CN113670890A - 一种针尖增强拉曼装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及针尖增强拉曼散射(TERS)技术领域，具体涉及一种针尖增强拉曼装置，所述针尖增强拉曼装置从下到上依次包括金属衬底和金属探针；所述金属探针的针尖顶端只有单个金属原子。通过加入金属衬底，入射激光射入，在金属表面产生周期性震荡的表面等离激元场，从而增强拉曼检测信号；金属探针的针尖增强拉曼技术，由于针尖的加入，在金属表面形成高局域的表面等离激元场，进一步达到单分子级别的空间分辨率；本发明的装置能够提高空间分辨，当检测单个肺癌细胞时，单个癌细胞其空间范围在0.1到10um直径，本发明的装置可达到亚纳米级别，完全可以精确的检测单个肺癌细胞的聚集情况。

Description

一种针尖增强拉曼装置
技术领域
本发明涉及针尖增强拉曼散射(TERS)技术领域，具体涉及一种针尖增强拉曼装置。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
长期以来，人类秉承“眼见为实”的原则，光学成像被广泛应用在表面科学、分子纳米技术、生物技术中。
拉曼光谱是基于印度科学家Raman所发现的拉曼散射效应，是一种散射光谱。对于入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息。当激光照射在探针分子上时，不同分子键会产生不同振动信息。用化学识别可视化单个分子是纳米技术和生物技术的长期靶标，分子振动为这种鉴定提供了有价值的“指纹”。
其中，发射光谱是最适合光学成像的技术之一，因为它可以避免来自入射源的背景噪声。例如，通过荧光蛋白，荧光显微镜已经可以对基因表达可视化。但是，由于光学衍射极限的限制，传统远场光学图像的分辨率非常低(可见光范围内最高分辨率200nm)，即使有超分辨显微镜技术的帮助，依旧无法对单个分子进行光学成像。
分子拉曼成像是基于TERS技术而来的。TERS的概念起源于1985年，Wessel提出结合表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)和STM的可能性。这样可以极大地提高SERS的空间分辨率，而又保持了SERS增强拉曼信号的优势。
2012年，Jiang等人在TERS中观察到了多个振动模式，强调了TERS信号可以指纹似地分辨单个分子。TERS作为光学手段，可以非接触、无损伤地对单分子的结构进行探究。另一方面，实验上很多吸附分子的实际构型依旧无法确定。高分辨率TERS带来的TERS成像，有望作为一种新的技术手段，对这些悬而未决的分子构型进行各个方面的探究。
2013年，Dong的研究小组把银针尖移到单个卟啉衍生物分子的不同位置时，得到了明显不同的TERS信号，而当银针尖离开分子1nm左右时，TERS信号消失。这种明显依赖针尖位置的TERS信号，带来了不同拉曼振动模式下的单分子拉曼成像。
作为新兴的技术，人们正在积极探索分子拉曼成像的应用方向，单分子级别的TERS成像对所需实验环境和技术手段的要求较高，但其拥有灵敏度高、分辨率高、无损性等优点，被广泛应用于表面吸附、催化反应、单分子检测在生物医学检测等诸多领域，具有良好的发展前景。但是发明人发现现有技术中单分子级别的针尖增强拉曼装置还达不到高灵敏度、高分辨率、无损性等要求。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种针尖增强拉曼装置，针尖增强拉曼散射成像需要极其苛刻的实验环境和技术手段，本发明利用针尖增强拉曼技术手段将空间分辨率逐步提高，达到亚纳米级别，从而实现单个癌细胞的拉曼成像。单分子灵敏度和空间分辨率是成功检测单个分子结构的必要条件，本发明通过加入金属衬底，当入射激光射入的时候，会在金属表面产生周期性震荡的表面等离激元场，从而增强拉曼检测信号。本发明中还将金属针尖进行打磨，使金属探针的尖端只有单个金属原子，从而形成了纳米谐振腔，纳米谐振腔体积控制在1nm3以内，纳米谐振腔将入射光局域在一定范围内；局域光是提高空间分辨率的关键，由于针尖的加入，可以在金属表面形成高局域的表面等离激元场，进而在满足单个分子灵敏度的同时，进一步达到了单分子级别的空间分辨率，分辨率可从达到亚纳米级别，实现了在灵敏度和分辨率上的单分子级别检测水平，精确的检测肺癌单细胞的聚集情况。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下所述：
在本发明的第一方面，提供一种针尖增强拉曼装置，所述针尖增强拉曼装置从下到上依次包括金属衬底和金属探针；所述金属探针的针尖顶端只有单个金属原子。
使用聚焦激光照射金属探针，聚焦激光照射到金属探针时会激发探针顶点周围的局部表面等离激元；当金属探针的针尖接近金属衬底时，针尖和衬底之间的间隙产生空间局域等离激元，进而生成空间分辨率高的拉曼散射图像。
在一种或多种实施方式中，金属探针的探针尖端形成一个微小的纳米谐振腔，纳米谐振腔的体积在1nm3以内；由于金属探针的探针顶端只有单个金属原子，从而会在探针尖端形成一个微小的纳米谐振腔。
在一种或多种实施方式中，所述金属衬底与金属探针根据探测物质的性质去选取不同的金属；
进一步的，所述金属衬底选自金衬底或银衬底；所述金属探针选自金探针或银探针；
优选的，所述金属衬底为金衬底，所述金属探针为金探针时，入射激光波长在550-650nm，优选600nm；
优选的，所述金属衬底为银衬底，所述金属探针为银探针时，入射激光波长在250-350nm，优选300nm。
