程序控制的表面增強光譜粒子的製作方法
2023-10-08 13:56:34
專利名稱：程序控制的表面增強光譜粒子的製作方法
技術領域：
公開的實施例涉及表面增強光譜活性納米粒子。更具體地講，公開的粒子和方法包括具有能夠實現與粒子相關聯的光譜特徵(spectroscopic signature)的出現、消失和 /或隨時間改變的強度的成分或結構的粒子。
背景技術：
某些光譜技術的特徵在於通過在表面的電磁相互作用增強光譜信號。代表性表面增強光譜技術包括但不限於表面增強拉曼光譜(SERQ和表面增強共振拉曼光譜(SERRS)。 在SERS或SERRS中，金屬或其它增強表面將會以電磁方式耦合到入射電磁輻射，並產生導致位於增強表面上或位於增強表面附近的SERS活性分子的拉曼散射的105到109倍或更大的增加的局部放大的電磁場。SERS實驗中的輸出是SERS活性分子的指紋狀拉曼光譜。SERS和其它SES技術能夠利用諸如納米粒子的粒子實現。例如，金是SERS增強表面，金膠體可以懸浮在混合物中以為增強拉曼光譜檢測作準備。SERS還可以利用更複雜的SERS活性納米粒子來執行，所述SERS活性納米粒子為例如SERS納米標籤，如美國專利 No. 6，514，767、No. 6，861，263、No. 7，443，489和別處所述。在SERS納米標籤中，探針分子 (reporter molecule)被吸附到SERS活性表面，並且SERS活性表面和探針通常都利用矽石或另一相對不可滲透材料被密封。矽石塗層的一個優點在於它防止吸附的分子擴散離開。塗層或殼還防止其它分子吸附到增強表面或粒子核。這種結構賦予粒子一定程度的健壯性和環境不敏感性，這一點對於許多應用而言是所希望的特徵。環境不敏感性和健壯性還使得SERS納米標籤在光譜方面是靜態的。特別地，不管標籤已被應用於物品或嵌入在物質中多久以及是否許多類型的化合物或溶液與SERS納米標籤接觸，SERS納米標籤幾乎都會返回相同的信號。因此，SERS納米標籤的光譜特徵通常不能作為可預測的時間的函數變化，並且它也不能由標籤用戶改變。本文公開的實施例旨在克服與已知表面增強光譜粒子相關聯的這種或其它問題。
發明內容
本文公開的一個實施例是具有SES活性表面和與SES表面相關聯的可程序控制的探針(reporter)的可程序控制的表面增強光譜(SEQ粒子。可程序控制的SES粒子在本文稱為PSP。在選擇的實施例中，SES活性表面可以是可具有2nm和2000nm之間的直徑的納米粒子。在SES活性表面是納米粒子的實施例中，該表面可以為Au、Ag、Cu、Al、Pd、Pt，或者Au、Ag、Cu、Pd、Pt或Al的混合物，或者可以為任何其它光譜增強表面。SES金屬不必是金屬，因為非金屬材料已在某些激發波長顯示為SES活性。SES活性表面可以為球形或近似球形，或者具有球對稱性，或者具有任何其它形狀。可程序控制的SES粒子的各種實施例包括可程序控制的探針。可程序控制的探針允許SES粒子響應於光譜查詢返回受控但可變的信號。光譜信號能夠在外部被觸發而改變，或者該信號可以自然地隨時間改變。例如，從可程序控制的SES粒子獲得的光譜信號可以增大或減小。信號變化可以隨時間線性地發生。可替換地，信號隨時間的變化能夠呈現無限種形式。該信號可以響應於觸發而改變並隨後隨時間返回到它的初始值，可替換地，從可程序控制的SES粒子獲得的信號可響應於觸發而改變並實現新的恆定值。在可程序控制的SES粒子的可替換實施例中，從粒子獲得的信號可以在沒有觸發引起的激活的情況下改變。可程序控制的SES粒子的可程序控制的探針可包括與SES活性表面相關聯的SES 活性探針分子。SES活性探針可以是在適合波長的光學查詢時返回光譜特徵的任何物質，特別地，可以是當SES活性探針與SES活性表面相關聯時返回增強光譜信號的物質。通過允許外部環境因素或反應物幹擾SES活性探針或SES活性表面，可以激活或去激活SES活性粒子的各種實施例。可替換地，可以使SES活性探針或SES活性表面的行為隨時間可變。