本發(fā)明屬于拉曼光譜成像領(lǐng)域，尤其涉及一種拉曼光譜成像分辨率板及其制備方法。

背景技術(shù)：

拉曼光譜是光與物質(zhì)相互作用過程中，具有特定微觀結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的物質(zhì)與光子發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的物理現(xiàn)象。拉曼光譜屬于分子振動(dòng)光譜,可以反映分子的特征結(jié)構(gòu)。不同物質(zhì)由于各自獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而具有特定的拉曼光譜，從而使得拉曼光譜具備分子指紋圖譜識(shí)別能力。由于拉曼光譜的強(qiáng)度、偏振、頻率等特征攜帶著豐富的物質(zhì)結(jié)構(gòu)信息，所以基于拉曼光譜的探測(cè)和成像技術(shù)在很多研究領(lǐng)域如材料、石油、化工、環(huán)保生物、醫(yī)學(xué)、地質(zhì)等都有廣泛的應(yīng)用。作為拉曼檢測(cè)的一個(gè)分支，拉曼成像以其信息豐富，非接觸，無(wú)損傷等特點(diǎn)受到人們的重視，其成像分辨率的判定也越來越重要。

常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)拉曼光譜成像技術(shù)將顯微技術(shù)與拉曼光譜儀結(jié)合，顯微物鏡將激光聚焦在樣品上，并同時(shí)收集拉曼信號(hào)，減少了樣品量和激光強(qiáng)度，并將拉曼測(cè)量空間分辨率提高到了亞微米量級(jí)。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡成像技術(shù)由于受阿貝衍射分辨極限的限制，其分辨率無(wú)法突破半波長(zhǎng)尺度,因此只能反映一定區(qū)域內(nèi)樣品化學(xué)組分的平均信息。近年來，為了獲得超衍射極限的分辨信息，超高分辨率熒光顯微鏡技術(shù)獲得了極大的發(fā)展。相應(yīng)的部分表面增強(qiáng)拉曼成像以及針尖增強(qiáng)拉曼成像技術(shù)均已突破光學(xué)衍射極限。由于這些成像方式已經(jīng)超越了阿貝極限，無(wú)法再用傳統(tǒng)顯微鏡計(jì)算分辨率的方法來標(biāo)定分辨率。從整個(gè)成像過程來看，圖像的分辨率除取決于光學(xué)系統(tǒng)的精度與靈敏度，還在極大程度上取決于拉曼信號(hào)的采集時(shí)間以及數(shù)據(jù)處理算法。不同光學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)及算法可能帶來不同的分辨率和結(jié)果。如何標(biāo)定各種成像平臺(tái)和各種成像方式所能達(dá)到的真實(shí)分辨率，是該研究領(lǐng)域中一個(gè)重要問題。因此，一種使用范圍廣、拉曼散射性能好、拉曼特征峰明顯的分辨率板對(duì)拉曼成像分辨率標(biāo)定有著重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種拉曼光譜成像分辨率板及其制備方法，旨在為解決上述問題提供一種通用的拉曼光譜顯微成像的分辨率標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)部件。

本發(fā)明提供了一種拉曼光譜成像分辨率板，包括基底、以及在所述基底上形成的分子層，所述分子層通過納米加工技術(shù)形成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述基底為低表面粗燥度材料制成的透明基底或非透明基底。

進(jìn)一步地，所述分子層包括單層或多層石墨烯。

進(jìn)一步地，所述納米加工技術(shù)包括光刻、電子束曝光、聚焦離子束刻寫、原子力顯微鏡刻寫等方式中的任一種。

進(jìn)一步地，所述拉曼光譜成像分辨率板還包括位于所述基底與所述分子層之間的增強(qiáng)層；

通過高度聚焦的入射光在所述增強(qiáng)層形成表面等離激元場(chǎng)，所述表面等離激元場(chǎng)用于對(duì)石墨烯拉曼信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。

進(jìn)一步地，所述增強(qiáng)層為金屬膜層。

進(jìn)一步地，所述金屬膜層的厚度為10-60nm。

本發(fā)明還提供了一種拉曼光譜成像分辨率板的制備方法，包括：

按照預(yù)置生成方式在基底上形成一層分子層；

通過納米加工技術(shù)將所述分子層加工成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述按照預(yù)置生成方式在基底上形成一層分子層包括：

