表面增强拉曼光谱(sers)可以用于各种产业中以检测分析物的存在。例如，sers可以用于安全产业中以针对爆炸物进行检测和/或扫描(例如，针对爆炸物和/或其他有害材质检测和/或扫描机场处的行李)。替代地，sers可以用于食品产业中以检测水和/或牛奶中的毒素或污染物。
附图说明
现在将参考附图描述示例，其中：
图1示出了包括读取设备和物质检测设备的物质检测系统的示例；
图2示出了图示流体感测和物质检测的示例方法的流程图；
图3示出了图示流体感测和物质检测的另一示例方法的流程图；
图4示出了物质检测设备的详细示例；
图5示出了图4的示例物质检测设备的腔室的替代视图，其中密封件将要从孔板移除；
图6示出了密封件已经从孔板移除之后的图5的示例物质检测设备；
图7示出了包括读取设备和物质检测设备的另一示例物质检测系统；
图8示出了图示流体感测和物质检测的另一示例方法的流程图。
遍及附图，相同的附图标记指定类似但不一定相同的元件。
具体实施方式
存在用于能够针对感兴趣物质的存在进行检测或测试的设备的各种应用。例如，物质检测/测试设备对于检测机场、制造设施、食品加工设施、药物制备工厂等中的爆炸物、毒素或有害物质的存在是有用的。一些物质检测设备的恰当运行可以部分取决于保护设备的基板免受污染。如果基板过早地暴露于环境或基板意图检测的物质(例如，分析物)，则基板可能被污染。过早暴露于环境或感兴趣物质可能使基板氧化并且在检测物质中不太有效，一旦设备基板有意暴露于物质的话。
减少基板污染的可能性的一种方式是减少设备一旦准备好针对感兴趣物质进行测试而处于空闲的时间量。在一些示例中，可能携带感兴趣物质的流体/液体被引入到物质检测设备的腔室中。在流体从腔室蒸发之后，可以针对物质的存在测试设备。然而，确定流体何时已经从腔室完全蒸发可能是有挑战性的。例如，通过以肉眼的观察确定流体是否已经完全蒸发是困难的。如果在腔室中仍然存在有流体的同时针对感兴趣物质测试设备，则测试结果可能不准确。然而，等待延长的时间段以确保流体已经从腔室完全蒸发在时间和金钱方面是昂贵的，并且还可能由于设备污染导致不准确的测试结果。在流体已经完全蒸发时与发起设备测试以检测感兴趣物质之间经过的时间越多，设备基板将由于暴露于露天而被污染的可能性越大。因此，在流体已经从设备腔室完全蒸发的时刻处针对感兴趣物质进行测试减少了污染的可能性并改善了测试结果的准确性。
因此，本文讨论的物质检测的示例包括感测和监视物质检测/测试设备内的流体的存在和/或水平面的能力。感测物质检测设备的腔室内的流体的闭环过程使得能够实现对在将流体引入到设备腔室之后何时开始物质检测过程的准确控制。当感测到流体时(即，潮湿状况)，可以在持续感测环中重复针对腔室内的流体的感测，并且一旦不再感测到流体就可以停止感测。当在腔室内不再感测到流体时(即，干燥状况)，可以发起物质检测过程以标识与流体一起被带入到腔室中的感兴趣物质。
感测流体的过程还可以包括感测物质检测设备的腔室中剩余的流体的水平面。感测流体水平面可以提供关于流体从腔室蒸发得多快的指示。在一些示例中，所感测的流体水平面可以用于确定是否在腔室内施加热(以及要施加多少热)以便加速流体的蒸发。可以针对感测到的流体水平面调整在腔室内施加的热量。
在一个示例中，物质检测方法包括针对物质检测设备的腔室中的流体进行感测。流体可以包含感兴趣物质(即分析物)。当在腔室中感测到流体时，针对流体的感测可以再次发生。感测可以持续直到在腔室中不再感测到流体。当在腔室中没有感测到流体时，发起物质检测过程。
在另一示例中，非暂时性机器可读存储介质存储指令，所述指令在由读取设备的处理器执行时使读取设备持续地针对物质检测设备的腔室中的流体进行感测，直到在腔室中没有感测到流体。当在腔室中没有感测到流体时，读取设备执行物质检测过程。作为物质检测过程的一部分，读取设备可以将光子发射到腔室中，检测散射的光子，并基于散射的光子的特征来标识物质。