金针尖更适合在入射激光波长为550-650nm在金针尖与衬底之间产生空间局域等离激元场，而银针尖更适合在入射激光波长为250-350nm在金针尖与衬底之间产生空间局域等离激元场。
由于金属探针的顶端只有单个金属原子，从而会在金属探针尖端形成一个微小的纳米谐振腔，纳米谐振腔的体积控制在1nm3以内，聚焦激光照射到金属扫描探针上，这个很小的体积的纳米谐振腔就将入射光激光局域在探针与衬底之间，当针尖接近金属衬底，进而会激发针尖和衬底之间的间隙产生空间局域等离激元场；尽管被激光照射的区域很大(取决于入射激光的光斑大小)，但由于纳米谐振腔的局域作用，所以产生了高度局域在针尖和衬底之间的近场。
探针与衬底之间的肺癌单细胞处在空间局域等离激元场中，其产生的拉曼散射信号强度得到提高，接收到的信号增强。金属探针的局域作用使探针与衬底之间产生超高局域的等离子激元场，其空间分辨率大幅度提高，进而生成空间分辨率极高的拉曼散射图像，如图2所呈现的两种不同类型癌细胞的针尖增强拉曼散射光谱图像。通过对比研究癌变组织和正常组织的拉曼光谱，肺部癌细胞刚有生长，就可以被检测到并给出预警。
本发明的具体实施方式具有以下有益效果：
1、通过加入金属衬底，入射激光射入，在金属表面产生周期性震荡的表面等离激元场，从而增强拉曼检测信号；
2、金属探针的针尖增强拉曼技术，由于针尖的加入，在金属表面形成高局域的表面等离激元场，进一步达到单分子级别的空间分辨率；
3、本发明的装置能够提高空间分辨，当检测单个肺癌细胞时，单个癌细胞其空间范围在0.1到10um直径，本发明的装置可达到亚纳米级别，完全可以精确的检测单个肺癌细胞的聚集情况。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明针尖增强拉曼装置的结构示意图；
图2为本发明的装置检测到的两种不同类型肺癌单细胞的针尖增强拉曼散射光谱图像；
其中，图1中，1、金属衬底，2、金属探针，3、癌细胞。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本申请使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
下面结合具体的实施例对本发明作进一步的解释和说明。
如图1所示，一种针尖增强拉曼装置，所述针尖增强拉曼装置从下到上依次包括金属衬底1和金属探针2；所述金属探针2的针尖顶端只有单个金属原子；
所述金属衬底1与金属探针2根据探测物质的性质去选取不同的金属，聚焦激光照射到金属探针2，当金属探针2的针尖接近金属衬底1时，针尖和金属衬底1之间的间隙产生空间局域等离激元，进而生成空间分辨率高的拉曼散射图像。
由于金属探针2的探针顶端只有单个金属原子，从而会在探针尖端形成一个微小的纳米谐振腔，纳米谐振腔的体积控制在1nm3以内；聚焦激光照射到金属探针上，这个很小的体积的纳米谐振腔就将入射光激光局域在探针与衬底之间，当针尖接近金属衬底，进而会激发针尖和衬底之间的间隙产生空间局域等离激元场。尽管被激光照射的区域很大(取决于入射激光的光斑大小)，但由于纳米谐振腔的局域作用，所以产生了高度局域在针尖和衬底之间的近场。
当本发明的针尖增强拉曼装置应用时，将待检测物质放置在金属探针2与金属衬底1之间的空间局域等离激元场中，其产生的拉曼散射信号强度得到提高，接收到的信号增强。金属探针的局域作用使探针与衬底之间产生超高局域的等离子激元场，其空间分辨率大幅度提高，进而生成空间分辨率极高的拉曼散射图像，如图2所示，两种不同类型癌细胞的针尖增强拉曼散射光谱图像，通过对比研究癌变组织和正常组织的拉曼光谱，肺部癌细胞刚有生长，就可以被检测到并给出预警。
在一种具体的实施例中，所述金属衬底与金属探针根据探测物质的性质去选取不同的金属；
进一步的，所述金属衬底选自金衬底或银衬底；所述金属探针选自金探针或银探针；
在一种具体的实施例中，所述金属衬底为金衬底，所述金属探针为金探针时，入射激光波长在550-650nm，优选600nm；
在一种具体的实施例中，所述金属衬底为银衬底，所述金属探针为银探针时，入射激光波长在250-350nm，优选300nm。
金针尖更适合在入射激光波长为550-650nm在金针尖与衬底之间产生空间局域等离激元场，而银针尖更适合在入射激光波长为250-350nm在金针尖与衬底之间产生空间局域等离激元场。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种针尖增强拉曼装置，其特征在于，所述针尖增强拉曼装置从下到上依次包括金属衬底和金属探针；所述金属探针的针尖顶端只有单个金属原子。
2.如权利要求1所述的针尖增强拉曼装置，其特征在于，金属探针的探针尖端存在一个微小的纳米谐振腔，纳米谐振腔的体积在1nm3以内。
3.如权利要求1所述的针尖增强拉曼装置，其特征在于，所述金属衬底与金属探针根据探测物质的性质选取不同的金属。
4.如权利要求1所述的针尖增强拉曼装置，其特征在于，所述金属衬底选自金衬底或银衬底；所述金属探针选自金探针或银探针。
5.如权利要求4所述的针尖增强拉曼装置，其特征在于，金属衬底为金衬底、金属探针为金探针时，入射激光波长在550-650nm，优选600nm。
6.如权利要求4所述的针尖增强拉曼装置，其特征在于，金属衬底为银衬底，金属探针为银探针时，入射激光波长在250-350nm，优选300nm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024066955A1 (zh) * 2022-09-27 2024-04-04 青岛科技大学 可循环利用的sers分子检测装置及其使用方法

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