Resonant-Photonic-Device-Enhanced SERS Substrate with Pinpointed Plasmonic-Active

具有精确定点等离激元活性的谐振光子器件增强 SERS 基底

基本信息

  • 批准号:
    8518836
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2010
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2010-09-27 至 2015-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

DESCRIPTION (provided by applicant): The use of Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) for biomolecule detection has been restricted due to the great difficulty of fabricating ultrasensitive and reproducible surface-plasmonic-resonance (SPR) substrates. Therefore, detecting extremely small amount of biomolecules for clinical application is significantly limited. In this STTR Phase II research, we propose to develop ultrasensitive (1012~1014 enhancement factors) SERS substrates with universally available Raman "hot spots" for well-reproducible biomolecule detection by combining optical field enhancements from both resonant photonic devices and metallic nanoentities. Compared with existing SPR substrates made by spin-coating colloidal nanoparticles or nanowire solutions, we engineer the SERS substrate using silica nanotubes coated with universally distributed silver nanoparticles, which can dramatically increase the density of the Raman scattering "hot spots". We also employ highly robust Si3N4 guided-mode-resonance (GMR) gratings and resonant microcavity array to achieve even higher local electric field for SERS sensing. To link these two innovations, we will apply a highly exquisite tool---electric tweezers, to assemble the SPR-active nanotubes into the resonant photonic devices with unbeatable spatial precision of at least 150 nm. In our Phase I program, we have theoretically simulated and experimentally demonstrated SPR-active silica nanotubes with nanometer-size gaps, and detected Rhodamine 6G down to 100 fM (single-molecule level) with enhancement factors of 1.1x1010. Moreover, we fabricated Si3N4 GMR gratings using state-of-the-art nanofabrication processes and experimentally achieved ~10? enhancement factors in addition to the existing SERS effect from the SPR-active silica nanotubes. In the Phase II program, we will continue to optimize the SERS substrates for ultrahigh sensitivity up to 1012~1014 enhancement factors, improve the detection probability of ultralow concentration biomolecules in real biological samples, and apply the SERS substrates in various biomedical applications. Most of all, we will resolve potential technical challenges for product commercialization, including lowering the fabrication cost, increasing the throughput, packaging the SERS substrate with fiber-optic systems and evaluating the device reliability.
描述(由申请人提供):由于制造超敏感和可重现的表面质量谐振(SPR)底物的难度,使用表面增强的拉曼散射(SER)进行生物分子检测已受到限制。因此,检测极少量用于临床应用的生物分子受到显着限制。 在这项STTR II期研究中,我们建议通过与可复制的生物分子检测相结合,从而开发超敏感性(1012〜1014增强因子)SERS底物,以结合来自共resonant光子设备和金属含量的光学场增强。与现有的SPR底物相比,通过旋转胶体纳米颗粒或纳米溶液制成的现有SPR底物,我们使用涂有普遍分布的银纳米颗粒的硅胶纳米管来设计SERS底物,从而大大增加拉曼散射“热点”的密度。我们还采用了高度稳健的SI3N4引导模式共振(GMR)光栅和共振的微腔阵列,以实现更高的局部电场来进行SERS传感。为了链接这两项创新,我们将应用一个高度精致的工具---电镊子,将SPR活性纳米管组装到具有无与伦比的空间精度至少为150 nm的谐振光子设备中。在我们的第一阶段计划中,我们进行了理论上的模拟和实验证明的具有纳米尺寸间隙的Spr-Elica二氧化硅纳米管,并检测到若丹明6G至100 FM(单分子水平),增强因子为1.1x1010。此外,我们使用最先进的纳米制作过程制造了SI3N4 GMR光栅,并实现了〜10?除现有的SERS效应外,增强因子来自Spr-Elica纳米管。在第二阶段计划中,我们将继续优化SERS底物的超高灵敏度,高达1012〜1014增强因子,提高实际生物样品中超低浓度生物分子的检测概率,并将SERS底物应用于各种生物医学应用中。最重要的是,我们将解决产品商业化的潜在技术挑战,包括降低制造成本,增加吞吐量,用光纤系统包装SERS基板并评估设备的可靠性。

项目成果

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