在另一示例中，物质检测系统包括流体传感器以感测物质检测设备的腔室中的流体状况。该系统还包括设置在物质检测设备的腔室内的检测结构。该系统包括读取设备以从流体传感器接收指示流体状况的信号。当流体状况是干燥状况时，读取设备要检测在检测结构中的感兴趣物质。
通常，用于分析各种物质的示例物质检测/测试设备可以与表面增强拉曼光谱、增强荧光光谱或增强发光光谱一起使用，其均可以用于检测在物质检测/测试设备中或上的感兴趣物质的存在。示例物质检测设备包括金属或导电孔板或壳体，其保护设备的基板免于暴露于环境并且在使用之前减少(例如防止)基板和相关联的表面结构的氧化或其他污染。示例设备另外包括用于将流体引入到设备中的流体槽、用于感测设备中的流体的存在和/或水平面的传感器、以及用于生成热以加快流体从设备的蒸发的加热器。流体槽可以用于可控地且精确地将流体溶液或化学物质输送到物质检测设备的测试腔室。传感器可以通过感测电容器来实现，所述感测电容器测量流体溶液的阻抗和/或电容以便标识腔室内的流体的存在或不存在和/或腔室内的流体的水平面。在一些示例中，测量的阻抗和/或电容可以用于标识腔室中的流体和/或物质的参数或特性。加热器可以通过低温电阻加热器来实现，所述低温电阻加热器用于从腔室快速干燥和蒸发流体，以便使物质检测设备准备好用于包括物质检测过程的进一步分析。
在一些示例中，控制器管理物质检测过程的各个方面。在一个方面中，控制器可以实现闭环流体感测过程以确定物质检测设备的腔室内的流体的状态。在一个示例中，控制器可以针对腔室内的流体进行感测以确定先前引入的流体是否已经从腔室完全蒸发。针对流体的感测可以是持续的和/或可以包括基于时间间隔的感测。控制器可以持续针对腔室内的流体的感测，直到其确定流体已经完全蒸发。因此，控制器可以确定腔室是“潮湿的”还是“干燥的”。此外，闭环感测使得控制器能够确定腔室变为“干燥”的精确时刻。该确定使得控制器能够发起并执行物质检测过程以检测在流体内是否存在感兴趣物质(即，分析物)。
在闭环流体感测过程的另一示例中，控制器可以感测物质检测设备的腔室内的流体的水平面。确定在给定时刻处的腔室内的流体的水平面可以使得控制器能够发起加热动作以加热腔室中的流体以便加速流体从腔室的蒸发。腔室中的流体水平面的重复感测使得控制器能够随着流体水平面改变而修改施加到流体的热量。在一个示例中，当感测指示流体水平面较高(例如，在给定阈值以上)时，控制器可以增大给位于腔室内的电阻加热元件的能量以添加较多的热，并且当感测指示流体水平面较低(例如，在给定阈值以下)时，控制器可以减少或消除给加热元件的能量，以添加较少的热或根本不添加热。基于感测到的流体水平面来控制腔室内的热量的能力使得控制器能够加速流体的蒸发，同时避免可能导致不希望的结果(诸如腔室内的不希望的化学反应)的高温。腔室内的闭环流体水平面感测的这种方式使得控制器能够确定腔室中的流体已经完全蒸发并且腔室是“干燥”的精确时刻。然后，控制器可以在恰好的时间处发起并执行物质检测过程以检测感兴趣物质(即，分析物)，这有助于减少设备污染的可能性并提高物质检测过程中的整体效率。
在一些示例中，物质检测设备包括孔板、传感器、加热器以及纳米结构和纳米颗粒位于其上的基板。在一些示例中，为了将孔板与晶片或基板耦合或集成，孔板的凹侧定位成面对基板，使得在孔板和晶片或基板之间限定腔室。在一些这样的示例中，传感器、加热器以及纳米结构和纳米颗粒位于腔室内。使纳米结构和纳米颗粒位于腔室内有助于防止过早暴露于纳米结构和纳米颗粒意图检测的物质。孔板可以使用成群接合(gang-bond)过程(例如，接合金属的热压缩接合)耦合到晶片或基板。为了减少或甚至防止纳米结构和纳米颗粒意外暴露于纳米结构和纳米颗粒意图检测的诸如分析物的物质，聚合物带覆盖孔板的流体入口端口或孔口。
