CN110455774B - 相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种相移干涉成像‑定向发射表面增强拉曼光谱仪，包括含有耦合棱镜和用于激发长程表面等离子体、且设置在耦合棱镜上的介质膜的光学耦合系统，用于输出激光、并将耦合棱镜反射回的激光和参考光进行干涉成像得到待测生物样品的三维位相图的激光相移干涉成像系统和用于采集与三维位相图在同一束激光作用下于同一位置处产生的SERS信号的SERS信号检测系统；待测生物样品设置在介质膜下方，耦合棱镜用于将透射过待测生物样品的激光耦合至介质膜，以激发待测生物样品产生SERS信号并经过耦合棱镜按照特定角度出射。本申请实现了从多个渠道获取生物体系分子间相互作用信息，以满足相关领域对大量多种类型生物特征信息数据的现实需求。

Description

相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪

技术领域

本发明实施例涉及光学仪器制备技术领域，特别是涉及一种相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪。

背景技术

随着激光技术、纳米科技和计算机技术的迅猛发展，SERS(Surface-enhancedRaman spectroscopy，表面增强拉曼光谱)已经在界面和表面科学、材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测和国家安全等领域得到了广泛应用。SERS技术能够提供更丰富的化学分子的结构信息，可实现实时、原位探测，而且灵敏度高，数据处理简单，准确率高，是非常强有力的痕量检测工具。

举例来说，由于其无需样品预处理、操作简便、检测速度快、准确率高、仪器便携等特点，SERS检测在食品安全快速检测中起到了积极的作用，例如SERS可以定性、定量检测有害非法添加物(如三聚氰胺、苏丹红等)、超量超范围使用的添加剂(如食品中的合成色素等)、果蔬中的农药残留以及食物表面上的细菌和病毒等。SERS与化学计量学方法如多元校正方法相结合，可以测定食品中的成分含量，如鲑鱼肉中的类胡萝卜素；在环境监测领域，通过SERS技术，可监测水源中的多种污染物，如多环芳烃类化合物；在国家安全领域，利用SERS可实现痕量爆炸物(如TNT、TDX和PETN)的现场检测、生物战菌种和毒品等检测；在生物医学领域，结合传统生物学分析方法，SERS技术可以对蛋白质进行检测。

尽管SERS光谱仪可以根据获取的丰富分子特征信息进行如上所述的大量生物研究，但是例如在研究生物分子相互作用体系中SPs(Surface Plasmons，表面等离子体)与表面增强光谱的之间的内在联系或者是生物分子相互作用的机制与原理时，仅仅依靠SERS光谱仪获取的生物特征信息是远远不够，还需要获取更多的生物分子相互作用过程信息。

发明内容

本公开实施例提供了一种相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，实现了从多个渠道获取生物体系分子间相互作用信息，以满足相关领域对大量多种类型生物特征信息的现实需求。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，包括光学耦合系统、激光相移干涉成像系统和SERS信号检测系统；

所述光学耦合系统包括耦合棱镜和设置在所述耦合棱镜上的介质膜，所述介质膜用于激发长程表面等离子体；待测生物样品设置在所述介质膜下方，所述耦合棱镜用于将透射过所述待测生物样品的激光耦合至所述介质膜，以激发所述待测生物样品产生SERS信号并经过所述耦合棱镜以预设方向出射；所述预设方向根据所述耦合棱镜和所述待测生物样品的折射率确定；

所述激光相移干涉成像系统输出预设波长的激光至所述待测生物样品，并将所述耦合棱镜反射回的激光和参考光进行干涉成像，得到所述待测生物样品的三维位相图；所述SERS信号检测系统用于采集并处理与所述三维位相图在同一束激光作用下于同一位置处产生的SERS信号。

可选的，所述SERS信号检测系统包括信号采集器、反射镜、滤光片和光谱仪；

所述信号采集器采集所述SERS信号，并经所述反射镜反射至所述滤光片；所述光谱仪接收透过所述滤光片的SERS信号。

可选的，所述信号采集器为物镜或光纤探头，所述光谱仪包括单色仪和光电倍增管单光子计数系统。

可选的，所述激光相移干涉成像系统设置在所述光学耦合系统正下方。

可选的，所述激光相移干涉成像系统为如下任意一种激光相移干涉仪：

菲索型干涉仪，迈克尔逊干涉仪和泰曼格林干涉仪。

可选的，所述耦合棱镜为半柱面镜、三角棱镜或半球面棱镜；所述介质膜为金属膜、或者是金属膜/缓冲层复合结构。

可选的，所述待测生物样品设置在基片上后安装或吸附与所述介质膜上；所述基片为用金或银修饰的、具有SERS活性的基片，所述待测生物样品通过物理化学作用吸附在所述基片上。

