·艺术品·计算机芯片·化妆品和香水·光盘(⑶)、数字视频光盘(DVD)和录像带·文件、货币和其它纸制品(例如，标签，护照，股票凭证)·油墨、涂料、清漆、天然漆(lacquer)、外涂层、上涂层和染料·电子装置·爆炸物和武器·食品和饮料、烟草·纺织品、服装、鞋类、设计师产品、服装标签·聚合物·昆虫、鸟类、爬行动物和哺乳动物·粉末·奢侈品·其它防伪物质或材料，例如全息图、光学可变装置、色移油墨、线纹(thread)和光学活性粒子 危险废弃物·电影道具和纪念品、体育纪念品和服装
·制造零件、汽车零件、飞机零件、卡车零件·石油、燃料、润滑油、汽油、原油、柴油燃料、燃料添加剂包(additive package)、原油·医药品、处方药、非处方药品和疫苗本文中公开的粒子可以维持其结合的任何方式与材料结合，至少直到粒子被读取。取决于将要标记的材料，粒子可在生产期间引入成品中或与成品结合。因为粒子很小，其不太可能对工艺或成品具有有害影响。粒子可经由本身不妨碍粒子功能的任何化学或物理手段与材料结合或连接(attach)到材料。例如，粒子可与基于液体的物质混合且分布遍布基于液体的物质，所述基于液体的物质例如为涂料、油或油墨，且接着施加到表面。它们可缠绕在纺织品、纸张或其它纤维或纺织品的纤维中，或捕集在多层标签的层间。粒子可在 聚合或浆化材料的生产期间引入，并且在材料聚合或干燥期间连结。此外，粒子表面可用任何期望特性的官能团进行化学衍生，以共价或非共价连结到材料。当将粒子施加到成品时，其可例如通过移液管手动施加，或由移液管、喷嘴等自动施加。可在适当溶剂(例如，乙醇)的溶液中施加粒子，接着将溶剂蒸发。本文中公开的粒子具有有利于标记、跟踪和识别应用的许多固有性质。其提供大量可能码(possible code)。例如,如果粒子面板(panel)构造有20个可区分的拉曼光谱，且一个对象用两种(个)粒子标记，那么具有20*19/2=190个不同码。如果每个对象的粒子数增加到5种(个)，那么具有15，504个可能码。每个对象十种(个)粒子产生I. IxlO6个不同码。更精密单色器将可区分的光谱数增加到例如50个，大大增加了可能码数。或者，可使用不同量的粒子以产生指数增加的可能码数。例如，只用四个不同粒子类型(N=4)，存在于三个不同强度水平(例如，高，中，低)(L=3 )，一次选择三个(P=3 )，可产生58个不同码。在N=10、P=3、L=I的情况下，码数是175。在N=50、P=5、L=4的情况下，可能有超过十亿个码。在一些实施方案中，粒子可以油墨或其它记号材料施加到文件或其它项目。油墨包括但不限于苯胺油墨、平版油墨、丝网印刷油墨、凹印油墨、渗色油墨、硬币反应性油墨、可擦油墨、笔反应性油墨、热反应性墨油墨、可见红外线油墨、光学变色油墨和透印油墨、光致变色油墨、溶剂/化学反应性油墨、热致变色油墨和水性褪色油墨。粒子也可以应用于电子照相和喷墨打印机和其它系统中，包括平版印刷、凸版印刷、凹版印刷、凹版照相、静电复印、摄影、丝网印刷系统；用于将离散数量的标记材料成像沉积在基底表面上的系统，例如涂料、化学和膜沉积系统；和用于将着色剂材料整合在纤维基底的暴露表面中的系统，例如纺织品印花系统。应注意，针对特定项目或文件，可包括附加安全特征或附加安全特征与所公开的标签一起利用。一个这种附加安全特征可为独立安全油墨，例如渗色油墨、硬币反应性油墨、可擦油墨、笔反应性油墨、热反应性墨油墨、可见红外线油墨、光学变色油墨和透印油墨、光致变色油墨、溶剂/化学反应性油墨、热致变色油墨，或水性褪色油墨。标签可作为油墨的一部分施加，或在单独步骤中施加。