例如，選擇的SES活性探針物質可以與SES活性表面相關聯，該探針隨時間衰變或改變為非SES活性材料。可替換地，可以提供作用於SES活性探針或SES活性表面的反應物，從而增大或減小粒子的光譜行為。在選擇的實施例中，由包圍探針和表面的多孔外殼提供對SES活性探針和SES活性表面的接近。多孔外殼的代表性例子包括但不限於氣凝膠、選擇性滲透聚合物或多孔矽石塗層。可替換地，可以提供包圍SES活性探針和SES活性表面的具有可變滲透性的外殼。 具有可變滲透性的材料的代表性例子包括但不限於可熱解聚聚合物、可熱解聚三代聚碳酸酯、熱響應性聚合物、有機可溶性反膠束和可生物降解材料。外殼可具有響應於光、加熱、冷卻、機械作用或化學反應物變化的可變滲透性。可替換地，具有可變滲透性的外殼可以由將會在使用中溶解或離解的物質製成。在可替換的實施例中，如上所述的可程序控制的SES粒子還可以包括與探針和/ 或SES活性表面相關聯的傳送層。具有傳送層的粒子可以由外殼密封。傳送層包含將會作用於SES活性探針或SES活性表面上並改變SES活性探針或SES活性表面的SES行為的材料。在選擇的實施例中，傳送層可包含響應於刺激物(諸如，熱、冷、光、機械刺激物或化學刺激物)產生反應物的材料。例如，傳送層可包括但不限於可熱解聚聚合物、光酸產生劑、 光敏化合物或光敏聚合物。可程序控制的SES粒子的選擇的實施例還可以包括通常(但並非必定)位於傳送層和SES活性探針或SES活性表面之間的擴散層。擴散層用於減緩由傳送層產生的反應物或外部試劑與探針或SES活性表面的相互作用。可替換的實施例包括上述的可程序控制的SES粒子的製造方法。可替換的實施例包括利用如上所述的可程序控制的SES粒子標記或標識物質、文件、物體或材料的方法。
圖Ia至圖Ic是作為時間的函數的從選擇的類型的PSP獲得的SES信號的圖形表示；圖加至圖2c是代表性PSP結構的示意性表示；
圖3是包括反膠束外殼的PSP的示意性表示；圖4是從選擇的PSP獲得的光譜信號隨時間的強度的圖形表示；圖5是在存在過氧化物的情況下從選擇的PSP獲得的光譜信號隨時間的強度的圖形表示；圖6是在存在多種觸發物(trigger)的情況下從選擇的PSP獲得的光譜信號隨時間的強度的圖形表示；圖7是顯示PSP的快速化學去激活的從選擇的PSP獲得的光譜信號隨時間的強度的圖形表示；圖8是顯示熱激活的從選擇的PSP獲得的光譜信號的強度的圖形表示；圖9是顯示熱去激活的從選擇的PSP獲得的光譜信號的強度的圖形表示；圖10是顯示光去激活的從選擇的PSP獲得的光譜信號的強度的圖形表示；圖11是在存在多種觸發物的情況下從選擇的PSP獲得的光譜信號隨時間的強度的圖形表示；圖12是顯示在存在SES活性物質的情況下的快速激活的從多孔PSP獲得的光譜信號的強度的圖形表示；圖13是本文公開的代表性PSP的TEM圖像。
具體實施例方式除非另有說明，說明書和權利要求書中使用的表達成分的量、尺寸反應條件等的所有數字應該理解為在所有情況下由術語「大約」修飾。在本說明書和權利要求書中，除非另有具體的說明，單數的使用包括複數。另外， 除非另有說明，「或者」的使用是指「和/或」。此外，術語「包含」以及諸如「被包括」和「包括」的其它形式的使用不是限制性的。此外，除非另有明確的說明，諸如「元件」或「部件」 的術語包括包含一個單元的元件和部件以及包含超過一個單元的元件和部件。本文公開的實施例涉及在光譜方面活性的可程序控制的粒子。特別地，公開的粒子和方法是表面增強光譜(SEQ活性的粒子和方法。代表性SES技術包括但不限於SERS、 SERRS和其它技術。已觀察到多種其它光譜方法或系統中的表面增強。最為廣泛研究的是表面增強拉曼散射和表面增強螢光(SEF)。但已觀察到各種其它表面增強現象，包括表面增強超拉曼散射(SEHRS)、表面增強超拉曼共振散射(SEHRRS)、表面增強瑞利散射、表面增強二次諧波產生(SHG)、表面增強紅外吸收反射(SEIRA)和表面增強雷射解吸電離(SELDI)。 