拉曼光谱是一种光谱技术，其可用于识别样品中的分子。该技术依赖于发射的单色光的拉曼(非弹性)散射。发射的光与样品中的分子振动、声子或其它激发相互作用，这导致发射的光子的能量上移或下移。关于样品中振动模式的信息可以从能量的变化来推断。该信息反过来又可用于识别样品中的分子，因为振动信息对分子的化学键和对称性是特异性的。
尽管自发拉曼光谱是一种强大的分子检测技术，拉曼散射信号往往非常弱。可以通过使用特殊图案化结构体将这些信号增强许多数量级，所述特殊图案化结构体局部增强光源的电场和发射光。该技术称为表面增强拉曼光谱(sers)。在sers中，样品分子吸附到粗糙的金属表面上和/或被纳米结构体吸附。例如，液体样品可以沉积到具有纳米结构化贵金属表面的硅或玻璃表面上。
附图概述
图1是包括本公开的表面增强拉曼光谱(sers)基底的示例性芯片实验室拉曼光谱系统的高级框图；
图2是沿图1中的线a-a’采取的剖面图，并例示了示例性表面增强拉曼光谱基底的横截面的一部分；
图3例示了制造芯片实验室拉曼光谱系统(如图1中所示的系统)的示例性方法的流程图；和
图4例示了从位于芯片实验室拉曼光谱系统(如图1中所示的系统)中的表面增强拉曼光谱基底上去除保形钝化涂层的示例性方法的流程图。
发明详述
本公开宽泛地描述了具有牺牲保形钝化层的表面增强拉曼光谱(sers)基底和在sers基底上沉积牺牲保形钝化层的方法。等离子体材料，如可用于制造sers基底的那些，容易受到环境条件的污染，特别是当布置在包括其脱气产物可能不利地与该等离子体材料反应的其它材料的芯片实验室包装中时。sers基底的污染反过来又会导致降低的信噪比和性能的普遍劣化。
本公开的实例提供了具有牺牲保形钝化涂层的sers基底，该涂层保护sers基底的等离子体材料在使用前免受外部污染。该牺牲保形钝化涂层是可去除的，例如使用试剂，使得其在sers基底准备就绪可供使用时不会干扰该sers基底的操作。
图1是包括本公开的表面增强拉曼光谱(sers)基底106的示例性芯片实验室拉曼光谱系统100的高级框图。在一个实例中，该系统100包括入口102、出口104、sers基底106、贮存器108和流体通道110。在一个实例中，所有这些组件均布置在通过盖子120密封的壳体118上。
在一个实例中，该壳体118包括例如由注塑塑料形成的基本平坦的基底，所述注塑塑料如环烯烃聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚二甲基硅氧烷或硅酮。该流体通道110位于该壳体118上并可以占据该壳体表面积的大部分(例如一半或更多)。入口102和出口104也位于壳体118上，在流体通道110的相对末端处。该壳体118、流体通道110、入口102和出口105可以注塑成型为单个集成单元。
该流体通道110定位以便将流体从入口102输送至出口104，所述流体诸如含有其分子组成待识别的样品的液体分析物溶液。该流体通道110可以包括基本蛇形的路径，并可以在入口102和出口104之间包括两个或更多个功能上和物理上不同的区域。例如，该流体通道110可以包括聚合酶链反应(pcr)扩增区域112、分离器区域114和/或检测器区域116。在这种情况下，该pcr扩增区域112靠近入口102定位，该检测器区域116靠近出口104定位，分离器区域114位于pcr扩增区域112与检测器区域116之间。
该sers基底106定位在流体通道110内部，在该检测器区域116中，以使流经流体通道110的分析物溶液流将与sers基底106相遇并相互作用。该sers基底106包括图案化表面结构，其设计为增强由流经流体通道110的分析物溶液发射并被激发光(未显示)激活的拉曼散射信号。
图2例如是沿图1中的线a-a’采取的剖面图，并例示了示例性sers基底106的一部分横截面。图2并非按比例绘制。如所示那样，该sers基底106可以包括指状物2001-200n(下文中统称为“指状物200”)的二维阵列。该指状物200可以由聚合物形成，并可以各自包括相应的帽2021-202n(下文中统称为“帽202”)。该帽202可以由等离子体材料形成，如金、银和/或铜涂层或纳米粒子。该指状物200(包括帽202)涂覆有牺牲保形钝化涂层204。该钝化涂层204可以例如由氧化锌、二氧化钛、氧化铝、氧化钽、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铪和/或氧化铬形成。这些材料的一种或多种也可以与其它材料结合使用。例如，不同的基于氧化锌的材料，包括铟镓锌氧化物、氧化锌锡和铝掺杂氧化锌也可用于该钝化涂层204。使用阳离子的组合可以有助于实现无定形性质，这可以获得更好的阻隔性质，而氧化锌有助于促进牺牲材料的去除。基于其它氧化物的类似类型的组合，包括上文列举的氧化物，也可用于最大化阻隔性能，同时促进有效去除。在进一步的实例中，该钝化涂层204还可以包含多个层，其中各层由不同的这些材料之一形成。
再次参考图1，该流体通道110还流体连接至贮存器108，其可以含有液体试剂的供应。该液体试剂可以包含能够从sers基底106上剥离该钝化涂层204的物质，如稀盐酸。
