CN100386620C - 激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法 - Google Patents

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Abstract

激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法属于光谱分析测试仪器领域，特别涉及拉曼散射分析仪器，用该近场增强方法的样品池，全内反射在样品池中产生隐失光激励样品，隐失场与银或金纳米颗粒相互作用下产生电场极值增强的所谓“热点”和电场梯度增强，从而诱导激发拉曼散射极大增强，拉曼散射隐失光在近场样品池上、下基板内以全内反射之逆即禁戒光向两个相反方向发射，提出三类高效集光方法，利用拉曼散射隐失光的高效激励和拉曼隐失光的高效收集，提高拉曼谱分析灵敏度，使一些重要疾病用一滴指血的早期拉曼诊断成为可能，为催化反应在线拉曼测试和物化、生物、医学、地质、材料等许多领域的分子痕量分析技术提供一种新的手段。

Description

激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法
技术领域
本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法属于光谱分析测试仪器领域，特别涉及超灵敏的近场增强拉曼散射样品池。
背景技术
在光谱分析技术中，由于分子拉曼散射截面太小(约10-29cm2)，应用受很大局限，荧光分析截面比较大(约10-16cm2)，已有较大应用范围，如基因芯片用荧光分子探针标记，病毒诊断用时间分辨免疫荧光标记，这些均已有成熟的方法和仪器；但还有不足和缺点：(一)分析过程复杂，需要时间太长，一般用天计算，(二)需要样品量太大，如血样一般均需毫升计。能否以一滴指血的量，如仅一微升，以分计的时间，完成一些重要疾病，如多种癌症、爱滋病、重要传染病等的诊断。超灵敏的近场增强拉曼散射分析技术将有可能实现这种理想。该方法优点：(一)拉曼特征谱很窄，荧光特征谱很宽，前者测量动态范围比后者超过千倍，因此荧光检测不得不用很多检测池的芯片方法补救，一种荧光标记样品需用一个芯片单元，从而血样用量需足够大。拉曼检测只用一滴血就有可能检测多种特征谱，不必使用芯片方法；(二)只要诊断靶分子(病毒等)的拉曼特征谱能检测到，通过计算机中的数据库比较，立即可输出诊断结果，在已知特征谱峰位条件下一般杂质成分不太容易干扰靶分子诊断；(三)拉曼特征谱由分子震动态特征决定，不需做任何标记，荧光或免疫标记还存在能否标记上等问题。但是，关键是能否设计出超高灵敏的近场增强拉曼散射分析系统。过去三十年以来发现，在银、金、铜等贵金属粗糙表面或这种金属纳米粒子胶体表面吸附有靶分子条件下，存在表面增强拉曼散射效应(SERS)，其增强因子达到106-108，有人甚至达到1014，至今，这种很复杂的增强机理学界公认还没有搞清楚，并存在巨大开拓潜力。
我们认为表面增强拉曼散射(SERS)效应的核心是一个近场光学与近场光谱学新问题，同时也是与表面键有关的与物理化学相交叉的新学科。近场光谱学是一个正在开拓与发展的新学科，其中近场增强拉曼散射是最具活力最具开拓前景的生长点。
发明内容
本发明的目的是为了提高拉曼散射增强因子，提出一种超高灵敏的激励和接收均用隐失光的近场增强拉曼散射(NERS)方法和样品池技术方案。其拉曼散射激励和接收均用隐失光的近场增强方法特征是激励光束通过P偏振全内反射光在样品池中产生隐失光(evanescent wave)激励样品，在样品池中的激励隐失光在银或金纳米颗粒附近产生电场极值增强的所谓“热点”和电场梯度的增强，该两者诱导样品拉曼散射近场增强，样品拉曼散射以偶极发射方式向上和向下两个相反方向发射隐失光，通过全内反射逆过程方式隐失光之逆即禁戒光(forbidden light)在远场同时收集这种近场增强拉曼散射光；近场增强拉曼散射(NERS)样品池的结构特征是：用二块平行的折射率大于样品折射率的透明基板做样品池，将很薄的银或金膜镀在上下基板上，纳米尺度银或金颗粒均布在样品池下基板上，激励光的入射角超过临界角，样品池上界面与下界面夹紧液态样品，由银或金颗粒尺度极大者支承控制样品池的间距，保证极大多数分布均匀的银或金颗粒与样品池上界面存在数纳米的控制间距，样品池的直径根据需要选定毫米或亚毫米，样品池上下界面基板需要超高精度平面光学抛光。