這些是除了上述現象之外還包括表面等離子體增強發射(諸如，SPASERS-輻射的自發發射的表面等離子體放大)、等離子體增強衍射和等離子體增強光學透射的稱為等離子體增強或等離子體增強光譜學的更廣泛領域的一部分。等離子體增強也是一種增加太陽能電池的效率的方法。如本發明中所使用，SES包括以上列出以及任何相關或相似的光譜技術。針對SERS描述了本文的許多例子。然而，必須注意的是，本文公開的方法、成分和粒子同樣適用於SERRS、SEHRS、SEF、SEHRRS、SHG、SEIRA、SPASERS或其它表面增強或等離子體增強SES技術。如以上所述，一種類型的已知SERS活性納米粒子是SERS納米標籤，如美國專利 No. 6，514，767、No. 6，861，263、No. 7，443，489和別處所述。在常規SERS納米標籤成分中，探針分子被吸附到SERS活性表面，SERS活性表面和探針通常都用矽石密封。矽石塗層的一個優點在於它防止吸附的分子擴散離開，還防止其它分子被吸附到該表面。這把一定程度的健壯性和環境不敏感性施加於SERS納米標籤粒子，這一點對於許多應用而言是所希望的特徵。然而，在某些情況下，希望使粒子的特性SERS特徵選擇性地變化。例如，可能有用的是製造具有探針的SERS粒子的實施例，其中SERS特徵作為時間的函數消失或出現。這種時間可變粒子可以例如用於監測在幾個位置之間移動的物體的位置，諸如添加到物體、 文件、材料或物質以在連續位置檢驗它的接收的隱蔽標籤劑。另外，如果以基於SERS粒子的標籤劑標記的物體、文件、材料或物質的表面面積小，則有利的是「擦除」與標記粒子相關聯的信號並為了增強安全性根據需求或需要對新的特徵進行編程。本文公開的一個實施例包括SERS特徵被編程為根據需要出現或消失的粒子。例如，如果粒子被添加到用於驗證或跟蹤印花稅票、護照、包裝或類似物品的墨從而僅能結合外部刺激物在光譜方面檢測粒子，則將會導致額外程度的隱蔽安全性。可替換地，可以提供顯示僅在預定的可能機密的時間可觀察的明顯特徵的例子。在可替換的實施例中，當選擇暴露於環境因素、化學或其它物質時，粒子的SERS 活性特徵能夠是可變的。例如，肉或乳製品通常保存於低溫以避免變質腐敗。如果與這些類型的產品關聯的粒子的SERS特徵能夠被編程為在暴露於閾值溫度(例如，60° F)時不可逆地改變，則這種粒子能夠用於跟蹤對閾值條件的暴露。隱蔽標籤劑因此能夠被設計為既檢驗真實性又監測產品存儲和處理。類似地，可變SERS活性特徵能夠用於監測標記的物質對自由基、酸或基本條件的暴露或者對許多其它類型的化學物質或環境條件的暴露。在其它實施例中，特定SERS特徵可以被編程為作為溶液中兩個(或更多個)結合配偶體之間的生物化學相互作用的結果而出現。這種系統通常稱為親近測定。與螢光(親近測定中使用的典型讀出方法)相比，SERS的一個優點在於SERS光譜特徵的相對狹窄，從而產生能夠同時跟蹤多個分析物的多路測定的可能性。本文公開的物質的成分和方法包括多種類型表面增強光譜粒子，特別地包括粒子的光譜特徵改變的SERS粒子。特徵或光譜輸出可以選擇性地改變、隨時間改變、響應於外部因素(諸如，環境因素)或暴露於某種物質改變或者另外以任何方式改變。這類粒子在本文定義為「可程序控制的SES粒子(programmable SES particle) 」或(PSP)。本文描述的PSP可調整為與SERS、SERRS或其它SES技術一起工作。本文描述的PSP可以容易地與如美國專利No. 6，514，767、No. 6，861，263, No. 7，443，489和別處所述的密封SERS納米標籤區分。SERS納米標籤被設計為給出不受環境、物理和化學刺激物影響並且不隨時間改變的恆定不變的信號。相比之下，PSP被設計為返回能夠在外部被觸發而改變或者自然地隨時間改變的受控但可變的信號。圖Ia以圖形方式示出已知SERS納米標籤和本文公開的PSP之間的功能差異。