CN102507002B - 针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头 - Google Patents

Abstract

针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头，涉及一种拉曼光谱仪。设盒体和电路部分，电路部分设在盒体内；电路部分设白光成像光路、激光光路和信号收集光路；白光成像光路、激光光路和信号收集光路全部采用光纤传导；白光成像光路设有光纤、第1分束器、第2分束器、显微镜头、透镜、反射镜、摄像头和拉杆；激光光路设激光器、单模保偏光纤、光纤耦合器、激光线带通滤波片和45度放置的边缘滤波片；信号收集光路设0度放置边缘滤波片、光纤耦合器、多模光纤和光谱检测器。光路简单、体积较小、可方便更换激光波长和偏振方向、具有较好稳定性，可与任何扫描探针显微仪器联用，可方便切换激发模式，可提高TERS仪器的整体稳定性和操作简便性。

Description

针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱仪，尤其是涉及一种针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头。

背景技术

拉曼光谱因其可以覆盖完整的分子振动的频率区间而且水和CO₂的拉曼散射强度很弱而成为化学、生物和材料研究中一种重要的振动光谱技术。表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS)现象的发现，提升了拉曼光谱的检测灵敏度，使其在研究各种固/液、固/气界面以及生物体系表现出独特的优势，尤其单分子SERS的发现，更是推动了SERS的迅速发展。但是，SERS增强需要纳米尺度的表面、空间分辨率受衍射极限的限制以及SERS机理仍然不清楚等关键问题都在一定程度上制约SERS发展成为表面科学和分析科学中的重要工具(1.Tian，ZQ；Ren，B；Li，JF；Yang，ZL.Chemical Communications，(34)：3514-3534，2007)。

而在2000年左右，世界上几个不同的研究小组同时独立地提出了针尖增强拉曼光谱技术(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy)，简称为TERS。TERS技术将能产生表面等离子体共振的金属探针(如Ag，Au)作为SPM(扫描探针显微镜)的针尖，通过SPM将针尖控制在和样品非常近的距离(如1nm)。当将合适波长的激光以恰当的方式(入射角度和偏振方向)照射在针尖的末端时，就可能在针尖和样品之间激发出局域化的表面等离子体共振，使该区域内的电磁场得到极大的增强，进而增强该区间内分子的拉曼信号。由于增强源是针尖末端高度局域化的电磁场，因此TERS具有极高空间分辨率和高灵敏度。TERS技术自2000年报道后，引起国内外广泛地关注(2.Pettinger，B.Ren，G.Picardi，R.Schuster，and G.Ertl，Phys.Rev.Lett.92，096101_2004_)。

TERS是SPM和拉曼光谱的联用技术，如何将两种仪器很好地耦合使其不但具备SPM仪器的高空间分辨率而且具有很高的拉曼检测灵敏度成为该技术的关键。目前，商品化和定制型的TERS仪器，都是将大型拉曼光谱仪、商品化的显微镜与扫描原子力显微镜三者仪器机械地联用，这导致仪器整体体积庞大、光路复杂、三套系统之间的相互干扰，导致SPM系统工作不稳定，也导致仪器价格高昂(3.http://ntmdt.com/device/ntegra-spectra；4.http://www.renishaw.com/en/afm-raman-system-6638；5.http://www.nanonics.co.il/combined-microraman-and-nsom-spm-system.html；6.http://www.horiba.com/scientific/products/raman-spectroscopy/raman-systems/hybrid-raman/raman-afm/)；当与其它类型的SPM仪器联用时，受到SPM探头空间的限制，缺乏通用性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光路简单、体积较小、可方便更换激光波长和偏振方向、具有较好稳定性，可以与任何扫描探针显微仪器联用，可方便切换激发模式，如反射式激发模式和透射式激发模式，可以提高TERS仪器的整体稳定性和操作简便性的针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头。

本发明设有盒体和电路部分，所述电路部分设在盒体内；

所述电路部分设有白光成像光路、激光光路和信号收集光路；所述白光成像光路、激光光路和信号收集光路全部采用光纤传导；

所述白光成像光路设有光纤、第1分束器、第2分束器、显微镜头、透镜、反射镜、摄像头和拉杆，白光通过光纤进入探头后，经过第1分束器反射后，进入显微镜头，聚焦到样品上；然后样品的信号被显微镜头收集后，由第2分束器反射，穿过透镜后，被反射镜反射，进入摄像头成像；