除所公开的针对文件或项目记号的标签之外，可利用的其它不基于油墨的安全特征包括使用升序序列号(水平和/或竖直格式)、条形码和数字、有色纤维、嵌入式安全线纹，正面-背面光学对准设计(透明对准器)、箔印、全息图、隐藏印记、微印刷、光学可变装置(0VD)、防伪圆点(Planchette)、凸起记号、分段安全线纹和水印。所公开的粒子可通过涂布图像而施加，包括但不限于用本领域中已知的用调色剂或油墨组合物制造的全息图像，如用外涂布清漆或淀粉外涂布。在文件具有其它安全特征的情况中，例如包括聚合物线纹或金属箔的那些，粒子可施加到附加特征，例如所述线纹或箔。可考虑使单个标签表示可根据本文中所述的方法而改变的数据比特。因此，本文中公开的可区分的粒子组可施加以组成“字母”，以及组合为可选择性地变化或可随时间变化的单词或编码信息。本文中公开的粒子可使用传统光谱仪识别，例如拉曼光谱仪。实际上，使用SERS粒子的一个优点是可用于拉曼光谱的激发源和探测仪器的多样性。可使用不同大小和构造的可见光或近-IR激光以产生拉曼光谱。常用的是便携式、手持和公文包大小的仪器。同时，具有更大光谱解析能力的更精密单色器允许可用于给定光谱区域内的专门标签剂的数量增加。例如，区分最大差异仅为3cm—1的两个拉曼峰的能力是常见的。 通常，如果提供适当波导(例如，光纤)以将光传输到对象且从对象传输光，那么激发源和探测器可以实体远离正在校验的对象。这允许所公开的粒子用在难以放置传统光源或探测器的位置中。拉曼散射和基于激光的单色激发的性质使得不需要将激发源置于最接近拉曼活性物质。此外，本文中所公开的粒子适合与所有已知形式的拉曼光谱仪一起使用，包括一些较新的仪器包括空间偏移拉曼、拉曼吸收光谱仪、用于测量拉曼光学活动的仪器
坐坐寸寸ο所公开的粒子的另一个特性是其光谱的测量不需要严格局限于“视线”探测，如使用例如荧光标签。因此，可在不将粒子从标记对象上移除的情况下获取其光谱，前提是材料对激发波长和拉曼光子两者是部分透明的。例如，水具有可忽略的拉曼活性，且不吸收可见辐射，使本文中所公开的粒子可在水中被探测到。当粒子嵌入例如透明塑料、纸张或某些油墨中时也可以被探测到。所公开的粒子也允许定量校验，因为信号强度是分析物分子数量的近似线性函数。对于标准化的粒子(分析物均匀分布)，所测量到的信号强度反映了粒子数量或密度。如果粒子按已知浓度添加，那么所测量到的信号强度可用于探测液体或粒状材料的不期望的稀释。在另一个实施方案中，用能够测量非弹性散射光且确定SERS粒子的身份的仪器且通过延伸(extension)标记项目而探测标记项目中的SERS粒子。在一个实施方案中，所述仪器需要照亮所述标记项目的激发源。收集来自SERS粒子的非弹性散射光。分析散射光的光谱，且确定粒子的特性(identity)，且因此确定项目。读取器可为拉曼光谱仪。收集并且分析拉曼光谱的仪器(读取器)可以小到I立方毫米和大到1000立方米。用于激发粒子的光源可为来自以固体状态、气体或液体运行的激光的单色光。激光可以是连续或脉冲的。连续激光可具有从01.毫微微瓦到最高I兆瓦的功率。脉冲激光可具有近似的总功率，脉冲短到小于I毫微微秒，且脉冲重复率高达I太赫。或者，可使用多个光源。在一个实施方案中，使用多个单独激发波长以确定存在或不存在如上文所述的波长选择性粒子，或使用一个激发波长以覆盖拉曼位移窗的某一部分(例如，lOOcnT1至1800cm^),以及第二个激发波长覆盖另一个部分(例如，180Icm^1至3600(31^1)而补偿在某些光谱区域中具有较低光电子转化效率的探测器。
