CN206270249U - 一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置 - Google Patents

Abstract

一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，属于化学检测分析仪器技术领域。由激光器、准直透镜、窄带滤光片、可变激发角的光学机构、纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底、长通滤波片、聚焦透镜、光纤和拉曼光谱仪构成。基于该可变激发角的光学机构，通过光学收集透镜匹配上现有的便携式拉曼光谱仪，以及具有SERS信号增强和定向发射性质的SERS基底，就可以构成一套集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置。该装置能够实现对入射激发光激发角度的连续改变，满足表面等离子体的激发要求，同时利用等离子体定向发射的性质，能够实现对定向发射SERS信号的有效采集。该装置方便携带，检测灵敏，特别适用于快速单分子层级的现场分析。

Description

一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置

技术领域

本实用新型属于化学检测分析仪器技术领域，具体涉及一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置。

背景技术

光与物质相互作用时会发生散射，大部分散射光能量不发生改变，属于弹性散射，又叫瑞利散射。然而还有一部分波长发生改变的散射光，它们的能量发生了变化，属于非弹性散射，又叫拉曼散射。拉曼散射光谱属于振转光谱，具有分子特异性。拉曼光谱的谱峰数目、位移及强度与特定的分子结构相对应，所以拉曼光谱可用于测定物质的分子结构，且具有测试样品非接触性、非破坏性、时间短、样品所需量小及样品无需制备等优点。拉曼光谱仪广泛应用于化工厂、制药厂的原料检测、化工制药过程控制，以及宝石鉴定、爆炸物监测、医疗和生化过程监控等领域。

由于拉曼散射的效率只相当于瑞利散射的10^-8，拉曼效应被发现以来的很长时间内都没有得到很好的发展，这种状况一直持续到激光器的产生才有所改观。1974年MartinFleischmann教授发现表面增强拉曼效应(SERS)，能够将拉曼散射效率提高10⁶倍，自此拉曼散射获得了长足的发展。SERS效应是在贵金属表面拉曼散射效应被显著增强的现象，它的增强机理目前认为主要有两种：第一、电磁场增强机理，认为待测分子附近的贵金属表面能够收集并放大局域电磁场，增强的电磁场能够更加有效地激发拉曼散射，电磁场增强因子一般可以达到10⁶～10¹⁰；第二、化学增强机理，认为存在电荷转移机制，能够有效地促进拉曼散射的发生，化学增强因子一般可以达到10¹～10²。因此将SERS效应应用于拉曼检测仪器之中，将会显著地提高仪器信噪比。

SERS效应的电磁场机制，通过提高拉曼散射信号的激发和散射效率实现最终拉曼信号的增强。然而在近场纳微尺度内发生的电磁场相互作用也会造成远场散射信号的各向异性甚至定向发射。例如期刊论文(ACS nano,2011,5(3):2036-2041)中详述了不同聚集程度的金纳米粒子聚集体上SERS信号在远场的定向发射性质。从实验和理论的角度验证了源自于金纳米粒子聚集体的SERS信号更倾向在支持聚集体的棱镜一侧辐射向远场。期刊论文(The journal of physical chemistry letters,2015,6(11):2015-2019)中则详述了在空气侧激发贵金属纳米粒子和贵金属膜构成的复合SERS基底，最终在棱镜一侧获得了定向发射的拉曼信号。上述研究工作从理论和实验两个角度验证了SERS定向发射的可能性。然而能够实现定向发射信号采集的装置只有“一种利用表面等离子体定向发射增强拉曼光谱的装置，专利申请号：2011101758766”。在该专利中提出了利用表面等离子体定向发射的原理实现的几种可能的仪器结构。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置。区别于上述专利，本实用新型装置是基于一种可变激发角的光学机构实现的。利用该可变激发角的光学机构，通过光学收集透镜匹配上现有的便携式拉曼光谱仪，以及具有SERS信号增强和定向发射性质的SERS基底，就可以构成一套集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置。采用本实用新型装置能够实现对入射激发光激发角度的连续改变，满足表面等离子体的激发要求，同时利用等离子体定向发射的性质，实现对定向发射SERS信号的有效收集。该可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置方便携带，检测灵敏，特别适用于快速单分子层级的现场分析。

具体的本实用新型所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置光路结构原理如图1所示，由激光器10(根据待测样品的荧光和拉曼性质决定激光器波长，例如荧光发射峰在600nm的待测样品，为了避开荧光对拉曼散射信号的干扰，激光器波长可选择785nm)、准直透镜11(使具有一定发散角的激光转化为平行光)、窄带滤光片12(进一步减小激光的带宽)、可变激发角的光学机构(图1中虚线框所示的机构)、纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底9、长通滤波片13(过滤掉瑞利散射光的干扰)、聚焦透镜14、光纤15和光纤拉曼光谱仪27构成。