所述激光光路设有激光器、单模保偏光纤、光纤耦合器、激光线带通滤波片和45度放置的边缘滤波片；激光器产生的激光通过单模保偏光纤和光纤耦合器进入探头，穿过激光线带通滤波片，再经过45度放置的边缘滤波片反射后，进入显微镜头，并聚焦到样品或者针尖上；

所述信号收集光路设有0度放置边缘滤波片、光纤耦合器、多模光纤和光谱检测器；拉曼或荧光信号通过显微镜头收集后，直接穿过45度放置的边缘滤波片和0度放置边缘滤波片后，滤除激发光，进入光纤耦合器，并经过多模光纤传输到光谱检测器中。

所述盒体左侧面可设有用于固定显微镜头的螺纹通孔；盒体右侧面可设有用于分别固定成像CCD及光纤耦合器的2个通孔；盒体前表面可设有分别用于安装光纤和拉杠的2个孔，盒体后表面可设有用于固定光纤耦合器的通孔，所有光路同轴。

在盒体内可设有用于标定及固定光学元件的限位标记。

聚焦好样品后，可以利用拉杆或电动移动台将第1分束器和第2分束器拉开，避免阻挡信号收集光路。

所述45度放置的边缘滤波片可由半反半透分束镜替换。所述光路上可以设置起偏器，用于改变偏振方向。

所述信号收集光路可采用多模光纤。

本发明的原理是：

通过将激光光路、信号收集光路和白光成像光路全部集成在体积较小的微型探头中，入射、收集、照明系统全部采用光纤传输。使得该探头具备有大型共聚焦显微拉曼光谱仪的所有核心功能：激光激发、拉曼信号收集、显微成像，共聚焦。其中入射光路采用单模保偏光纤传输，保证激光在传输过程中偏振性能不变，收集光路采用多模光纤传输(共聚焦性能通过收集光纤的芯径调控)，可以进行广谱带拉曼或者荧光信号检测。激光滤光片选择使用角度为0度或45度边缘滤光片，使得所有光轴都为0度和90度，使得更换激发光波长时不需要变动其它光学元件。

与现有的技术相比，本发明具有以下突出的优点和技术效果：

1)本发明中激发、收集、成像光路都集成在光纤探头中，体积较小，使得仪器整体稳定性极大的提高。由于本发明的仪器光学部分全部集成在光学探头中，因此可以方便的切换透、反两种激发模式。

2)本发明中采用了激光滤光片为边缘滤光片(edge filter)，与采用陷波滤光片(notch filter)的仪器相比，边缘滤光片使用的角度可以为0度或者45度，使得光轴之间夹角都为0度或者90度，极大的简化了光路。而采用陷波滤光片，其使用被限制在一个极其特殊的角度：9度～12度左右，这将导致光路设计复杂。此外，陷波滤光片的工作角度对空气湿度极其敏感，这将导致仪器不稳定；而边缘滤光片可以避免这些问题。

3)本发明入射光路采用单模保偏光纤传输，保证激光在传输过程中偏振性能不变。

4)所有光轴都采用0度或90度设计，使光路调节简单；光路中可以任意添加其它功能的光学元件；在更换激发光波长时，不需要变动除边缘滤光片外的任何光学元件。

5)本发明中，探头中的光学元件使用数量远少于大型拉曼光谱仪，降低了光损失，极大提高了检测效率。

6)本发明的针尖增强拉曼探头可以与任何商品化的SPM系统联用。光学部分体积比商品化仪器缩小了90％以上，价格成本低，为真正使TERS这种高空间分辨率、高灵敏度的检测技术普遍应用于科研、工业中奠定基础。

7)本发明可作为常规微型化拉曼光谱仪用于常规拉曼光谱和表面增强拉曼光谱检测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

参见图1，本发明实施例设有盒体和电路部分，所述电路部分设在盒体内；

所述盒体左侧面设有用于固定显微镜头4的螺纹通孔；盒体右侧面设有用于分别固定成像CCD7及光纤耦合器16的2个通孔；盒体前表面设有分别用于安装光纤1和拉杠8的2个孔，盒体后表面设有用于固定光纤耦合器11的通孔，所有光路同轴。