激励与接收均用隐失光的近场增强方法示意图见图1，样品池上下基板的折射率大于样品折射率的条件下，(1)为激励样品用的P偏振平行细激光束，其入射角超过全内反射临界角，上下基板均镀很薄的银或金薄膜(2)，下基板银膜上存在纳米尺度银或金颗粒(4)，颗粒尺度及其差值不超过用数值模拟给出的优化控制值，极大颗粒的数量控制在很少量和分布比较均匀，保证极大多数分布均匀的银或金颗粒与样品池上界面存在数纳米的控制间距，留出产生电场极值增强所谓“热点”所需空间，全内反射激光束在下基板银膜上产生等离子激元(plasmon)和隐失光，隐失光的示意图见右插图中之(3)，其中电场振幅(横坐标)与下界面纵向距离(纵坐标)呈近似指数衰减，此隐失场在与纳米尺度银或金颗粒相互作用下，在颗粒附近将产生电场极值增强的所谓“热点”，伴随“热点”电场的增强，其电场梯度也增强，此二者将诱导在“热点”中的样品分子拉曼散射极度增强，这种由隐失场引起的拉曼散射增强称近场增强，在“热点”诱导激发样品分子发射拉曼散射呈现偶极子形式发射(6)，该分子的拉曼散射向样品池上下两个方向的发射为隐失光，左边插图(7)为向上和向下二个方向发射拉曼散射隐失光呈现指数衰减的示意图，(8)为拉曼散射隐失光之逆即所谓禁戒光(forbidden light)，它是可传输光，由于隐失光将随距离呈指数衰减，因此必须设计在近场使拉曼散射隐失光转换为禁戒光，此禁戒光有大孔径角与近似空芯圆锥形式发射。
收集同时从样品池上、下基板内两个方向相反的拉曼散射隐失光之逆即禁戒光的光学系统有三类方法，其特征是：(1)二个截顶椭球体组合集光方法(图2)，二个截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们镀很薄银或金薄膜的二个通过焦点的平行截面组合成样品池，外侧镀金属反射层，在其中之一截顶椭球体侧面开二个小孔引入和导出全内反射P偏振细激光束，由样品拉曼散射隐失光转换来的其逆即禁戒光在焦点附近发射，通过椭球体内反射，会聚到另一焦点附近，再通过多模光纤收集近场增强的拉曼光，将上下两光纤合束输入拉曼谱仪；(2)半球体反射镜与截顶椭球体组合集光(图3)或与大孔径油浸物镜组合集光方法，半球体反射镜与截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们的镀银或金薄膜平面组合成样品池，在引入P偏振全内反射细激光束条件下，样品拉曼散射向下的隐失光通过其逆即禁戒光在半球体中内反射，返回样品池的隐失光的方向已转换180度，从向下转换到向上，再通过截顶椭球体或大孔径油浸物镜，将拉曼散射的原为向上的和向下的两个方向相反的隐失光通过禁戒光全部集中起来与拉曼谱仪耦合；(3)截顶半椭球体与大孔径油浸物镜组合集光方法(图4)，截顶半椭球体与显微物镜盖片的折射率均大于样品的折射率，将它们镀银或金薄膜平面组合成样品池，样品拉曼散射向下隐失光通过其逆即禁戒光在截顶半椭球体内二次内反射返回样品池，由于入射角已小于临界角在样品池中仍以可传输光形式通过样品池，由显微物镜接收；同时拉曼散射向上的隐失光也可由大孔径油浸物镜收集其禁戒光，该物镜的后焦面与拉曼谱仪祸合，激励用入射P偏振细激光束可通过物镜或截顶半椭球体侧面金属反射层开出的小孔引入和导出。
附图说明
图1为根据本发明的激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法示意图
图2为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之一示意图
图3为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之二示意图
图4为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之三示意图
图1为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法示意图，图中上下基板组成样品池，其折射率大于样品折射率，(1)为激励样品的P偏振全内反射细激光束，其入射和导出均通过隔光层小孔，(2)为很薄的镀银或金薄膜，(3)为用于激励样品的隐失光的插图，(4)为分布在底基板银或金膜上的纳米银或金颗粒，(5)为样品，(6)为银或金颗粒附近电场被极大增强的所谓“热点”和在“热点”中的样品分子被诱导激发拉曼散射以电偶极子形式发射的示意图，(7)为样品分子拉曼散射的向上与向下隐失光左插图，(8)为拉曼散射隐失光之逆即禁戒光，将上下两个大孔径角近似空心圆锥形的禁戒光引入拉曼谱仪即可获得样品的近场增强拉曼谱。