在使用示例物质检测设备期间，聚合物带可以至少部分地从孔板移除以打开并使流体槽/端口、孔口、腔室、基板、以及纳米结构和纳米颗粒暴露于环境。在一个示例中，流体溶液或化学物质可以通过设备的孔口和/或流体槽可控地输送到腔室。在基板、纳米结构和纳米颗粒已经暴露于流体溶液之后，传感器可以感测腔室中的流体状况，并且物质检测过程可以基于流体状况而发起。感兴趣物质可以基于从散射离开纳米结构和纳米颗粒的光子所确定的物质的特征来检测。在一些示例中，传感器可以测量可以与参考参数进行比较的物质的参数(例如，阻抗)的值。另外地或替代地，在基板、纳米结构和纳米颗粒已经暴露于流体溶液之后，加热器可以加热物质以增加流体在纳米结构和纳米颗粒上干燥的速率，以更快速地使基板、纳米结构和纳米颗粒准备好用于进一步分析。
当流体溶液从物质检测设备的腔室蒸发或干燥时，流体内携带的物质可以在腔室中的纳米结构和纳米颗粒上干燥。检测设备可以被放置在读取设备中或邻近于读取设备。示例读取设备可以包括照亮腔室中的基板以及纳米结构和纳米颗粒的光源。在一些示例中，使用具有适当的引导和/或过滤组件的分光计、光电检测器等来监视由基板、纳米结构和纳米颗粒所散射的光(例如，表面增强拉曼光谱中的拉曼散射、增强荧光光谱中的荧光、或增强发光光谱中的发光)。在一些示例中，由读取设备获得的结果显示在监视器上，并指示检测到或没有检测到感兴趣物质(即，正在测试的物质)。
图1示出了包括读取设备102和物质检测设备104的物质检测系统100的示例。读取设备102包括若干个物质读取组件106、功率源107和控制器108。物质读取组件106可以包括例如光源、光电检测器和显示器/监视器，其可以促进在物质检测过程期间对物质检测设备104的分析，如下面参考图7和8更详细地讨论的。
控制器108控制物质检测系统100的不同方面，包括流体感测过程和物质检测过程。控制器108包括处理器(cpu)110、诸如可执行指令112的软件和/或固件、包括易失性和非易失性存储器组件的存储器组件114、以及用于与物质检测设备104进行通信、分析和控制物质检测设备104的其他电子器件(未示出)。在一些示例中，控制器108可以包括专用集成电路(asic)116以执行用于与物质检测设备104进行通信、分析和控制物质检测设备104的过程。存储器114的组件包括非暂时性机器可读(例如，计算机/处理器可读)介质，其提供诸如模块118、120、指令112和参考值122的用于读取设备102的机器可读编码程序指令、数据结构、程序指令模块和其他数据的存储。存储在存储器114中的程序指令、数据结构和模块可以是可以由处理器(cpu)110执行以实现诸如本文讨论的示例的各种示例的安装包的一部分。因此，存储器114可以是诸如cd、dvd或闪存驱动器之类的便携式介质或者由可以从其下载和安装安装包的服务器所维护的存储器。在另一示例中，存储在存储器114中的程序指令、数据结构和模块可以是已经安装的一个或多个应用的一部分，在这种情况下，存储器114可以包括集成存储器，诸如硬盘驱动器。
流体感测模块118包括由cpu110和/或asic116可执行以执行物质检测设备104的流体感测的机器可读指令。图2示出了图示这样的流体感测和物质检测的示例方法200的流程图。参考图1和图2，在物质检测系统100的操作期间，在流体已经被引入到物质检测设备104的腔室124中之后，流体感测模块118通过位于腔室124内的流体传感器126针对流体进行感测(框202，图2)。在针对流体进行感测时，流体感测模块118从流体传感器126接收可以指示腔室124内的各种流体状况的信号。在示例中，流体传感器126可以指示腔室124内的流体的存在或不存在。因此，流体传感器126可以提供这样的信号，该信号指示在腔室124中没有流体(即，“干燥”状况)，这意味着先前引入的流体已经从腔室124完全蒸发。相反地，流体传感器126可以提供这样的信号，该信号指示在腔室124内存在有流体(即，“潮湿”状况)，这意味着先前引入的流体尚未从腔室124完全蒸发。当在腔室124中感测到流体时，流体感测模块118和流体传感器126可以以闭环方式持续针对流体的感测(框204，图2)，直到腔室124中的流体状况从“潮湿”状况转变为“干燥”状况。当在腔室124中没有感测到流体时，或者在腔室124内感测到从潮湿状况到干燥状况的转变时，控制器108的cpu110和/或asic116可以执行来自物质检测模块120的指令以发起并执行可以检测腔室124内的检测结构128上的感兴趣物质的物质检测过程(框206，图2)。下面参考图7和8更详细地讨论由模块120执行的物质检测过程。