可选的，还包括生物样品池和液体进样管路；

所述生物样品池中存储有用于浸泡所述待测生物样品的液体，以用于改变所述待测生物样品的折射率；

所述液体进样管路用于控制所述液体进入所述生物样品池和将所述液体从所述生物样品池中排出。

可选的，还包括设置在所述液体进样管路上的液位报警系统，用于当监测到所述生物样品池中的液体溶液的体积在预设时间段内低于预设体积阈值时，进行报警提示。

可选的，所述液位报警系统包括光电隔离器和语音报警器，所述光电隔离器和所述语音报警器相连接。

本申请提供的技术方案的优点在于，同步获取待测生物样品的生物分子的相互作用而引起的位相变化的三维图像以及原位的表面增强光谱，由于三维位相图与SERS信号为在同一束激光作用下于同一位置处产生的数据，这些从多个渠道获取的彼此相关性较强的生物体系分子间相互作用信息，不仅可满足相关领域对多种类型大量生物特征信息数据的现实需求，还有利于得到更加精准的分析结果，对研究生物分子相互作用体系中SPs与表面增强光谱的之间的内在联系以及生物分子相互作用的过程均具有重要意义。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪的一种具体实施方式结构图；

图2为本发明实施例提供的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪的另一种具体实施方式结构图；

图3为本发明实施例提供的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪的另一种具体实施方式结构图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪在一种具体实施方式下的结构框架示意图，本发明实施例可包括以下内容：

相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪可包括激光相移干涉成像系统1、光学耦合系统2和SERS信号检测系统3。光学耦合系统2包括耦合棱镜21和设置在耦合棱镜上的介质膜22，介质膜22上设置有待测生物样品。相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪的利用耦合棱镜的反射光与参考光进行相移干涉成像，得到相位变化图相，同时在同一微区内检测定向SERS光谱，最终得到相位变化与SERS光谱变化之间的关系，从而分析SPs与SERS之间的内在联系。具体来说，整个仪器的工作原理可为：激光相移干涉成像系统1中激光器发出的激光光束经过待测生物样品后被光学耦合系统2的耦合棱镜21底面的介质膜22反射后部分光原路返回，和激光相移干涉成像系统1的参考光干涉，得到待测生物样品相互作用的三维位相图。同时，激光相移干涉成像系统1的激光器出射至待测生物样品的另外一部分激光光束经耦合棱镜21将其耦合至介质膜22以激发待测生物样品从而产生SERS信号，SERS信号经过耦合棱镜21以特定角度透过棱镜发射出去，最后被SERS信号检测系统3采集并进行处理，从而可实现利用三维位相图和SERS光谱信号分析SPs与SERS之间的内在联系。其中，SERS信号出射的角度可根据耦合棱镜21和待测生物样品的折射率计算得到，本领域技术人员可根据实际应用场景所需求的SERS信号的出射角度确定耦合棱镜21和待测生物样品的折射率，以实现SERS信号的定向发射。

在本发明实施例提供的技术方案中，同步获取待测生物样品的生物分子的相互作用而引起的位相变化的三维图像以及原位的表面增强光谱，由于三维位相图与SERS信号为在同一束激光作用下于同一位置处产生的数据，这些从多个渠道获取的彼此相关性较强的生物体系分子间相互作用信息，不仅可满足相关领域对多种类型大量生物特征信息数据的现实需求，还有利于得到更加精准的分析结果，对研究生物分子相互作用体系中SPs与表面增强光谱的之间的内在联系以及生物分子相互作用的过程均具有重要意义。

还需要说明的是，为了实现仪器自动化程度和智能化程度，激光相移干涉成像系统1的激光信号发射、耦合棱镜返回激光信号的接收以及参考光和反射光的干涉成像、SERS信号检测系统3的信号采集这些操作可通过主控器4进行统一控制，以及整个仪器内部的一些数据交互、信号传输、数据处理等均可利用主控器4进行处理和控制。可预先编辑好信号发射触发程序、信号采集触发程序来实现自动发射激光信号和自动采集各种信息。主控器4可为任何一种处理器或微处理器或单片机芯片，例如可为ARM主控器，本申请对此不做任何限定。

可选的，为了使激光相移干涉成像系统1更加易于将接收返回的激光光束和参考光束进行干涉，可将激光相移干涉成像系统1设置在光学耦合系统2的正下方。激光相移干涉成像系统1可为任何一种类型的激光相移干涉仪，例如菲索型干涉仪，迈克尔逊干涉仪或泰曼格林干涉仪。激光相移干涉成像系统1采集干涉图的移相方式可采用压电陶瓷机械移相方式，当然，也可采用其他类型的移相方式，本申请对此不作任何限定。

作为一种优选的实施方式，SERS信号检测系统3可集成在一转臂30上，例如图2所示，且SERS信号检测系统3可包括信号采集器31、反射镜32、滤光片33和光谱仪34。信号采集器31采集待测生物样品出射的SERS信号，经反射镜32反射至滤光片33，最后光谱仪34接收透过滤光片33的SERS信号，对SERS信号进行记录和处理。信号采集器31可为物镜或光纤探头，物镜例如可为显微物镜，光谱仪34可包括单色仪和光电倍增管单光子计数系统，光谱仪34例如可为CCD光谱仪。