從 SERS納米標籤觀察的信號(軌跡102)是不隨時間變化的SERS信號。然而，PSP提供例如隨時間改變的信號(軌跡104和106)。在圖1的特定時間點(表示為「觸發(trigger) 」)， 從PSP獲得的SERS信號可以開始改變。所述改變可以是增大或減小。信號改變能夠如信號106所示隨時間線性地變化，或者信號可以如信號104所示漸近地變化。信號隨時間的改變能夠呈現無限種形式。本發明的範圍不限於任何特定類型的信號改變。例如，如圖Ib中所示，PSP的SERS信號能夠響應於觸發物改變並隨後隨時間返回到它的初始值，如信號軌跡110的圖形所示。可替換地，SERS信號能夠響應於觸發物112改變並實現新的恆定值。 第二觸發物114的引入使信號改變為第二新的恆定值，如信號軌跡116所示。在圖Ib中， 第二恆定值被示出為等於原始信號值，但不必如此。圖Ic示出兩個其它非限制性的代表性方案，其中從PSP獲得的SERS信號隨時間改變。在代表性信號軌跡118中，在時間=0，不存在信號，並且信號強度隨時間增加。在這個實施例中，信號強度在沒有刺激物或觸發物的情況下隨時間增加。可替換地，信號能夠隨時間衰減，信號衰減在時間零開始。在如代表性信號軌跡120所示的可替換的方案中，在時間=0，SERS信號=0，並保持為0直至應用觸發物122。代表性觸發物能夠是單獨或組合應用的任何數量的刺激物。觸發物的例子包括但不限於物理、光學、化學、生物化學、電氣、磁、電磁、機械和流體或微流體現象。觸發物的其它非限制性例子包括壓力、體積、溫度、質量、重量、流速、焓、熵、吉布斯自由能的變化，離子、陽離子、陰離子、電子、原子、分子、氧化劑、還原劑、溶劑、分子配合物、生物分子、超分子物種和/或粒子不存在或存在或濃度的變化，以及前述各項中的任何項之間的配合物或組合的不存在或存在或濃度的變化。另外的非限制性觸發物包括電壓、電流、電阻、阻抗、氧化還原電勢、湍流、流速、孔隙度、表面面積、光(X線、深uv、uv、可見、近m、IR、微波)、光的波長、光的強度(例如，關到開或者開到關)、聲音的強度和聲音的頻率的變化。平衡常數的變化也能夠用作觸發物。另外，觸發物可包括兩種或更多種刺激物，例如溫度和壓力的變化、 吉布斯自由能、化學成分和氧化還原電勢的變化，或者流速和離子濃度的變化。以上各項中的任何項的空間梯度能夠用作觸發物，當與對探針或其它SERS信號產生部分的接近的變化耦合時尤其如此。例如，粒子可在密封劑的兩側具有探針分子的濃度的梯度。在內側(面對SERS活性粒子核的一側)，存在高濃度的SERS信號產生部分，而在面對外部環境的密封劑的一側，不存在探針並且探針濃度因此等於0。通過探針擴散離開 SERS活性粒子表面，這個梯度能夠在特定環境下用作觸發物。這種擴散不會作為多種因素的結果發生於已知SERS納米標籤中，最不可能的是探針分子與核表面的結合以及由密封劑自身引起的受限制的擴散。然而，如果故意地對具有弱吸附探針的SERS活性粒子塗布了一層多孔矽石或隨後變為多孔的一層矽石，則前述梯度將會足以引起如圖Ic所示的在時間=0開始的信號 (信號軌跡118)的損失，並且SERS信號減小而非增大。可替換地，即使在溶液中存在高濃度的探針的情況下，塗布有非多孔密封劑(但沒有探針)的SERS活性粒子也將會在時間= 0顯示沒有信號。如果合適的觸發物(例如，pH、溫度或化學反應物)引起密封劑孔隙度的增加，則溶液中的探針將會響應於濃度梯度而通過孔隙擴散，導致SERS信號的增大。這個例子圖示在圖Ic中，即，信號軌跡120。在許多實施例中，能夠控制與PSP關聯的SERS信號變化的時間尺度。能夠使信號變化在獲得拉曼光譜所需的短時間尺度(因此，與一皮秒或多皮秒一樣短)上發生。例如， 使用脈衝雷射的光化學觸發物能夠在這種極短時間尺度上引起SERS信號的變化。可替換地，PSP的信號變化能夠根據特定觸發物的應用或者自然地以納秒、微秒、秒、分、小時、天、 周、月、年、或甚至數十年發生。不管是出現還是消失，SERS信號的變化不必是完全出現或完全消失。