通過蒸鍍或?yàn)R射的方式在所述基底上形成增強(qiáng)層；

在所述增強(qiáng)層上轉(zhuǎn)移上分子層。

進(jìn)一步地，所述通過納米加工技術(shù)將所述分子層加工成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)包括：

通過電子束曝光，按預(yù)設(shè)圖樣將所述分子層加工成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于：本發(fā)明實(shí)施例提供了一種拉曼光譜成像分辨率板，該拉曼光譜成像分辨率板可以作為一種通用的拉曼光譜顯微成像分辨率標(biāo)定標(biāo)準(zhǔn)部件，使用該標(biāo)準(zhǔn)部件可以適用于各種分辨率的拉曼顯微成像系統(tǒng)，如表面拉曼增強(qiáng)顯微成像、共焦拉曼成像、寬場(chǎng)拉曼成像等各種新型拉曼成像系統(tǒng)等。該拉曼光譜成像分辨率板具備加工簡(jiǎn)單、工藝穩(wěn)定、可重復(fù)批量制作、使用方便、可重復(fù)利用并具有很高的運(yùn)輸便攜性等特點(diǎn)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明第一實(shí)施例提供的一種拉曼光譜成像分辨率板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明第二實(shí)施例提供的一種拉曼光譜成像分辨率板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明第三實(shí)施例提供的一種拉曼光譜成像分辨率板的制備方法的流程圖；

圖4a為本發(fā)明第二實(shí)施例中表面增強(qiáng)拉曼顯微成像標(biāo)尺的全分布圖；

圖4b為本發(fā)明第二實(shí)施例中表面增強(qiáng)拉曼顯微成像標(biāo)尺制作成功后的電鏡成像圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的一種拉曼光譜成像分辨率板，包括基底101、以及在基底上101形成的分子層102，分子層102通過納米加工技術(shù)形成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

在具體應(yīng)用中，基底101選用低表面粗燥度的材料制成，如玻璃樹脂或硅片，分為透明基底和非透明基底兩種，根據(jù)成像方式的差異進(jìn)行相應(yīng)的選擇。如在透射式成像中必須選擇透明基底，反射式成像中可以任意選擇透明基底或非透明基底。因?yàn)轱@微鏡物鏡對(duì)基底101的厚度有限制，而微納米加工系統(tǒng)也對(duì)期間的尺寸有所限制，因此在本實(shí)施例中優(yōu)選地，基底101為邊長(zhǎng)為22mm的正方形的玻璃，該玻璃的厚度為0.175mm。

分子層102易于旋涂、生長(zhǎng)或者方便轉(zhuǎn)移到基底101上，分子層102采用單層或者多層石墨烯，石墨烯的制備可以采用氣相化學(xué)沉積(PECVD，Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)的方法來制取，也可以采用PMMA轉(zhuǎn)移技術(shù)轉(zhuǎn)移，還可以使用其他方法，此處不做具體限制。因此石墨烯本身具備導(dǎo)電性，因此當(dāng)石墨烯轉(zhuǎn)移到非金屬基底上也能在電子束曝光中使用。

在石墨烯層上加工形成光柵結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)包括光刻、電子束曝光、聚焦離子束刻寫、原子力顯微鏡刻寫等，一般光刻技術(shù)光衍射極限限制，分辨率最高能達(dá)到幾百納米，但是光刻的加工方式簡(jiǎn)單價(jià)格便宜，對(duì)于低分辨率成像系統(tǒng)的標(biāo)尺可以采用光刻的加工方式。聚焦離子束刻寫加工工藝相對(duì)于電子束曝光要簡(jiǎn)單，但是聚焦離子束刻寫的加工精度、加工時(shí)間以及工藝精準(zhǔn)都不如電子束曝光。而原子力直接刻寫面臨著樣品表面堆積等問題，因此使用原子力顯微鏡刻寫的實(shí)現(xiàn)方案較少。基于上述考慮，為了達(dá)到最優(yōu)的實(shí)現(xiàn)成像效果，本實(shí)施例中采用電子束曝光的納米加工技術(shù)對(duì)石墨烯進(jìn)行加工，以得到預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