图2为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之一示意图，由两个截顶椭球集光体组成的近场增强拉曼散射(NERS)样品池结构示意图。图中(9)和(10)为上下两个截顶椭球体，其折射率大于样品折射率，外侧镀金属反光层，(1)为P偏振全内反射细激光束，其引入导出通过小孔，(2)为镀银或金薄膜，(4)为银或金纳米颗粒，(5)为样品，(11)和(12)为拉曼散射隐失光之逆即禁戒光，(13)为多模光纤，(14)为上下光纤合束后与拉曼谱仪耦合入口。
图3为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之二示意图，半球体反射镜与截顶椭球集光体组成的近场增强拉曼散射(NERS)样品池结构示意图，图中(15)为半球体隐失光反射镜，(10)为截顶椭球集光体，(15)与(10)折射率大于样品折射率，(2)为镀银或金薄膜，(4)为银或金纳米颗粒，(5)为样品，(6)为“热点”处样品分子拉曼散射以偶极子形式发射示意图，(12)为向下发射隐失光之逆即禁戒光，(16)为由(12)转换的在样品池中的向上隐失光，(17)为由(16)转换的禁戒光，(11)为拉曼散射向上隐失光之逆即禁戒光，拉曼散射向上和向下全部隐失光经转换之后的禁戒光，会集在椭球集光体截面另一焦点附近，再用多模光纤或透镜光学系统与拉曼谱仪耦合。
图4为根据本发明激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法优先实施例之三示意图，截顶半椭球体反射镜与大孔径油浸物镜组成的近场增强拉曼散射(NERS)样品池结构示意图，图中(18)为底面和侧面均镀金属反射层的通过焦点截顶的半椭球体，其折射率大于样品折射率，它与油浸物镜盖片组成样品池，(1)为通过小孔入射激励样品的P偏振细激光束，(2)为镀银或金薄膜，(4)为银或金纳米颗粒，(5)为样品，(19)为大孔径油浸物镜，在物镜下放一块很薄的折射率大于样品折射率的显微镜盖片，盖片下面镀很薄的银或金薄膜，(20)为反射镜，(14)为与显微镜物镜后焦点耦合的拉曼谱仪的入射狭缝，大孔径油浸物镜既可直接接收样品拉曼散射向上的隐失光之逆即禁戒光，又可同时接收由半椭球体底部反射来的由样品拉曼散射向下的隐失光之逆即禁戒光。
具体实施方式
反射式共焦显微拉曼谱仪是一种均由可传输光远场激励和远场接收的拉曼谱仪，如果将液态样品放在银或金粗糙表面，或放入银或金胶体，可存在一定程度表面增强拉曼散射效应(SERS)。如果在拉曼谱仪上设计激励和接收均用隐失光的近场增强拉曼散射(NERS)样品池，即既用高效的近场激励又用高效的近场接收，将可获得更有效的拉曼增强和更大的拉曼增强因子，具体技术方案优先实施举例有如下三类：
(1)二个截顶椭球体集光NERS样品池(图2)，椭球体材料为折射率高于样品折射率的透明固体(9，10)，如，蓝宝石或光学玻璃，两截面均通过焦点，一个截面用作样品池基板，大孔径角输出的拉曼散射隐失光之逆即禁戒光(11，12)通过外壁镀金属反射膜的内反射，会聚在另一截面焦点附近，以小孔径角光束形式输出，在该焦点处耦合多模光纤(13)，将上下二个截顶椭球体上两根输出光纤合束后与拉曼谱仪入口(14)耦合，P偏振激励细激光束(1)从其中一个椭球体侧面开小孔入射，全反射光束在对称地方开小孔引出。
(2)半球体反射镜与截顶椭球体集光NERS样品池(图3)，半球体(15)与截顶椭球体(10)折射率均大于样品折射率，如蓝宝石或光学玻璃，由两者截面组成NERS样品池，外镀金属反射层，其中之一的侧面开二个小孔，引入和引出激励样品用的全内反射P偏振细激光束，半球体将样品拉曼散射向下的隐失光转换为禁戒光(12)，经过半球体内反射返回，又转换为在样品池中向上的隐失光(16)，经半球体反射的向上隐失光与原向上的隐失光均由截顶椭球体以禁戒光的形式收集(17、11)，再通过多模光纤耦合进入拉曼谱仪；或者另用大孔径油浸物镜替代截顶椭球体集光(图4)。
(3)截顶半椭球体反射镜与大孔径油浸物镜集光NERS样品池(图4)，截顶半椭球体反射镜(18)与用半球体反射镜(15)目的相同，截顶半椭球体将向下的拉曼散射隐失光转换为禁戒光之后，一直保留可传输光的形式经半椭球体内反射后通过样品池，由大孔径油浸物镜(19)接收；油浸物镜盖片与半椭球体顶截面镀很薄的银或金薄膜(2)作样品池上下基板，二者折射率大于样品折射率，(4)为纳米银或金颗粒，向上拉曼散射隐失光通过盖片转换为禁戒光，全部拉曼散射隐失光之逆即禁戒光经反射镜(20)反射后与拉曼谱仪耦合(11)，全内反射激励细激光束(1)通过物镜中反射镜(20)的小孔引入和导出，也可通过截顶半椭球体侧面镀金属的小孔引入和导出。