在許多情況下，任何可觀察的較小的信號變化(例如，信號強度的1 %、3 %、5 %、10 %、20 %、30 %、 40 %、50 %、60 %、70 %、80 %或90 %變化)將會對於本文描述的目的而言是令人滿意的。同樣地，所述變化的測量不必是絕對的；相反，能夠作為比值測量，或者與不隨時間或響應於選擇的刺激物改變SERS信號的標準材料相比。例如，靜態SERS粒子可以與探針A混合併且PSP粒子與探針B混合。在一個例子中，靜態粒子對於溫度不敏感或者僅為弱敏感，而在大於50°C的溫度，來自PSP中的探針A的信號隨時間急劇衰減。與僅測量PSP輸出相比，來自PSP和靜態粒子的SERS信號的比較可提供增加的準確性。可以按照各種各樣的幾何構造製造PSP。幾種非排他性的代表性幾何構造顯示在圖2中。圖加示意性地示出可程序控制的SES粒子(PSP) 200的簡單架構，其包括表面增強光譜表面(即，SERS活性的核202)。PSP 200還包括可程序控制的探針(特別地，一層探針分子204)和外層206。核202可以是Au、Ag、Cu、Al、Pd、Pt、前述各項的混合物，或者在從200nm到2500nm的任何波長表現出SERS增強的任何其它材料，並且能夠具有2nm和 2000nm之間的直徑或有效直徑。所述核能夠具有任何形狀或結構。探針204能夠為有機分子或分子的混合物、無機分子或分子的混合物、聚合物或聚合物的混合物、固態材料或固態材料的混合物，或者具有可檢測拉曼光譜的前述各項的任何組合。探針204可以是、可以具有或者可以包括單個分子、多個分子、亞單分子層、單分子層、多層、或者厚度為1微米的膜。外層206可以是矽石、二氧化鈦、氧化鋯、任何氧化物或氧化物的混合物、氮化物或氮化物的混合物、硫族化物或硫族化物的混合物、聚合物或聚合物的混合物或者前述各項中的任何項的組合。使PSP區別於已知粒子的外層206的特徵在於，外層被設計為允許或者選擇性地允許由外部環境接近探針204，反之亦然。例如，外層206可以本質上是多孔的、在光學上是多孔或者通過外部刺激(例如，光、加熱/冷卻或化學反應物)而變為多孔。可替換地，外層206能夠被編程為通過溶解、離解或其它方法全部或部分消失，從而留下核202和探針204。可替換的PSP成分顯示在圖2b中。在這個實施例中，可程序控制的SES粒子 (PSP) 208包括SERS活性核210和探針層212。210和212的尺寸如以上詳細所述。在這個實施例中還包括傳送層214(可替換地，稱為產生層)、擴散層216和外層218。傳送層214 的作用是存放和/或產生增大或減小SERS信號的材料。擴散層216的作用是控制傳送/ 產生層214中的材料到達核210和/或探針212所需的時間的量。PSP的另一可替換的非限制性幾何構造顯示在圖2c中。在這個實施例中，PSP 220 包括核222以及殼224、2沈和228。在一個特定實現方式中，SERS活性表面可以是殼224， 其厚度可以在1和250nm之間，可程序控制的探針層可以是殼226，其厚度可以在0. 5nm和 500nm之間，密封劑可以是殼228，其厚度可以在Inm和250nm之間。在這個特定實施例中， 核222是能夠被觸發以改變殼224的SERS行為的直徑在2nm和500nm之間的傳送層。例如，核222可以是將會使用熱量作為觸發物擴散到SERS活性層224的金屬。如果層2M是 Au並且核222是Ag (以溫度相關方式自由地相互擴散的兩種金屬)，則所獲得的合金能夠根據使用的激發波長以及核222和殼層224的相對尺寸表現出更大或更小的SERS行為。可替換地，關於圖2c的PSP的一般結構，核222可以是SERS活性表面，殼2M可以是如上定義的可程序控制的探針，殼2 可以是擴散層，殼2 可以是產生層。重要是注意圖2中示意性地示出的例子被示出具有單個球對稱粒子幾何構造，但本文公開的概念和方法同樣適用於所有形狀的粒子，包括但不限於稜形、杆、三角形、四面體、八面體、卵形、錐形、梯形、稜錐形、星形、前述各項的任何項的中空粒子、和任何其它形狀或者能夠使用歐幾裡得幾何學描述的形狀的組合。