除激光之外，光可来自电致发光材料，例如发光二极管。或者，激发光可来自白炽光源或荧光光源。在所有实施方案中，激发波长范围可以从IOOnm到100微米。激发光可用离散滤波器或空间分散元件空间过滤。在一个实施方案中，单色光光谱宽度小于O. 5nm。在其它实施方案中，光谱宽度是从O. Olnm的带宽到IOOnm的带宽。激发和收集的光可在用透镜、镜面、光管、光栅、波导、光纤或任何其它组元的解调之下引导到项目以及引导自项目。所有光学和机械元件可(但不必需)整合为单个平台。 在一个实施方案中，激发源和收集系统用光管或光纤连接到样品输送光学器件。在其它实施方案中，离散光学元件连接激发源和探测元件。这些离散光学器件包括透镜、镜面或其它波导。在其它实施方案中，激发源、收集光谱仪或所有项目使用微制造技术而制造，例如LIGA、模制、蚀亥lJ、MEMS、NEMS、平版印刷、光刻或其它单片方法。来自激发源的照射点直径上可大于100微米。在其它实施方案中，照射点可小到100平方纳米，且大到I平方米。在一个实施方案中，收集的光由光谱仪分析。光谱仪使用光栅将所收集的光分散到区域阵列探测器上，优选地是电荷耦合装置(CXD)。所述C⑶将光谱分段(bin)，每段对应于给定波长范围。所使用的段数量范围可从I段到好几千段。在一个实施方案中，段的数量大于20个。光谱仪光学器件通常具有特定光谱分辨率。例如，分辨率可为小于IOnm或介于Inm至4nm之间。在其它实施方案中，分辨率是从O. Olnm至5000nm。所选分辨率可为
O.OlcnT1 至 40000CHT1，以波数表达。在一个实施方案中，光学地将光分段的方法使用用棱镜、光栅或任何空间分散兀件的光分散的任何形式。在其它实施方案中，使用数字微镜阵列以空间分散光。使用其它可调节光谱滤波器，包括声光可调节滤波器、电光可调节滤波器、液晶可调节滤波器。也可以使用任何形式的扫描光谱分析法，例如傅里叶变换关联能谱法。在另一个实施方案中，可使用单个探测元件或探测元件阵列。用离散光学滤波器或用其它上文提及的光谱滤波方法分析光谱。在一个实施方案中，探测器元件是由硅、InGA或任何其它半导体制成的CCD或光电二极管阵列。最近，已描述由有机材料(例如，导电聚合物)和由基于碳的组合物制成的探测器。在其它实施方案中，探测元件是将电磁能(即，光子)转化为电子或其它电能或热能或声能的任何元件。转化的电能由电路分析。如果需要，电路通常将来自探测器的模拟信号转化成数字信号，所述数字信号存储在计算机中或由计算机分析。所述数字信号可被分析以确定标签的存在。所述数字信号可以是离散信号水平，或对应于光谱的信号水平流。在其它实施方案中，电路可使用模拟逻辑元件以确定标签的信号水平，以及项目是否被标记。在一个实施方案中，所获取的光谱由计算机分析，以在考虑对光谱有贡献的其它材料(即，其它油墨、材料污染物等等)的存在之后确定SERS粒子的存在。例如，用市售拉曼光谱仪的SERS粒子，例如Delta Nu报道体。拉曼光谱仪可由电话或其它个人数字助理中的小型计算机控制。所述小型计算机可与拉曼光谱仪通过无线连接通信，蓝牙或wi-fi或是其它无线协议。在这个实施方案中，小型计算机可从拉曼光谱仪接收获取的光谱，分析光谱并且识别项目。在另一个实施方案中，读取器系统是另一个机器的一部分。读取器使用来自机器的信号，以都实时开始探测标签并且执行分类。机器含有中央处理器，其识别标记的项目，并且针对所述项目判定其是否真实，和或所述标签是否正确。所述机器可以是用于处理、发行、整理、计算、筛选、跟踪、或验证钞票或货币，或用于任何其它行业安全应用的机器，且其中所标记的项目可以是药丸、子弹、衣物、机械零件、软件、食品、饮料或施加SERS粒子的任何其它项目。