该盖子120定位在芯片实验室系统100上以密封该组件隔离外部条件。盖子120例如可以由聚合物、玻璃、硅、金属片或其它材料形成。
该芯片实验室系统100可以如所示制造，包括在该sers基底106上形成的钝化涂层204。该钝化涂层204保护sers基底106，特别是保护sers基底106的等离子体材料(例如指状物200上的帽202)免受污染。例如，在没有钝化涂层204的情况下，帽202可能被该聚合物指状物200产生的脱气产物和/或被芯片实验室系统100的储存和/或运输过程中的环境条件污染。当芯片实验室系统100准备就绪以便用于样品分析时，可以从sers基底106上剥离钝化涂层204。由此，虽然钝化涂层204在使用芯片实验室系统100之前保护了该sers基底106的完整性，在芯片实验室系统100准备就绪以便使用时其不会削弱该sers基底106的增强能力。
在一个实例中，原子层沉积(ald)法可用于在sers基底106上沉积牺牲保形钝化涂层204。ald甚至在狭小或曲折的空间如流体通道110中也能沉积易于去除的、均匀的保形薄膜。此外，ald可以在相对低的温度(例如200℃)下进行，并且ald膜已经表现出热稳定性、机械柔性、低缺陷密度、无针孔和优异的介电强度。
图3例示了制造芯片实验室拉曼光谱系统(如图1中所示的系统100)的示例性方法300的流程图。制得的系统包括如上所述的具有保形钝化涂层的sers基底。
该方法300开始于图框302。在图框304中，提供芯片实验室拉曼光谱系统，如图1中所示的系统100。在一个实例中，该系统包括壳体，在其上至少已经制造流体通道、样品入口和样品出口。例如，壳体、流体通道、样品入口和样品出口中的一个或多个注塑成型为单个集成单元。该系统可以附加地包括至少一个贮存器，以及至少一个泵(例如连接至样品入口和/或贮存器)。
在图框306中，牺牲保形钝化涂层沉积在sers基底上。该sers基底可以包括等离子体图案化表面结构，如覆盖有金属纳米粒子的聚合物指状物的二维阵列。在一个实例中，采用ald法沉积该牺牲保形钝化涂层。该钝化涂层可以例如由氧化锌、二氧化钛、氧化铝、氧化钽、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铪和/或氧化铬形成。这些材料中的一种或多种还可以与其它材料结合使用。例如，在钝化涂层204中还可以使用不同的基于氧化锌的材料，包括铟镓锌氧化物、氧化锌锡和铝掺杂氧化锌。使用阳离子的组合可以有助于实现无定形性质，这可以获得更好的阻隔性质，而氧化锌有助于促进牺牲材料的去除。基于其它氧化物的类似类型的组合，包括上文列举的氧化物，也可用于最大化阻隔性能，同时促进有效去除。在进一步的实例中，该钝化涂层可以包含多个层，其中各层由不同的这些材料之一形成。
在图框308中，该sers基底位于芯片实验室拉曼光谱系统中。在一个实例中，该sers基底位于流体通道内部，靠近出口。
在图框310中，将盖子密封到芯片实验室拉曼光谱系统上，例如使用粘合剂、环氧树脂或其它密封手段。但是，入口和出口仍然可以进入，例如如图1中所示。也就是说，盖子不覆盖入口和出口。
在图框312中，将该芯片实验室拉曼光谱系统密封以便储存。在一个实例中，密封该系统以便储存包括用可去除的密封件如胶带、涂覆铝的塑料片等等密封整个系统。
该方法300结束于图框314。
如上所述，当该芯片实验室拉曼光谱系统准备就绪以便用于样品分析时，该牺牲保形钝化涂层可以容易地从sers基底上去除。可以作为样品准备过程的一部分进行牺牲保形钝化涂层的去除。
图4例示了从位于芯片实验室拉曼光谱系统(如图1中所示的系统100)中的sers基底上去除牺牲保形钝化涂层的示例性方法400的流程图。制得的系统包括如上所述的具有牺牲保形钝化涂层的sers基底。
该方法400开始于图框402。在图框404中，提供了芯片实验室拉曼光谱系统，如图1中所示的系统100。在一个实例中，该系统包括壳体，在其上已经制造了至少流体通道、样品入口和样品出口。例如，壳体、流体通道、样品入口和样品出口中的一个或多个注塑成型为单个集成单元。该系统可以附加地包括至少一个贮存器，以及至少一个泵(例如连接至样品入口和/或贮存器)。此外，该系统包括已经涂覆有牺牲保形钝化涂层的sers基底，如图2中所示的sers基底106。
在图框406中，泵送试剂穿过该流体通道直到除去该钝化涂层。该试剂可以由贮存器或由另一芯片上或外部位置供应。在一个实例中，该试剂是稀盐酸(例如一百份水对一份盐酸)。
在图框408中，泵送洗液穿过该流体通道以便从系统中冲洗该试剂和任何残留痕量的保形钝化涂层。洗液可以由贮存器或由另一芯片上或外部位置供应。
该方法400结束于图框410。
一旦该方法400完成，芯片实验室拉曼光谱系统即可使用。随后可以在入口处引入含有待分析的样品的液体分析物溶液，并通过流体通道泵送至出口。
上面公开的和其它特征和功能的变体或其替代方案可以组合成许多其它不同的系统或应用。随后可以进行各种目前无法预见或预料不到的替代、修改或变化，这些替代、修改或变化也旨在被以下权利要求所涵盖。