在第一實(shí)施例的基礎(chǔ)上，圖2還示出了本發(fā)明提供的第二實(shí)施例，一種拉曼光譜成像分辨率板，包括基底201、在基底201上形成的增強(qiáng)層202、以及在增強(qiáng)層202上形成的分子層203，分子層203通過納米加工技術(shù)形成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)；通過高度聚焦的入射光在增強(qiáng)層202形成表面等離激元場(chǎng)，所述表面等離激元場(chǎng)用于對(duì)石墨烯拉曼信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)。

具體地，本實(shí)施例中的增強(qiáng)層為均勻的金屬膜層，具體可采用金或者銀。為了更好的達(dá)到成像效果，該金屬膜層的厚度為10-60nm，優(yōu)選的為45nm。入射光通過高度聚焦以后可以在該金屬膜層表面形成表面等離激元場(chǎng)，對(duì)石墨烯拉滿信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)。

本實(shí)施例中的石墨烯每層僅吸收2.3％的光，同時(shí)具有兩個(gè)典型的拉曼特征峰，拉曼強(qiáng)度高，當(dāng)形成分子層的石墨烯的層數(shù)較少時(shí)，厚度僅為幾個(gè)納米，即保證了高透光率，又可以在顯微鏡下看到清晰的結(jié)構(gòu)。

在石墨烯構(gòu)成的分子層上刻蝕不同周期的光柵結(jié)構(gòu)，如10納米、20納米、50納米、100納米、300納米、600納米、1微米等，基于石墨烯特有的拉曼光譜分布應(yīng)用于光譜成像(主要是拉曼光譜成像)分辨率的標(biāo)定中。該光柵結(jié)構(gòu)的周期從幾十納米到幾百納米，甚至幾十微米不等，邊緣清晰，與金屬膜層粘合性好。

本發(fā)明還提供了如圖3所示的一種拉曼光譜成像分辨率板的制備方法，包括：

S301，按照預(yù)置生成方式在基底上形成一層分子層；

S302，通過納米加工技術(shù)將所述分子層加工成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。在具體應(yīng)用中，分子層包括單層或者多層石墨烯。

具體地，步驟S302具體包括：

通過蒸鍍、濺射或者其他方式在所述基底上形成增強(qiáng)層；

在所述增強(qiáng)層上轉(zhuǎn)移上分子層。

則步驟S302具體包括：

通過電子束曝光，按預(yù)設(shè)圖樣將所述分子層加工成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

下面通過圖2和圖4對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行進(jìn)一步地闡述：

圖2提供示出了本發(fā)明提供的實(shí)施例一種拉曼光譜成像分辨率板，包括基底201，在基底201上形成的表面拉曼信號(hào)的增強(qiáng)層202，在增強(qiáng)層202上形成的拉曼信號(hào)分子層203，其中分子層203為單層或者多層石墨烯。在透射式顯微成像中，基底201選擇透明材質(zhì)，而在反射式成像中，基底201可以采用透明材質(zhì)或者非透明材質(zhì)均可。拉曼信號(hào)分子層203通過標(biāo)準(zhǔn)的納米加工技術(shù)形成預(yù)置光柵結(jié)構(gòu)。

在本實(shí)施例中，選擇22mm*22mm*0.17mm的玻璃片作為基底201，因?yàn)轱@微鏡成像需要高數(shù)字孔徑的油鏡，所以最好選擇超薄的并且表面粗燥度非常低的玻璃基底，同時(shí)為了讓玻璃片能夠順利的安裝在電子束曝光的載物臺(tái)上，選擇22mm*22mm*0.17mm的玻璃片作為基底201最為合適。

為了去除玻璃片基底201表面污染物引起的自發(fā)熒光，需要用如濃鉻酸或堿液的強(qiáng)氧化試劑和如丙酮異丙醇的有機(jī)溶劑以及等離子清洗劑對(duì)玻璃片表面進(jìn)行清洗。

在清洗干凈的玻璃片表面用電子束蒸發(fā)鍍膜的方式鍍一層45nm厚度的金屬銀膜，該金屬銀膜作為增強(qiáng)層202。

通過等離子體化學(xué)氣相沉積(PECVD)的方法在銅箔上生長(zhǎng)單層或者多層石墨烯，該生成的單層或多層石墨烯作為分子層203。

在銅箔上的石墨烯上旋涂上PMMA膠，然后化學(xué)腐蝕液體將石墨烯下的銅腐蝕掉。

將轉(zhuǎn)移到PMMA上的石墨烯膜緊貼在金屬銀膜上，用丙酮去除PMMA層露出石墨烯。

在石墨烯膜層上用每分鐘4000轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速旋凃一層90nm厚的ZEP520或旋凃上電子束光刻膠PMMA原液。把轉(zhuǎn)移好石墨烯膜并旋涂上光刻膠的樣品安裝到電子束曝光平臺(tái)上，按預(yù)設(shè)的圖樣曝光并用乙酸正戊脂進(jìn)行顯影。旋涂的光刻膠ZEP520屬正膠，因此曝光區(qū)域的光刻膠經(jīng)顯影后被溶掉，未曝光區(qū)域的光刻膠將作為掩膜保留下來。