在其它实施方案中，所述机器是货币或邮票或文档印刷机或喷墨打印机或数码打印机或任何其它类型的印刷仪器，其中读取器用于过程监控。在其它实施方案中，所述机器是作为最终步骤检验标签剂的最终包装或贴标线的一部分。除拉曼光谱分析之外，仪器或读取器可执行其它功能。例如，所述仪器可测量弹性和非弹性光散射。或者，所述仪器可获取项目的光学图像以及光谱信号。同样，所述仪器可测量一个光谱窗中的荧光光谱和另一个光谱窗中的拉曼光谱。·
可分析光谱的光谱峰值、宽度、高度和位置、峰数、峰值比率或其组合。可通过任何数量的数学方法分析光谱，包括但不限于小波分析、主成分分析、线性和非线性回归或其组合。此外，可使用傅里叶变换、拉普拉斯变换、希尔德布兰德变换、阿达玛变换或任何其它数学方法，即，第一到更高阶导数，第一或高阶积分或任何其它分析，以操纵光谱信息。上文的所有方法可用于消除任何干扰或多余或非所需信号，包括但不限于(a)标准干扰，包括但不限于日光、杂质、纸张、油墨、线纹、纤维、金属、液体、固体、溶剂、水分，(b)与使用相关的信号，包括来自污物、污溃(如咖啡、啤酒、皮肤组织液)、灰尘、木炭、微量药物(如可卡因)的信号，(C)干扰光学信号，包括但不限于荧光、发光、吸收、散射、磷光和化学发光。在一个实施方案中，波长选择性SERS粒子单独使用，或组合使用以制造码。标签和其组合在可与产品、批号或其它属性相关的数据库中组织。已知标签光谱的库可用于寻找所需标签光谱。库可包括所有其它化合物、伪装物或任何其它预期材料。背景和其它组份可使用相同方法分离。背景和其它污染物可通过使用多项式或其它数学函数、滚环减法和光谱滤波而综合建模。数据库信息可存储在探测装置上，或存储在远程计算机上。远程计算机可以是蜂窝式电话或链接到单个或多个仪器的其它移动装置的一部分。远程计算机可以是与一系列仪器(从I个到2百万个)通过英特网连接或其它通信协议通信的个人计算机、笔记本电脑或中央计算云。所述仪器和计算机可通过无线网络链接。SERS粒子的多个属性可用于确定所标记的项目的身份。这些属性包括材料量和光谱质量、材料相对于另一种材料的量，光谱相对于其它光谱的质量。可使用统计方法，例如贝叶斯(Bayesian)方法执行SERS粒子的码或组合的分类。这些方法可用于分配样品含有所述码的概率。在其它方法中，针对一个属性设置一个阈值。虽然上文提及的实施例是针对SERS标签中的波长选择性，但是本领域技术人员可了解，波长选择性特征的掺入可内置到专用于其它光学探测方法的粒子中，包括但不限于荧光、发光、磷光、弹性(瑞利)光散射、上变频、下变频和多光子过程。除非另外指示，否则用于本说明书和权利要求中的表示成分数量、尺寸反应条件等等的所有数字将被理解为在一切情况下由术语“约”修饰。
在本申请案和权利要求中，单数的使用包括复数，除非另外明确规定。此外，“或”的使用意味着“和/或”，除非另外规定。此外，术语“包括(including)”以及其它形式的使用，例如“包括(includes)”和“包括(included)”不是限制性的。另外，例如“元件”或“组元”的术语涵盖包括一个单元的元件和组元，以及包括多个单元的元件和组元，除非另外明确规定。本公开内容的各种实施方案也包括权利要求中叙述的各种元件的置换，就如每个附属权利要求是并入每个前述附属权利要求以及独立权利要求的限制的多个附属权利要求。这些变化明确属于本公开内容的范畴。虽然已参考许多实施例特别示出和描述了实施方案，但是本领域技术人员应了解，可对本文中公开的各种实施例的形式和细节作出改变而不脱离本发明的精神和范畴，且本文中公开的各种实施方案并不意欲作为权利要求的范畴的限制。