另外，也包括不能簡單地使用歐幾裡得幾何學描述或不具有對稱性的粒子形狀，例如通過從Ag/Au合金去除Ag製造的「瑞士奶酪」粒子或者通過削去非常薄的金屬膜製造的具有褶皺的紙的形狀的粒子。同樣地，儘管圖2中的例子被示出為具有單個粒子，但應該理解，成群或其它成組的兩個或更多個粒子落在本文公開的實施例的範圍內，包括但不限於2、3、4、5、6、7、8、9、 10、12、15、20、25、30、35、40、45、50、55 或更多個粒子的集合。也重要的是注意，不管增大還是減小或者出現還是消失，從PSP獲得的SERS信號的調製或變化能夠以SERS活性材料、探針、密封劑和/或阻擋層或者它們的任何組合的水平上發生。因此，PSP的信號可以通過改變SERS活性材料、通過改變探針、通過改變密封劑 /阻擋層或者它們的組合而「打開」或「關閉」或者「調大」或「調小」。這種改變可包括轉換至不同成分，但不總是需要轉換。例如，通過調整粒子之間的間隔可以調製PSP粒子集合的 SERS信號。同樣地，通過改變探針相對於SERS活性表面的取向能夠調製PSP的SERS信號。 可替換地，阻擋層的物理、光學或化學孔隙度能夠被增大或減小。在選擇的例子中，PSP的成分不改變，但PSP的幾何構造和/或結構改變。考慮到前述情況，可以描述可用於改變PSP 的信號輸出的方法、反應或過程的幾個特定但非限制性的例子。通過作用於傳送層觸發PSP雖然通過工作於任何層或粒子核的機制能夠發生PSP信號的調製或改變，但以下詳細描述基本上通過作用於傳送層(例如，圖2b的層214或圖2c的層226)工作的特定實施例。其它方法包括作用於密封劑或外層，例如圖加-c的元件206、218或2 或者具有非球形形狀的粒子的相應的密封劑/外層。為了說明與所有粒子幾何構造或形狀相關的概念的目的，下面的討論將集中於諸如圖2b的PSP 208的粒子。如以上參照圖2b所描述，一種製造策略是利用三個共形層包圍核/探針組合，內擴散層216密封核和探針210、212，內擴散層216又被傳送層214 (也稱為「產生層」)密封，傳送層214又被外層218密封，外層218可以是密封劑。這種結構可以稱為「殼/殼/殼」結構，應該理解，對於下面的例子，中間的殼是傳送層或產生層214。外部刺激物(例如，熱或光或者化學刺激物)可用於在傳送層中引起通過作用於探針或核的原子的表面層而降低SERS信號的反應物的產生。代表性傳送層反應物可包括但不限於強酸、強鹼、氰化物(-CN)或高活性C-或0-基自由基(例如，R0)。反應物從傳送層擴散到核/探針表面並降低SERS信號。在自由基的情況下，例如，降低機制是探針的亞單分子層的氧化，而在氰化物的情況下，降低機制是金屬原子的第一層的腐蝕。所述降低所需的時間是基於能夠經粒子和觸發系統的設計完全或部分控制的三個變量到達傳送層的刺激物的量，它是外層的成分的函數；產生的反應物的量，它是傳送層中採用的厚度和化學特性的函數；和到達核表面的反應物的量，它是擴散層的厚度和孔隙度的函數。熱量可用作增大、減小、打開或關閉從PSP獲得的信號的觸發物。如上所述響應於溫度釋放或形成活性反應物的任何物質能夠用於熱激活傳送層中。例如，能夠通過過氧化物的熱分解在傳送層中產生聚(N-乙烯咔唑)的自由基。可替換地，矽石的熱誘導新鮮斷裂導致產生Si-O自由基。可替換地，純二苯基碘四氟硼酸鹽和二苯基碘六氟硼酸鹽已被發現在存在苯甲醚或硝基苯的情況下在239°C和在150°C通過熱解產生氟化氫。另外，鄰硝基苄基甲苯磺酸酯在100和110°C之間的溫度用作對甲苯亞磺酸的熱源。另外，以化學方式結合到矽石的表面的酞酸衍生物的熱分解能夠用於產生氨、甲胺、二乙胺和三乙胺的混合物。 前述和類似的過程能夠被包括在如上所述的傳送層中。另外，某些聚合物在經受到高於它們的對應上限溫度時解聚合。該過程始於聚合物骨架中的鍵裂開，從而產生觸發單體的順序解聚的一對自由基(拉鏈斷裂)。