經(jīng)等離子體刻蝕機(jī)采用氧氣等離子體去除無(wú)光刻膠保護(hù)區(qū)域的石墨烯層。

最后用有機(jī)溶劑丁酮異丙醇去除表面的光刻膠，形成一系列間隔設(shè)置的、具有預(yù)設(shè)納米尺度的石墨烯光柵結(jié)構(gòu)。

經(jīng)過上述處理步驟得到的最終樣品經(jīng)電子顯微鏡表征所形成的結(jié)構(gòu)如圖4a所示，其中的成像結(jié)果如圖4b所示，可見一系列間隔設(shè)置的、具有預(yù)設(shè)納米尺度的石墨烯光柵結(jié)構(gòu)。

在做出如圖4a所示結(jié)構(gòu)的熒光納米標(biāo)尺部件后，可以攜帶運(yùn)輸?shù)绞澜绺鞯厝魏我粋€(gè)實(shí)驗(yàn)室作為對(duì)方拉曼顯微鏡成像的系統(tǒng)分辨率的標(biāo)定。

本發(fā)明提供的一種拉曼光譜成像分辨率板，因?yàn)槭┯蠫峰和D峰兩個(gè)典型的拉曼光譜特征峰，可以方便的通過拉曼光譜獲得石墨烯的分布?；谑┑牡湫屠庾V，利用加工技術(shù)在石墨烯層樣品上制作不同周期的光柵結(jié)構(gòu)條帶作為拉曼顯微成像系統(tǒng)分辨率的標(biāo)板。該分辨率板包含三個(gè)部分：第一層是基底層；第二層為拉曼信號(hào)增強(qiáng)層，通常為均勻的金屬膜層如金或銀等；第三層為在金膜上轉(zhuǎn)移單層/多層石墨烯，然后在石墨烯層上刻出不同周期的光柵結(jié)構(gòu)，作為分辨率標(biāo)定的基準(zhǔn)。本發(fā)明通過測(cè)量石墨烯拉曼光譜特征峰清晰的獨(dú)特性質(zhì)，對(duì)基于拉曼光譜成像系統(tǒng)的分辨率進(jìn)行準(zhǔn)確嚴(yán)格的標(biāo)定。本發(fā)明實(shí)施例在表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)、針尖拉曼增強(qiáng)散射(TERS)等拉曼成像領(lǐng)域都有非常重要的意義。本發(fā)明的上述實(shí)施例提供的拉曼光譜成像分辨率板加工簡(jiǎn)單、工藝穩(wěn)定、可重復(fù)批量制作、使用方便、可重復(fù)利用并具有很高的運(yùn)輸便攜性等特點(diǎn)。

在本發(fā)明提供的上述實(shí)施例中，基底是一種可安裝在相應(yīng)成像系統(tǒng)的基片，如玻璃硅片等，它可以作為增強(qiáng)層和分子層的支撐。增強(qiáng)層是一種金屬層，其主要作用是與聚焦光作用在表面形成表面等離激元。表面等離激元場(chǎng)再與分子層作用，會(huì)使分子層如同共振一樣產(chǎn)生更強(qiáng)的拉曼信號(hào)。分子層采用的材料是一種能產(chǎn)生拉曼信號(hào)的物質(zhì)，理論上只要能產(chǎn)生拉曼信號(hào)的物質(zhì)都可以，石墨烯只是本發(fā)明實(shí)施例中優(yōu)選的材料。但是考慮到加工的難度、材料是否容易獲取、拉曼信號(hào)的強(qiáng)弱以及樣品是否能長(zhǎng)期保存等因素真正可用的材料并不多。作為一種層狀二維材料，石墨烯為本發(fā)明的優(yōu)選材料。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。