本文中引述的所有参考全部以引用的方式并入。已为了例证和描述的目的而提供描述，但其并不意欲是详尽的或将本发明限制成 所公开的形式。本发明的范畴仅受以下权利要求的范畴限制。本领域普通技术人员了解许多修改和变动。选择和描述图中描述和示出的实施方案以最好地说明本发明的原理、实践应用，且使本领域其他普通技术人员能够理解本发明的各种实施方案的各种适合于预期的特定用途的修改。
权利要求
1.一种波长选择性SERS纳米标签，其包括 SERS增强核； 与所述核结合的SERS活性报道分子； 包封所述核与报道体结合体的包封剂；和 与所述包封剂结合的阻断材料，其完全或部分阻断在所选波长下的光能通至所述报道分子，或者完全或部分阻断在所选波长下从所述报道分子的光能辐射。
2.权利要求I所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述阻断材料包括与所述包封剂结合的纳米棒。
3.权利要求2所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述纳米棒是Au纳米棒。
4.权利要求2所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述纳米棒与所述包封剂静电结八口 ο
5.权利要求4所述的波长选择性SERS纳米标签，其还包括与所述纳米棒结合的带电聚合物；和 与所述SERS纳米标签结合的带相反电荷的聚合物。
6.权利要求I所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述阻断材料是染料。
7.权利要求6所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述包封剂包括介孔表面。
8.权利要求6所述的波长选择性SERS纳米标签，其中所述阻断材料是荧光染料。
9.一种波长选择性SERS纳米标签，其包括 SERS增强核； 与所述核结合的SERS活性报道分子； 包封所述核与报道体结合体的包封剂；和 与所述包封剂结合的遮蔽材料，其完全或部分遮蔽在所选波长下从所述报道分子辐射的光能。
10.一种制造波长选择性SERS纳米标签的方法，其包括 提供SERS增强核； 将SERS活性报道分子与所述核结合； 用包封剂包封所述核与报道体结合体；和 将阻断材料与所述包封剂结合，所述阻断材料完全或部分阻断在所选波长下的光能通至所述报道分子，或者完全或部分阻断在所选波长下从所述报道分子辐射的光能的通过。
11.一种制造波长选择性SERS纳米标签的方法，其包括 提供SERS增强核； 将SERS活性报道分子与所述核结合； 用包封剂包封所述核和报道体结合体；和 将遮蔽材料与所述包封剂结合，所述遮蔽材料完全或部分遮蔽在所选波长下从所述报道分子辐射的光能。
全文摘要
一种波长选择性粒子，例如为了波长选择性而改性的SERS纳米标签。如本文中所使用，波长选择性粒子是不能在一种或多种波长下有效激发或解调的粒子，其中与所述粒子结合的报道分子通常会产生光谱。还公开了制造波长选择性粒子的方法和用波长选择性粒子标记材料或目标的方法。
文档编号G01J3/44GK102906552SQ201180025384
公开日2013年1月30日 申请日期2011年3月22日 优先权日2010年3月22日
发明者M.J.纳塔恩, R.G.弗里曼, W.E.多林, M.E.皮奥蒂 申请人:卡伯特安保材料股份有限公司