如果溫度顯著高於聚合物的上限溫度，則許多鍵將會斷裂並且大量的小的自由基將會在聚合物傳送層中形成。這些自由基中的一些或許多自由基可穿透內層或擴散層併到達核表面，破壞自由基敏感探針分子並使PSP失去活性。典型例子是聚α-甲基苯乙烯(上限溫度=61°C) 和聚甲基丙烯酸甲酯(上限溫度=230-300°C )。通過把共聚單體加入到聚合物鏈或者通過選擇減緩該過程的聚合物端基能夠修改解聚溫度。任何數量的光化學過程可用於在如上所述的傳送層中觸發反應物的產生。下面是多種光化學觸發可能性的非排他性討論。例如，光酸產生劑常用於化學放大抗蝕劑 (CAR)，其中當照射光酸時產生強酸。雖然小分子光酸通常與用於最終應用的聚合物混合，但可以把光酸基包括在聚合物鏈中。包含側光酸基(即，三氟甲磺酸苯基二甲基鋶基 (phenydimethylsulfonium triflate group))的不同聚合物鏈可被合成以建立殼/殼/殼 PSP粒子的傳送層。在選擇的實施例中，照射封端標籤將會釋放強酸。該酸能夠穿透標籤的擴散層並且將會與酸敏感探針反應，從而消除來自PSP的SERS信號。三苯甲烷無色氫氧化物衍生物在UV照射時釋放氫氧離子。同樣地，三苯甲烷的烷氧基衍生物能夠以相同方式產生醇鹽離子。這些光敏化合物能夠內置於聚合物中以產生光敏鹼釋放材料。這些和類似材料可以被合成並用於建立三殼PSP粒子的傳送層。粒子的UV 照射將會釋放氫氧離子和/或醇鹽離子，所述氫氧離子和/或醇鹽離子將會穿透PSP粒子的擴散層並將會與鹼敏感探針反應，從而使粒子失去活性。包含苯醯醚(benzoyn ether)衍生物的聚合物在照射時破裂以形成苯醯和α -烷氧基苯甲基初級自由基。包含側苯醯醚基的聚合物可以被合成以建立殼/殼/殼PSP粒子的傳送層。對粒子的照射將會釋放自由基，所述自由基將會穿透PSP的內層並且將會與自由基敏感探針反應，從而使粒子失去活性。產生a)酸、b)鹼和C)自由基的光敏聚合物的一般結構為
權利要求
1.一種可程序控制的SES粒子，包括 表面增強光譜(SEQ活性表面；以及與SES表面相關聯的可程序控制的探針。
2.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，還包括納米粒子SES活性表面。
3.如權利要求2所述的可程序控制的SES粒子，其中所述納米粒子SES活性表面具有 2nm和2000nm之間的直徑。
4.如權利要求2所述的可程序控制的SES粒子，其中所述納米粒子SES活性表面包含 Au、Ag、Cu、Al、Pd、Pt中的至少一種，或者Au、Ag、Cu、Al、Pd或Pt的混合物。
5.如權利要求2所述的可程序控制的SES粒子，其中所述納米粒子SES活性表面具有球對稱性。
6.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，其中所述可程序控制的探針包括 與SES活性表面相關聯的SES活性探針；以及包圍SES活性探針和SES活性表面的多孔外殼。
7.如權利要求6所述的可程序控制的SES粒子，其中所述多孔外殼包含氣凝膠、選擇性滲透聚合物和多孔矽石中的至少一種。
8.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，其中所述可程序控制的探針包括 與SES活性表面相關聯的SES活性探針；以及探針和SES活性表面。
9.如權利要求8所述的可程序控制的SES粒子，其中具有可變滲透性的外殼包含可熱解聚聚合物、可熱解聚三代聚碳酸酯、熱響應性聚合物、有機可溶性反膠束和可生物降解材料中的至少一種。
10.如權利要求8所述的可程序控制的SES粒子，其中使具有可變滲透性的外殼響應於光、加熱或冷卻以及化學反應物中的至少一種而更具滲透性。
11.如權利要求8所述的可程序控制的SES粒子，其中使具有可變滲透性的外殼溶解或離解。