本发明的效果和意义  利用本发明近场增强拉曼散射(NERS)样品池可提高拉曼增强因子，大幅度提高拉曼分析的灵敏度，在一些重要疾病拉曼谱的定标已经取得的条件下，用一滴指血诊断早期重大疾病理想有可能实现。为催化反应在线拉曼测试和物化、生物、医学、地质、材料等许多领域的分子痕量分析技术将提供一种崭新的手段。

Claims (5)

1.一种激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法，其拉曼散射激励和接收均用隐失光近场增强方法的特征是：激励光束通过全内反射在样品池中产生隐失光激励样品，样品池中的激励隐失光在银或金纳米颗粒附近产生电场极值增强的所谓“热点”和电场梯度的增强，所述电场极值增强和所述电场梯度的增强诱导样品拉曼散射近场增强，样品拉曼散射以偶极发射方式向上和向下两个相反方向发射隐失光，通过全内反射逆过程方式隐失光之逆即禁戒光在远场收集向上和向下两个相反方向拉曼散射隐失光。
2.如权利要求1所述一种激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法，中所述样品池结构特征是：用二块表面平行的折射率大于样品折射率的透明基板做样品池，将很薄的银或金膜镀在上下基板上，纳米尺度银或金颗粒均布在样品池下基板上，激励光的入射角超过临界角，样品池上界面与下界面夹紧液态样品，由银或金颗粒极大者支承控制样品池的间距，保证极大多数分布均匀的银或金颗粒与样品池上界面存在数纳米的控制间距，样品池的直径根据需要选定毫米或亚毫米，样品池上下界面基板需要超高精度平面光学抛光。
3.如权利要求2所述一种激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法，在所述样品池结构设计中收集同时从样品池上、下基板内两个方向相反的拉曼散射隐失光之逆即禁戒光的光学系统之一，其特征是：二个截顶椭球体集光方法，二个截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们镀很薄银或金薄膜的二个通过焦点的平行截面组合成样品池，外侧镀金属反射层，在其中之一截顶椭球体侧面开二个小孔引入和导出全内反射P偏振细激光束，由样品拉曼散射隐失光转换来的其逆即禁戒光在焦点附近发射，通过椭球体内反射，会聚到另一焦点附近，再通过多模光纤收集近场增强的拉曼光，将上下两光纤合束输入拉曼谱仪；
4.如权利要求2所述一种激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法，在所述样品池结构设计中收集同时从样品池上、下基板内两个方向相反的拉曼散射隐失光之逆即禁戒光的光学系统之二，其特征是：半球体反射镜与截顶椭球体组合集光或与大孔径油浸物镜组合集光方法，半球体反射镜与截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们的镀银或金薄膜截面组合成样品池，在引入P偏振全内反射细激光束条件下，样品拉曼散射向下的隐失光通过其逆即禁戒光在半球体中内反射，返回样品池的隐失光的方向已转换180度，从向下转换到向上，再通过截顶椭球体或大孔径油浸物镜，将拉曼散射的原为向上的和向下的两个方向相反的隐失光通过禁戒光全部集中起来与拉曼谱仪耦合；
5.如权利要求2所述一种激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法，在所述样品池结构设计中收集同时从样品池上、下基板内两个方向相反的拉曼散射隐失光之逆即禁戒光的光学系统之三，其特征是：截顶半椭球体与大孔径油浸物镜组合集光方法，截顶半椭球体与显微物镜盖片的折射率均大于样品的折射率，将它们镀银或金薄膜平面组合成样品池，样品拉曼散射向下隐失光通过其逆即禁戒光在截顶半椭球体内二次内反射返回样品池，由于入射角已小于临界角在样品池中仍以可传输光形式通过样品池，由显微物镜接收；同时拉曼散射向上的隐失光也可由大孔径油浸物镜收集其禁戒光，该物镜与拉曼谱仪耦合，激励用入射P偏振细激光束可通过物镜或截顶半椭球体侧面金属反射层开出的小孔引入和导出。
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