接近量子极限的化学传感芯片

受美国国家自然科学基金和欧洲化学文摘的资助，美国布法罗大学的研究人员发明了一种制造大面积均匀纳米间隙的金属纳米结构的方法。这种方法有助于研发一种可能会帮助手持式设备能够像呼吸检测器识别出酒精一样迅速地检测痕量化学物质的化学芯片。 相关研究发表在《Advanced Optical Materials》上。

图注：SERS芯片也可能用于食品安全监测、防伪和其他分析微量化学物质的领域。来源：布法罗大学。

具有纳米间隙特征的金属纳米结构可以将电磁场限制在极小的体积内。虽然目前已经有了接近量子上限的增强因子，但固有随机性仍然是表面增强振动光谱传感面临的巨大挑战，阻止了局域场的大面积均匀分布。

该研究的主要作者，UB工程与应用科学学院电气工程学教授Qiaoqiang Gan博士说：“在很多领域，特别是在药物滥用方面，都非常需要便携式且具有成本效益的化学传感器。” 这项工作是建立在Gan先前实验室的研究基础上的，该实验室涉及创建一个芯片，该芯片在金和银纳米颗粒的边缘捕获光。

当生物或化学分子降落在芯片表面时，一些捕获的光与分子发生相互作用，并“散射”为新能量的光。这种作用发生在可识别的模式中，该模式充当化学或生物分子的指纹，从而揭示有关存在哪些化合物的信息。由于所有化学品均具有独特的光散射特征，因此该技术最终可以集成到手持设备中，以检测血液，呼吸，尿液和其他生物样品中的药物。也可以将其合并到其他设备中，以识别空气中或水中的化学物质以及其他表面。

传感方法称为表面增强拉曼光谱（SERS），尽管有效，但Gan集团先前创建的芯片在设计上并不统一。由于金和银的间距不均匀，因此可能使分散的分子难以识别，尤其是当它们出现在芯片的不同位置时。Gan和一组研究人员-致力于解决这个缺点。

研究人员提出通过原子层沉积（ALD）和自组装单层工艺制造具有精确控制的纳米间隙的高密度随机金属纳米图案的方法。更新的制造工艺基于两种技术，即原子层沉积和自组装单分子层，与SERS芯片更常见，更昂贵的方法-电子束光刻相反。

在制造过程中使用了四个分子（BZT，4-MBA，BPT和TPT），每个分子的长度不同，以控制金和银纳米粒子之间的间隙大小。这种结构始于随机金属纳米颗粒的直接沉积，使用电子束蒸发将银膜沉积在预先清洁的玻璃基底上，使用热退火来控制第一层银纳米粒子的平均形态。然后，这些纳米粒子被ALD沉积的1纳米氧化铝膜覆盖。随着第二金属层的后续蒸发，原始间隙将被填充。因此，可以在第一和第二金属图案之间获得由ALD层引入的微小间隙。之后，应用光学粘合剂将薄膜表面附着到载玻片上，并在紫外灯下固化。最后，剥离整个薄膜以获得所提出的随机纳米间隙结构。按照这个过程，研究人员制作了多个不同尺寸和密度的代表性样品进行实验。他们分析了纳米间隙结构的局域场分布、空间密度以及依赖于间隙的光-物质相互作用。通过对比不同尺寸和批次的芯片，他们证明了这种方法的均匀性高于以往，以及这种方法可以解决制造成本和可扩展性方面的挑战，从而实现高性能定量传感。

这种具有前所未有的均匀性的SERS芯片，生产起来相对便宜。 Gan说，它具有量子极限传感功能，这对传统SERS芯片来说是一个挑战。总体而言，这项工作开发了一种制作高密度随机金属纳米间隙结构的方法，为使用量子限制的纳米间隙结构进行更经济、更定量的传感铺平了道路，还可以为进一步理解量子力学效应以及依赖间隙的光-物质相互作用提供一个新的平台，并被开发来满足超灵敏生物医学诊断、环境污染监测、食品安全评估、安全防御、防伪和医疗保健监测应用中的新需求。