所述电路部分设有白光成像光路、激光光路和信号收集光路；所述白光成像光路、激光光路和信号收集光路全部采用光纤传导。

所述白光成像光路设有光纤1、第1分束器2、第2分束器3、显微镜头4、透镜5、反射镜6、摄像头7和拉杆8，白光通过光纤1进入探头后，经过第1分束器2反射后，进入显微镜头4，聚焦到样品上；然后样品的信号被显微镜头4收集后，由第2分束器3反射，穿过透镜5后，被反射镜6反射，进入摄像头7成像。

所述激光光路设有激光器9、单模保偏光纤10、光纤耦合器11、激光线带通滤波片12和45度放置的边缘滤波片14；激光器9产生的激光通过单模保偏光纤10和光纤耦合器11进入探头，穿过激光线带通滤波片12，再经过45度放置的边缘滤波片14反射后，进入显微镜头4，并聚焦到样品或者针尖上。

所述信号收集光路设有0度放置边缘滤波片15、光纤耦合器16、多模光纤17和光谱检测器18；拉曼或荧光信号通过显微镜头4收集后，直接穿过45度放置的边缘滤波片14和0度放置边缘滤波片15后，滤除激发光，进入光纤耦合器16，并经过多模光纤17传输到光谱检测器18中。

在盒体内可设有用于标定及固定光学元件的限位标记。聚焦好样品后，可以利用拉杆8或电动移动台将第1分束器2和第2分束器3拉开，避免阻挡信号收集光路。

所述45度放置的边缘滤波片14可由半反半透分束镜替换。所述光路上可以设置起偏器13，用于改变偏振方向。

所述信号收集光路可采用多模光纤。

所述盒体可采用立方体。

在TERS实验中，为了能够有效的激发金属针尖的局域的表面等离子，必须使激光的偏振方向平行于针尖轴向方向。一般采用倾斜入射和底部入射两种方式。底部入射模式适用于研究透明样品，如细胞等生物体系。由于本发明的仪器光学部分全部集成一体，因此可以方便的切换两种模式，只需要采用两种不同的聚焦方式即可，内部光路不需要做任何变动。

Claims (4)

1.针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头，其特征在于设有盒体和电路部分，所述电路部分设在盒体内；

所述电路部分设有白光成像光路、激光光路和信号收集光路；所述白光成像光路、激光光路和信号收集光路全部采用光纤传导；

所述白光成像光路设有光纤、第1分束器、第2分束器、显微镜头、透镜、反射镜、摄像头和拉杆，白光通过光纤进入探头后，经过第1分束器反射后，进入显微镜头，聚焦到样品上；然后样品的信号被显微镜头收集后，由第2分束器反射，穿过透镜后，被反射镜反射，进入摄像头成像；

所述激光光路设有激光器、单模保偏光纤、光纤耦合器、激光线带通滤波片和45度放置的边缘滤波片；激光器产生的激光通过单模保偏光纤和光纤耦合器进入探头，穿过激光线带通滤波片，再经过45度放置的边缘滤波片反射后，进入显微镜头，并聚焦到样品或者针尖上；

所述信号收集光路设有0度放置边缘滤波片、光纤耦合器、多模光纤和光谱检测器；拉曼或荧光信号通过显微镜头收集后，直接穿过45度放置的边缘滤波片和0度放置边缘滤波片后，滤除激发光，进入光纤耦合器，并经过多模光纤传输到光谱检测器中；

所述盒体左侧面设有用于固定显微镜头的螺纹通孔；盒体右侧面设有用于分别固定成像CCD及光纤耦合器的2个通孔；盒体前表面设有分别用于安装光纤和拉杆的2个孔，盒体后表面设有用于固定光纤耦合器的通孔，所有光路同轴；

在盒体内设有用于标定及固定光学元件的限位标记。

2.如权利要求1所述的针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头，其特征在于所述45度放置的边缘滤波片由半反半透分束镜替换。

3.如权利要求1所述的针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头，其特征在于所述激光光路上设置起偏器，用于改变偏振方向。

4.如权利要求1所述的针尖增强拉曼光谱仪的光纤显微探头，其特征在于所述信号收集光路采用多模光纤。

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