可选的，耦合棱镜21可为半柱面镜、三角棱镜或半球面棱镜，当然，也可为其他任何一种不同尺度、不同折射率的棱镜或透镜，这均不影响本申请的实现。介质膜22用于激发长程表面等离子体，介质膜22可为金属膜、或者是金属膜/缓冲层复合结构，缓冲层可为折射率稍大于水，小于耦合棱镜的材料制作的，如氟化镁，本申请对此均不做任何限制。介质膜22可采用任何物理或化学的方式使其固定或贴附或吸附与耦合棱镜21底面，这均不影响本申请的实现。

为了使待测生物样品可以更好的激发SERS信号，待测生物样品还可进行预处理，待测生物样品首先放置(或者通过物理化学作用吸附)在用银或金修饰的具有SERS活性的基片上，然后将该基片固定或安装在设置有介质膜22的耦合棱镜21上，耦合棱镜21既承载样品基片，又是耦合激发光SERS信号的媒介。

其中，基片的制备可采用真空镀膜、纳米组装等方法，将通常用于SPR测试的基片修饰成具有SERS活性的基底，研究高SERS活性基底的结构特征，制备具有较高SERS活性的修饰层，使其在界面与表面、纳米结构分析和芯片分析化学研究中获得应用。可使用下述任何一种方法制备用银或金修饰的具有SERS活性的基片：真空蒸镀金属膜方法、超分子静电组装的制作方法和化学反应组装修饰层。

作为一种优选的实施方式，请参阅图3所示，相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪还可包括生物样品池5和液体进样管路6。生物样品池5中存储特定折射率的液体，待测生物样品通过浸入生物样品池的液体中实现折射率的改变。液体进样管路6用于控制生物样品池内液体进入生物样品池和将液体从生物样品池中排出，从而可以实现流体实时检测。

可以理解的是，液体进样管路6出现故障到生物样品池中的液体较少或几乎没有，从而导致待测生物样品折射率无法及时改变，鉴于此，还可包括设置在液体进样管路6上的液位报警系统，用于当监测到生物样品池中的液体溶液的体积在预设时间段内低于预设体积阈值时，进行报警提示，体积阈值可为使得待测生物样品浸入的最小体积。一种实施方式中，液位报警系统可包括光电隔离器和语音报警器，光电隔离器和语音报警器相连接。光电隔离器可采用任何一种光电隔离器，利用光电隔离器检测生物样品池中的液体溶液的体积在预设时间段内是否低于预设体积阈值，语音报警器用于进行报警提示。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，包括光学耦合系统、激光相移干涉成像系统和SERS信号检测系统；

所述光学耦合系统包括耦合棱镜和设置在所述耦合棱镜上的介质膜，所述介质膜用于激发长程表面等离子体；待测生物样品设置在所述介质膜下方，所述耦合棱镜用于将透射过所述待测生物样品的激光耦合至所述介质膜，以激发所述待测生物样品产生SERS信号并经过所述耦合棱镜以预设方向出射；所述预设方向根据所述耦合棱镜和所述待测生物样品的折射率确定；所述待测生物样品设置在基片上后安装或吸附于所述介质膜上；所述基片为用金或银修饰的、具有SERS活性的基片，所述待测生物样品通过物理化学作用吸附在所述基片上；

所述激光相移干涉成像系统输出预设波长的激光至所述待测生物样品，并将所述耦合棱镜反射回的激光和参考光进行干涉成像，得到所述待测生物样品的三维位相图；所述SERS信号检测系统用于采集并处理与所述三维位相图在同一束激光作用下于同一位置处产生的SERS信号。

2.根据权利要求1所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述SERS信号检测系统包括信号采集器、反射镜、滤光片和光谱仪；

所述信号采集器采集所述SERS信号，并经所述反射镜反射至所述滤光片；所述光谱仪接收透过所述滤光片的SERS信号。

3.根据权利要求2所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述信号采集器为物镜或光纤探头，所述光谱仪包括单色仪和光电倍增管单光子计数系统。

4.根据权利要求1所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光相移干涉成像系统设置在所述光学耦合系统正下方。

5.根据权利要求4所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述激光相移干涉成像系统为如下任意一种激光相移干涉仪：

菲索型干涉仪，迈克尔逊干涉仪和泰曼格林干涉仪。

6.根据权利要求5所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述耦合棱镜为半柱面镜、三角棱镜或半球面棱镜；所述介质膜为金属膜、或者是金属膜/缓冲层复合结构。

7.根据权利要求1所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，还包括生物样品池和液体进样管路；

所述生物样品池中存储有用于浸泡所述待测生物样品的液体，以用于改变所述待测生物样品的折射率；

所述液体进样管路用于控制所述液体进入所述生物样品池和将所述液体从所述生物样品池中排出。

8.根据权利要求7所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，还包括设置在所述液体进样管路上的液位报警系统，用于当监测到所述生物样品池中的液体溶液的体积在预设时间段内低于预设体积阈值时，进行报警提示。

9.根据权利要求8所述的相移干涉成像-定向发射表面增强拉曼光谱仪，其特征在于，所述液位报警系统包括光电隔离器和语音报警器，所述光电隔离器和所述语音报警器相连接。

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