12.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，其中所述可程序控制的探針包括 與SES活性表面相關聯的SES活性探針；傳送層，與SES活性探針和SES活性表面中的至少一個相關聯；以及外殼，包圍傳送層、SES活性探針和SES活性表面。
13.如權利要求12所述的可程序控制的SES粒子，其中所述傳送層包含將會改變SES 活性探針的SES行為的材料。
14.如權利要求12所述的可程序控制的SES粒子，其中所述傳送層包含將會改變SES 活性基片的SES行為的材料。
15.如權利要求12所述的可程序控制的SES粒子，其中所述傳送層包含響應於刺激物產生反應物的材料。
16.產生反應物的傳送層包括熱、冷、光、機械刺激物和化學刺激物中的至少一種。
17.如權利要求12所述的可程序控制的SES粒子，其中所述傳送層包含可熱解聚聚合物、光酸產生劑、光敏化合物和光敏聚合物中的至少一種。
18.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，其中所述可程序控制的探針包括SES活性探針，與SES活性表面相關聯；傳送層；擴散層，與SES活性探針和SES活性表面中的至少一個以及傳送層相關聯；以及外殼，包圍傳送層、擴散層以及SES活性探針和SES活性表面。
19.如權利要求1所述的可程序控制的SES粒子，其中所述可程序控制的探針包括SES活性探針，與SES活性表面相關聯；以及用於改變SES活性探針或SES活性表面的SES行為的裝置。
20.如權利要求19所述的可程序控制的SES粒子，其中用於改變SES活性探針或SES 活性表面的SES行為的裝置使得SES活性探針或SES活性表面的SES行為隨著時間的消逝而改變。
21.如權利要求19所述的可程序控制的SES粒子，其中用於改變SES活性探針或SES 活性表面的SES行為的裝置使得SES活性探針或SES活性表面的SES行為響應於外部觸發而改變。
22.一種製造可程序控制的SES粒子的方法，包括使可程序控制的探針與SES活性表面相關聯。
23.如權利要求22所述的製造可程序控制的SES粒子的方法，還包括利用外殼包圍 SES活性表面和可程序控制的探針。
24.如權利要求23所述的製造可程序控制的SES粒子的方法，還包括利用多孔外殼包圍SES活性表面和可程序控制的探針。
25.如權利要求23所述的製造可程序控制的SES粒子的方法，還包括利用選擇性滲透外殼包圍SES活性表面和可程序控制的探針。
26.如權利要求23所述的製造可程序控制的SES粒子的方法，還包括提供與SES活性探針和SES活性表面中的至少一個相關聯的傳送層。
27.如權利要求23所述的製造可程序控制的SES粒子的方法，還包括提供與傳送層相關聯的擴散層。
28.—種標記材料的方法，包括提供用於標記的材料；使可程序控制的SES粒子與該材料相關聯。
29.如權利要求觀所述的標記材料的方法，其中所述材料包括文件、貨幣、有形物體、 物質、固體、流體和產品中的至少一種。
30.如權利要求28所述的標記材料的方法，還包括通過可程序控制的SES粒子的光譜查詢獲得至少一個光譜信號；其中所述可程序控制的SES粒子的光譜信號隨時間改變。
31.如權利要求30所述的標記材料的方法，還包括把觸發物應用於可程序控制的SES 粒子以觸發能夠從可程序控制的SES粒子獲得的光譜信號的變化。
全文摘要
實施例包括多種類型的可程序控制的表面增強光譜(SES)粒子(PSP)及其製造和使用方法，該粒子包括具有SES活性表面202和與SES表面202關聯的可程序控制的探針206的PSP 200。可程序控制的探針206使得PSP 200將會響應於光譜查詢返回受控但可變的信號。該光譜信號能夠在外部被觸發而改變或者該信號可以自然地隨時間改變。
文檔編號G01N21/00GK102301222SQ200980155443
公開日2011年12月28日 申請日期2009年12月23日 優先權日2008年12月24日
發明者M·J·納坦 申請人:卡博特保密器材股份有限公司