CN105973868A - 光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪及采谱方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪及采谱方法，设备包括内激发激光生成模块、白光成像模块、拉曼信号收集模块以及样品控制系统。内激发激光生成模块采用在镀金属膜光纤探针内部高效地激发表面等离基元和在光纤探针尖端高效激发局域增强等离激元，进而在针尖的尖端实现极强的场增强效应。扫描模式为探针固定不动，样品台控制系统控制样品台带动样品实现样品三维形貌扫描。仪器结构基于正置模式，不受样品透明性及导电性的限制。样品也可置于金属基底上，与镀金属膜针尖之间相互作用形成间隙模式，可提高系统的灵敏度和空间分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及针尖增强拉曼光谱技术领域，具体为一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪及采谱方法。
背景技术
不论常规拉曼光谱还是表面增强拉曼光谱，其空间分辨率都无法突破光学衍射极限，从而导致研究的对象存在很大的局限。
针尖增强拉曼光谱技术(Tip-enhanced Raman spectroscopy，简称TERS)自2000年报道以来，已经广泛的应用于各个领域。其采用扫描探针技术将具有TERS活性的(Au/Ag)针尖逼近样品(如1nm)，在一定波长和偏振的激光激发下，可以在针尖末端产生非常强的电磁场增强，极大的提高拉曼信号，具有高达1nm的空间分辨率和单分子检测灵敏度。这是目前唯一可以在几个纳米到几十个纳米尺度提供样品化学成份信息的表面和界面光学表征技术。因此，不论工业应用，还是基础科学研究都对“针尖增强拉曼光谱仪器”有着很大的需求，对TERS仪器的研制、开发应用是目前拉曼光谱领域的研究热点。光学系统是TERS的最主要也是重要的组成部分。
TERS的基本工作原理为：利用扫描探针显微技术将金或银的针尖逼近基底，在合适波长和偏振的激光照射下，针尖末端由于表面等离子体共振效应产生增强的电磁场，因此位于针尖下方样品的拉曼信号得到增强。TERS具有高的灵敏度和空间分辨率，并能同时获得样品表面的形貌和化学信息。而且仅需采用毫瓦级的激光功率即可，因此得到广泛的重视。
目前，国际上的一些知名公司，如NTMDT,Renishaw和Nanonics都推出了商业化的TERS仪器。TERS仪器的自主知识产权化也见诸申请，如美国专利US2002/0154301，专利US2010/0245816；中国专利CN101082585A，专利201110354369.9。
以上TERS仪器的一个共同特点是其基本都是建立在扫描探针显微技术的基础上，都是将纯金属的针尖逼近样品，然后利用空间矢量光聚焦远场激发针尖，这使得仪器的增强拉曼信号的效果差，并且存在由于空间光学入射系统受限于衍射极限而存在的光斑所产生的拉曼背景。迄今为止国际上发表的高水平的研究工作基本都是在实验室自行研制的仪器上获得的，鲜有在商品化的TERS仪器得到高水平的研究成果。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于光纤矢量光探针的针尖增强拉曼光谱仪及采谱方法。
本发明的技术方案为：
所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：包括内激发激光生成模块、白光成像模块、拉曼信号收集模块以及样品控制系统；
所述样品控制系统包括样品台以及样品台控制系统，待测样品放置在样品台上，样品台控制系统用于控制待测样品与镀金属膜光纤探针针尖距离；
所述内激发激光模块包括激光器、光纤矢量光生成模块和镀金属膜光纤探针；激光器发出的激光经过光纤矢量光生成模块后得到矢量光，矢量光传输至镀金属膜光纤探针中；
所述白光成像模块包括白光光源、第一显微物镜和CCD；白光光源发出的白光进入第一显微物镜；受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入CCD成像；
所述拉曼信号收集模块包括光谱分析仪，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入光谱分析仪。
进一步的优选方案，所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：样品台设置有金基底，待测样品放置在金基底上。
进一步的优选方案，所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：光纤矢量光生成模块包括半波片、第二显微物镜、光纤、扰模器、超声波发生装置；激光器发出的激光经半波片调整偏振方向后，再经第二显微物镜耦合到光纤中传输，光纤中的偏振光经扰模器滤除高阶模，使光纤中只剩线偏振矢量基模传输；超声波发生装置与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，将超声波耦合进光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；光纤与镀金属膜光纤探针耦合，光纤中的矢量光传输至镀金属膜光纤探针中。
进一步的优选方案，所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：所述白光成像模块还包括第一二向色镜、第二二向色镜、第一透镜；白光光源发出的白光经第一二向色镜反射后，透过第二二向色镜，进入第一显微物镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，经第二二向色镜反射，经第一透镜聚焦后进入CCD成像；所述拉曼信号收集模块还包括反射镜和第二透镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，透过第一二向色镜和第二二向色镜，再经反射镜反射，经第二透镜聚焦后进入光谱分析仪。