图3示出了图示如例如由执行来自流体感测模块118的指令的cpu110和/或asic116可控的流体感测和物质检测的另一示例方法300的流程图。参考图1和图3，在流体已经被引入到物质检测设备104的腔室124中之后，流体感测模块118通过位于腔室124内的流体传感器126针对流体进行感测(框302，图3)。在针对流体进行感测时，流体感测模块118从流体传感器126接收可以指示腔室124内的各种流体状况的信号。在示例中，流体传感器126可以指示流体的存在或不存在。在另一示例中，流体传感器126可以指示腔室124内的流体水平面。
当在腔室124中感测到流体(即，腔室内的“潮湿”状况)时，在一个示例中，流体感测模块118可以等待预设的时间量经过，然后再次针对腔室124中的流体进行感测(框304，图3)。预设的时间量可以是可以促进流体从腔室的蒸发的任何时间量。另外，预设的时间量可以是基于在腔室中感测到的流体水平面而选择的时间量。例如，当在腔室中感测到较高的流体水平面时，预设的时间量可以是较大的时间量，并且当在腔室中感测到较低的流体水平面时，预设的时间量可以是较小的时间量。腔室内的较高流体水平面可以包括大于腔室内的容积的一定百分比的流体水平面，诸如例如大于腔室的容积的50％的流体水平面。腔室内的较低流体水平面可以包括小于腔室内的容积的一定百分比的流体水平面，诸如例如小于腔室的容积的50％的流体水平面。所指出的百分比以示例的方式提供，并不意图是限制性的。
在另一示例中，当在腔室124中感测到流体(即，腔室内的“潮湿”状况)时，流体感测模块118可以将热施加到腔室中的流体，然后再次针对腔室中的流体进行感测(框306，图3)，以确定是否所有的流体已经从腔室蒸发，从而导致“干燥”状况。此外，热的施加可以包括施加取决于在腔室124内感测到的流体水平面的热量。例如，基于感测到的流体水平面来施加热可以包括当腔室124中的流体水平面较高时施加较大的热量，并且当流体水平面较低时施加较小的热量。如以上一般描述的，腔室内的较高流体水平面可以是大于腔室内的容积的一定百分比的流体水平面，而较低流体水平面可以是小于腔室内的容积的一定百分比的流体水平面。可以通过控制功率源107向腔室124内的加热器130供应变化的电流量来在腔室124内施加更大或更小的热量。例如，加热器130可以实现为电阻加热元件。
在示例中，在控制感测和/或施加到腔室124的热量之间的时间量的同时针对流体进行感测的重复的闭环过程可以持续，直到在腔室124中不再感测到流体(即，直到腔室从“潮湿”状况转变为“干燥”状况)。当在腔室124中不再感测到流体时，流体感测模块118可以通过由cpu110和/或asic116对来自存储在存储器114中的物质检测模块120的机器可读指令的执行来发起物质检测过程(框308，图3)。如下面参考图7和8更详细讨论的物质检测过程可以检测腔室124内的检测结构128上的感兴趣物质。
图4示出了物质检测设备104的更详细示例。示例物质检测设备104包括经由接合焊盘404耦合到金属和/或导电孔板或壳体402的基板400。孔板402限定流体传感器126、加热器130、以及纳米结构406和纳米颗粒408位于其中的第一和第二腔室124(在图4中图示为腔室124a和124b)。纳米结构406、纳米颗粒408和基板400通常一起包括如上面参考图1提及的检测结构128。纳米结构406和纳米颗粒408可以是圆锥形的和柱形的。在一些示例中，在暴露于流体、物质或化学物质之后，柱结构被拉到一起以形成具有可控几何形状的纳米颗粒组装件以用于增强的光谱分析。在一些示例中，在暴露于流体、物质或化学物质之后，圆锥形结构具有相对尖锐的尖端，其针对光谱分析产生相对强的增强。在一些示例中，基板400是透明的，以使得能够实现通过基板400的对纳米结构406和纳米颗粒408的检测和分析。
