深紫外激发条件下基于双共振峰有序纳米结构的 SERRS效应研究

The Raman signals of the adsorbed substances onto the surface of metal nano-structures could be greatly enhanced due to the surface enhanced resonance Raman scattering (SERRS) effect. The ultrahigh sensitivity of SERRS, which allows the detection of the adsorbed substances at the single-molecule level, attracts broad attention since its discovery. Currently, SERRS research is limited in the visible region. Molecules used for labelling, such as rhodamine 6g (Rh6G), with resonant absorptions in visible, are the main objects under study. However, target biomolecules, such as DNA bases, proteins, and amino acids, all have the absorptions in the deep ultraviolet (DUV) region, ranging from 180 nm to 300 nm. Thus, this project is expected to expand the SERRS research from visible to DUV, where a systematic study on SERRS effects of nano structures, from both theory and experiment, will be performed. Based on modes resonance, the double absorption peaks of the nano structure will be designed at the wavelengths in accordance with the molecules' absorption (laser excitation) and scattering. Compared to the single resonance only at the excitation side, the double resonances at the excitation and scattering sides mutually contribute to the Raman enhancements. A satisfied enhancement can thus be achieved with the reduced laser power which may help to reduce or eliminate the DUV photodegration to the target molecules. In DUV-SERRS experiments, DNA bases will be used as the targets. The SEERS sensitivity, repeatability, and photodegration to DNA bases will be measured under varied molecule concentrations. The goal of this project is to develop a DUV-SERRS based, label-free, and trace-detection method for DNA molecules.

基于金属纳米结构的表面增强共振拉曼散射(SERRS)效应能够急剧增强吸附物质的拉曼信号强度，使人们在分子水平上获得关于物质结构、吸附状态等信息，其超高探测灵敏度受到了广泛而持续的关注。目前，SERRS的研究集中在可见光波段，探测对象是在该波段具有共振吸收的标记分子，如罗丹明6G（Rh6G）；而大多数生物类目标分子，如 DNA碱基、蛋白质、氨基酸等，其吸收峰都落在深紫外波段(DUV，180 nm<λ<300 nm)。为此，本课题拟将SERRS的研究从可见扩展到深紫外，针对目标分子的紫外吸收、散射波长，设计双共振峰共同承担拉曼增强，在获得足够信号强度的同时，消除激发光对目标分子的降解；以DNA碱基为目标分子，在不同浓度条件下，对DUV-SERRS基底的探测灵敏度、重复性以及光降解引起的拉曼信号衰减进行全面的实验研究。本项目的研究目标是利用DUV-SERRS实现目标分子的非标记痕量探测。

基于金属纳米结构的表面增强共振拉曼散射(SERRS)效应能够急剧增强吸附物质的拉曼信号强度，使人们在分子水平上获得关于物质结构、吸附状态等信息，其超高探测灵敏度受到了广泛而持续的关注。目前，SERRS的研究集中在可见光波段，探测对象是在该波段具有共振吸收的标记分子，如罗丹明6G（Rh6G）；而大多数生物类目标分子，如DNA碱基、蛋白质、氨基酸等，其吸收峰都落在深紫外波段(DUV，180 nm<λ<300 nm)。为此，本课题将SERRS的研究从可见扩展到深紫外，针对目标分子的紫外吸收、散射波长，设计双共振峰共同承担拉曼增强，在获得足够信号强度的同时，消除激发光对目标分子的降解。项目取得的研究成果可以归纳为以下四个方面：.1)基于非对称牛眼结构的大角度定向出射：在实验上成功实现了30度到60度的大角度定向出射，建立了一套物理模型，详细分析了光与牛眼结构相互作用的各个过程，厘清了各类光学共振对大角度出射的影响。.2)基于亚波长光栅结构的双共振峰设计：在同一结构上同时实现局域表面等离子体共振(LSPR) 和表面等离子体共振(SPR)，产生的共振峰分别对应于激发波长和散射中心波长。双共振峰设计分别从激发、散射两方面共同承担信号增强任务，通过适当加大散射峰设计权重，有效减轻激发端压力，为解决深紫外激发下分子的光致降解提供了新思路。.3)全息光刻制作亚波长光栅：搭建了以紫外405 nm连续激光器为光源的全息光刻系统，实现了周期270 nm~8μm；光栅形貌矩形、梯形、余弦形；占空比0.2~0.9；最小线宽约为80 nm的光栅结构。相比于电子束曝光(EBL)，全息光刻具有更高的光栅制作效率、更大的制作面积和更高的性价比。.4)表面粗糙光栅用于生物分子的SERRS信号探测：利用法布里波罗(FPR)、局域表面等离子体(LSPR)双共振在整个光栅区域（沟槽+表面）形成密集而有序分布的光场热点，保证了SERRS信号同时具备较大的增益因子和较小的测量不均匀性。. 项目资助期间，课题组在《Optics Letters》、《Nanotechnology》、《中国光学》等国内外知名期刊上发表研究型论文12篇：培养博士生2名，硕士生3名，其中博士生刘颖同时获得北京市、北京理工大学优秀毕业生称号，博士生李鹏获得北京理工大学优秀毕业生称号。