利用上述光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪进行采谱的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将待测样品放置在样品台的金基底上，调节白光成像模块与信号收集模块，使得白光经第一显微物镜聚焦在待测样品上；
步骤2：移动镀金属膜光纤探针，经第一显微物镜找到镀金属膜光纤探针针尖，并聚焦在镀金属膜光纤探针针尖末端；利用样品台控制系统移动样品台，使待测样品与镀金属膜光纤探针针尖之间形成间隙模式；
步骤3：开启内激发激光模块，受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，待测样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，进入光谱分析仪；利用样品台控制系统移动样品台，扫描获得待测样品不同区域的增强拉曼信号。
进一步的优选方案，利用上述光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪进行采谱的方法，其特征在于：所述间隙模式指待测样品与镀金属膜光纤探针针尖之间距离为1～5nm。
有益效果
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明中激发光为利用主动可调谐声致光纤光栅在光纤中生成的光纤径向矢量光，该实验装置成本低，操作便易，且能量利用率高，矢量光的模式纯度高，有利于增强样品的拉曼信号。
2、本发明中针尖为镀金属膜光纤探针针尖，激发光通过光纤入射，在表面镀金属膜的光纤探针内部向针尖传输，在近场入射下激发表面等离子，这种激发光传递方式可以减少甚至避免针尖探测区外的激发光能量分布，在空间光路上独立于信号收集，允许收集系统方案的独立选择与优化。
3、本发明中样品置于金基底上，样品与针尖形成间隙模式，有利于提高系统的空间分辨率。
4、本发明中使用的拉曼信号收集模块，可以直接和现有的商品化产品配套，也可以根据现有技术自行设计。
5本发明采用样品扫描，虽然基于正置模式，但对样品的透明性及导电性没有限制。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明的结构组成示意图，图中各标号为：1-激光器，2-半波片，3-第二显微物镜，4-扰模器，5-超声波产生装置，6-白光光源，7-第一二向色镜，8-第二二向色镜，9-第一显微物镜，10-第一透镜，11-CCD，12-光谱分析仪，13-第二透镜，14-反射镜，15-样品台，16-样品台控制系统。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
本发明主要针对目前商用TERS仪器都是采用纯金属的针尖逼近样品，然后利用空间矢量光聚焦远场激发针尖，从而使得仪器的增强拉曼信号的效果差，并且存在由于空间光学入射系统受限于衍射极限而存在的光斑所产生的拉曼背景等问题，提出了一种基于光纤矢量光探针的针尖增强拉曼光谱仪，通过镀金属膜光纤探针，采用内激发模式，在近场入射下激发表面等离子。
本实施例中的光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪包括内激发激光生成模块、白光成像模块、拉曼信号收集模块以及样品控制系统。
所述样品控制系统包括样品台以及样品台控制系统，待测样品放置在样品台上，样品台控制系统用于控制待测样品与镀金属膜光纤探针针尖距离，控制样品的扫描。优选在样品台设置金基底，待测样品放置在金基底上，利用镀金属膜光纤探针针尖与待测样品形成间隙模式(1～5nm)，提高系统的空间分辨率。
所述内激发激光模块包括激光器、光纤矢量光生成模块和镀金属膜光纤探针。激光器发出的激光经过光纤矢量光生成模块后得到矢量光，矢量光传输至镀金属膜光纤探针中。优选光纤矢量光生成模块包括半波片、第二显微物镜、光纤、扰模器、超声波发生装置；激光器发出的激光经半波片调整偏振方向后，再经第二显微物镜耦合到光纤中传输，光纤中的偏振光经扰模器滤除高阶模，使光纤中只剩线偏振矢量基模传输；超声波发生装置与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，将超声波耦合进光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；光纤与镀金属膜光纤探针耦合，光纤中的矢量光传输至镀金属膜光纤探针中。该优选方案通过光纤中声致光纤光栅高效生成矢量光。
所述白光成像模块包括白光光源、第一显微物镜和CCD；白光光源发出的白光进入第一显微物镜；受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入CCD成像；所述拉曼信号收集模块包括光谱分析仪，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入光谱分析仪。本实施例优选方案中，所述白光成像模块还包括第一二向色镜、第二二向色镜、第一透镜；白光光源发出的白光经第一二向色镜反射后，透过第二二向色镜，进入第一显微物镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，经第二二向色镜反射，经第一透镜聚焦后进入CCD成像；所述拉曼信号收集模块还包括反射镜和第二透镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，透过第一二向色镜和第二二向色镜滤波后，再经反射镜反射，经第二透镜聚焦后进入光谱分析仪。