在图4所示的示例物质检测设备104中，流体传感器126、加热器130、纳米结构406和纳米颗粒408被定位成邻近于和/或耦合到接合焊盘404和/或基板400的表面410。例如，基板400可以由任何合适的材料制成，所述材料诸如玻璃、塑料、纸、聚二甲基硅氧烷、透明材料、橡胶和/或膜。例如，孔板402可以由任何合适的材料制成，所述材料诸如金属、镍、金和/或铂。纳米颗粒408可以包括金和/或银和/或可以与诸如分析物的感兴趣物质反应、对诸如分析物的感兴趣物质响应、收集诸如分析物的感兴趣物质等的任何其他元素或化学物质。
示例物质检测设备104的纳米结构406和纳米颗粒408促进它们暴露于的感兴趣物质(即，分析物)的检测。在一些示例中，分析物被包含在已经引入到物质检测设备104的腔室124中的流体溶液或化学物质中。示例流体传感器126被接地412，并且由测量添加到腔室124的流体溶液或化学物质的阻抗和/或电容的感测电容器实现。如上文所讨论的，流体传感器126可以感测腔室124内的流体以确定流体的存在(即，“潮湿”腔室状况)和不存在(即，“干燥”腔室状况)以及确定腔室124内的流体水平面。另外，在一些示例中，来自传感器126的测量值可以用于确定流体溶液或化学物质的特征。例如，加热器130可以通过用于快速干燥流体溶液以便使物质检测设备104准备好用于包括物质检测过程的进一步分析的低温电阻加热器(例如电阻器)来实现。
为了限定腔室124a和124b的部分，孔板402包括锥形部分414、416、418和420；耦合部分422、424和426；和顶部部分428和430。腔室124a和124b的这些部分限定了孔口和/或流体入口孔432。在一些示例中，耦合部分422、424和426以及顶部部分428和430是间隔开的且彼此基本上平行，并且经由相应的锥形部分414、416、418和420耦合。如本文所使用的，短语“基本上平行”意指大约在平行的10度偏斜内。在其他示例中，耦合部分422、424和426与顶部部分428和430间隔开，但耦合部分422、424和426不平行于顶部部分428和430。
如图4的示例物质检测设备104中所示，第一腔室124a由锥形部分414和416以及顶部428限定。第二腔室124b由锥形部分418和420以及顶部部分430限定。在该示例中，耦合部分424耦合到基板400。耦合部分420和基板400联结以形成气密密封件以分离第一腔室124a和第二腔室124b，使得第一物质可以被添加到第一腔室124a并且第二物质可以被添加到第二腔室124b而不会混合。
为了封闭第一腔室124a和第二腔室124b，密封件434和436可移除地耦合到顶部部分428和430。密封件434和436是气密密封件，其可以由例如聚合物带、塑料、透明材料、塑料片、箔材料、箔片、膜、蜡和/或聚二甲基硅氧烷制成。
图5示出了图4的示例物质检测设备104的第一腔室124a的替代视图，其中密封件434要在通常由箭头500指示的方向上被移除。在腔室124a的该视图中，示出了由基板400限定的槽502。在将密封件434从物质检测设备104的孔板或壳体402移除之后，设备104位于其中的测试环境(例如，房间)内的空气和/或其他气体流过孔口432并进入其中其暴露于纳米结构406和纳米颗粒408的腔室124a中。测试环境内的空气和其他气体可以包括或可以不包括纳米结构406和纳米颗粒408意图检测的感兴趣物质(即，分析物)。