本实施例中镀金属膜光纤探针的制备分为两部分：1)光纤探针制备；2)光纤探针表面镀金属膜。将制备好的镀金属膜光纤探针与激发光路的光纤进行耦合，将光纤矢量光传输至镀金属膜光纤探针中。而在激发光路中，调节超声波生成装置的声波频率，与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，将超声波耦合进光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅，实现主动可调谐声致光纤光栅在光纤中生成矢量光。
在上述光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪制作完成后，可以利用上述设备进行采谱，具体方法包括以下步骤：
步骤1：将待测样品放置在样品台的金基底上，调节白光成像模块与信号收集模块，使得白光经第一显微物镜聚焦在待测样品上。
步骤2：移动镀金属膜光纤探针，经第一显微物镜找到镀金属膜光纤探针针尖，并使白光聚焦在镀金属膜光纤探针针尖末端；利用样品台控制系统移动样品台，使待测样品与镀金属膜光纤探针针尖之间形成间隙模式，实现针尖和白光成像模块与拉曼信号收集模块的耦合。
步骤3：开启内激发激光模块，受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，待测样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，最终进入光谱分析仪中，进行光谱分光和检测。镀金属膜光纤探针固定不动，利用样品台控制系统移动样品台，扫描获得待测样品不同区域的增强拉曼信号，实现对待测样品表面形貌扫描。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (6)
1.一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：包括内激发激光生成模块、白光成像模块、拉曼信号收集模块以及样品控制系统；
所述样品控制系统包括样品台以及样品台控制系统，待测样品放置在样品台上，样品台控制系统用于控制待测样品与镀金属膜光纤探针针尖距离；
所述内激发激光模块包括激光器、光纤矢量光生成模块和镀金属膜光纤探针；激光器发出的激光经过光纤矢量光生成模块后得到矢量光，矢量光传输至镀金属膜光纤探针中；
所述白光成像模块包括白光光源、第一显微物镜和CCD；白光光源发出的白光进入第一显微物镜；受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入CCD成像；
所述拉曼信号收集模块包括光谱分析仪，样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，聚焦进入光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：样品台设置有金基底，待测样品放置在金基底上。
3.根据权利要求1或2所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：光纤矢量光生成模块包括半波片、第二显微物镜、光纤、扰模器、超声波发生装置；激光器发出的激光经半波片调整偏振方向后，再经第二显微物镜耦合到光纤中传输，光纤中的偏振光经扰模器滤除高阶模，使光纤中只剩线偏振矢量基模传输；超声波发生装置与去掉涂覆层的光纤垂直粘合，将超声波耦合进光纤中传输，在光纤中形成线偏振光栅；光纤与镀金属膜光纤探针耦合，光纤中的矢量光传输至镀金属膜光纤探针中。
4.根据权利要求3所述一种光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪，其特征在于：所述白光成像模块还包括第一二向色镜、第二二向色镜、第一透镜；白光光源发出的白光经第一二向色镜反射后，透过第二二向色镜，进入第一显微物镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，经第二二向色镜反射，经第一透镜聚焦后进入CCD成像；所述拉曼信号收集模块还包括反射镜和第二透镜；样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，透过第一二向色镜和第二二向色镜，再经反射镜反射，经第二透镜聚焦后进入光谱分析仪。
5.利用权利要求4所述光纤矢量光探针型针尖增强拉曼光谱仪进行采谱的方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：将待测样品放置在样品台的金基底上，调节白光成像模块与信号收集模块，使得白光经第一显微物镜聚焦在待测样品上；
步骤2：移动镀金属膜光纤探针，经第一显微物镜找到镀金属膜光纤探针针尖，并聚焦在镀金属膜光纤探针针尖末端；利用样品台控制系统移动样品台，使待测样品与镀金属膜光纤探针针尖之间形成间隙模式；
步骤3：开启内激发激光模块，受镀金属膜光纤探针输出的光纤矢量光近场入射下激发，待测样品的增强拉曼信号被第一显微物镜收集后，进入光谱分析仪；利用样品台控制系统移动样品台，扫描获得待测样品不同区域的增强拉曼信号。
6.根据权利要求5所述采谱方法，其特征在于：所述间隙模式指待测样品与镀金属膜光纤探针针尖之间距离为1～5nm。
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