图6示出了在密封件434已经从孔板402移除之后的图5的示例物质检测设备104。在图6的示例中，要分析的流体溶液或化学物质600正通过由基板400限定的槽502从贮存器602添加到腔室124a。虽然图6描绘了在密封件434被移除的情况下使流体溶液600添加到腔室124a的物质检测设备104，但在其他示例中，密封件434可以在流体溶液600被添加到腔室124a的同时保持附接到孔板402。取决于检测情况，流体溶液600可以包括或可以不包括纳米结构406和纳米颗粒408意图检测的感兴趣物质(即，分析物)。在一些示例中，在纳米结构406和纳米颗粒408已经暴露于流体溶液600之后，腔室124a被密封件434或另一密封件重新覆盖以确保纳米结构406和纳米颗粒408未因暴露于非测试环境而被污染。在一些示例中，在纳米结构406和纳米颗粒408已经暴露于流体溶液600之后，传感器126可以测量流体溶液600的特征和/或值。在一些示例中，加热器130加热流体溶液600以加速蒸发，这可能使由流体溶液600携带的物质的颗粒留在纳米结构406和纳米颗粒408上。颗粒可能包含被测试的感兴趣物质(即分析物)。在一些示例中，流体溶液600的蒸发拉动纳米结构408并使它们更接近地定位在一起。
图7示出了包括图5的物质检测设备104和读取设备102的如图1中的示例物质检测系统100。示出了在暴露于环境和/或添加可能包含或可能不包含感兴趣物质(即，分析物)的流体溶液600之后的物质检测设备104。在该示例中，读取设备102的物质读取组件106包括光源700、分光计和/或光电检测器702以及显示器/监视器704。光源700将光子706发射到腔室124a中，并且光子706被纳米结构406和纳米颗粒408散射。在一些示例中，散射的光子708中的一些被读取设备102的分光计702检测和/或监视。是否检测到感兴趣物质取决于散射的光子708的一个或多个特征(例如，频率偏移、波长改变等)。在一些示例中，读取设备102使用检测到的光子708连同适当的引导和过滤组件一起来生成显示在监视器704上的结果。显示的结果可以包括例如与感兴趣物质(即，要检测的分析物)的存在或不存在相关的信息。另外地或替代地，在一些示例中，读取设备102从传感器126接收测量值并且将测量值与参考值122进行比较以确定感兴趣物质的特征。可以在监视器704上显示的特征可以是先前引入到腔室124a中的流体溶液600内包含的感兴趣物质(即，分析物)的名称。
图8示出了图示如例如由执行来自存储在存储器114中的流体感测模块118和物质检测模块120的指令的、读取设备102的cpu110和/或asic116可控的流体感测和物质检测的另一示例方法800的流程图。现在主要参考图7和8，在流体已经被引入到物质检测设备104的腔室124中之后，流体感测模块118持续地针对物质检测设备的腔室中的流体进行感测，直到在腔室中没有感测到流体(框802，图8)。在一些示例中，持续地针对流体进行感测可以包括向腔室添加热以加速流体从腔室的蒸发(框804，图8)并在一定时间间隔上针对流体进行感测(框806，图8)。在一定时间间隔上针对流体进行感测可以包括例如在针对流体的每次感测之间等待一定时间量。在一些示例中，除了在一定时间间隔上针对流体进行感测之外，还可以向腔室添加热。
在一些示例中，方法800中的流体感测可以包括从位于腔室中的电容传感器接收信号(框808，图8)。来自电容传感器的信号可以指示腔室内的流体状况。在一些示例中，利用来自电容传感器的信号指示流体状况包括指示腔室中的干燥状况、腔室中的潮湿状况、或腔室中的流体水平面状况(框810，图8)。
当在腔室中没有感测到流体时，方法800可以继续执行物质检测过程(框812，图8)。物质检测过程可以使读取设备将光子发射到腔室中，检测散射的光子，并基于散射的光子的特征来标识物质。基于特征标识物质可以包括确定特征的值(框814，图8)并且将特征的值与参考值进行比较(框816，图8)。在一些示例中，确定特征包括从频率偏移、波长或其组合确定特征(框818，图8)。