图1中虚线框所示为本实用新型所述的一种可变激发角的光学机构，由位置可调高反镜1(对入射激发光高度反射)、螺杆2、固定器3(螺杆2与位置可调高反镜1固定安装在一起，固定器3将螺杆2与仪器外壳固定安装在一起，通过螺杆2的旋转，可以调节位置可调高反镜1与激光器10间的距离)、二向色镜4(相对于入射激发光45度角放置能够高度反射入射激光，同时对大于入射激发光波长的波段高度透过)、消色差固体浸没透镜组(由平凸透镜5、弯月透镜6、超球体7以及机械外壳8构成)构成。位置可调高反镜1的镜面与由激光器10发出的入射激发光成45度角放置，二向色镜4与位置可调高反镜1的镜面平行。平凸透镜5、弯月透镜6、超球体7共轴线安装在机械外壳8内，并且轴线与入射激发光平行。

本实用新型所述的纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底9，其结构如图2所示，从下至上依次由玻璃基底16(材质与超球体7相同)，贵金属纳米膜17(金或银，厚度20nm～50nm)，待测拉曼探针分子18(例如罗丹明6G、对巯基苯胺、苏丹红、马来酸以及生物酶等化学检测分子)和贵金属纳米粒子19(金或银，粒径40nm～70nm)组成。待测拉曼探针分子18位于贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19(同一装置中，贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19的材料可以是同一种金属，也可以分别为金和银或者银和金)之间的缝隙处，缝隙尺寸在0.5nm～15nm范围内。待测拉曼探针分子18是通过物理或化学吸附的方式组装在贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19之间的缝隙处，简述如下：首先将待测拉曼探针分子18通过化学或物理吸附的方式组装在贵金属纳米膜17表面，随后将包含有少许贵金属纳米粒子19的溶液滴加于组装了待测拉曼探针分子18的贵金属纳米膜17表面，待溶剂蒸发后，待测拉曼探针分子18的尺寸使贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19之间的缝隙尺寸控制在0.5nm～15nm范围内。

玻璃基底16与平凸透镜5、弯月透镜6、超球体7四者共同构成二级齐明透镜组，二级齐明透镜组的焦点位于玻璃基底16上表面处。保证在无相差的情况下，放大消色差固体浸没透镜组的数值孔径。

具体的本实用新型所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置其工作原理所述如下：入射激发光从激光器10发出，被准直透镜11转换为入射平行光；随后该入射平行光被窄带滤光片12过滤，进一步减小激光的带宽；减小带宽的入射平行光进一步被位置可调高反镜1和二向色镜4先后反射后进入消色差固体浸没透镜组，然后以一定角度(角度范围28～60度，包含使贵金属纳米膜17发生表面等离子体共振的共振角(31度))聚焦于玻璃基底16的上表面处。旋进或旋出螺杆2，平移位置可调高反镜1相对于激光器10的位置，此时入射平行光在玻璃基底16上表面处的入射角随之发生改变，当该入射角等于31度时，位于贵金属纳米膜17上表面的表面等离子体被激发。随后，位于贵金属纳米粒子19表面的局域表面等离子体也被激发，此时贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19之间缝隙处将产生极强的局域电场共振，位于缝隙中的待测拉曼探针分子18受到激发辐射出拉曼信号。该拉曼信号与贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19相互作用，再次激发出表面等离子体。再次激发出的表面等离子体将在超球体7一侧耦合成拉曼信号，并沿着表面等离子体共振角向二级齐明透镜组辐射。该拉曼信号经过超球体7的球面折射第一次无相差地缩小发散角，随后经过弯月透镜6的外球面第二次无相差地缩小发散角，最终拉曼信号被平凸透镜5转换成平行光射出消色差固体浸没透镜组；出射的拉曼散射信号进一步经过长通滤波片13的过滤，过滤掉由于瑞利散射造成的与入射激发光波长相同的干扰信号后，被聚焦透镜14收集进入光纤15中，进而拉曼信号被光纤15收集进入光纤拉曼光谱仪27之中进行检测。

本实用新型的优点在于：

1.设计实现了一种可变激发角的光学机构，能够满足平面贵金属膜界面处传导型表面等离子体共振激发条件。同时能够实现对定向发射表面增强拉曼散射信号的有效收集。

2.基于贵金属纳米膜和贵金属纳米粒子构成的SERS增强基底的定向发射性能，匹配可变激发角的光学机构，设计实现了一种集成化等离子体增强拉曼光谱仪。目前该类型仪器还没有被报道出来。

3.贵金属表面增强拉曼散射基底产生的有效增强区域主要位于贵金属纳米粒子与贵金属纳米膜之间纳米尺度的缝隙处，特别适用于表界面的痕量生化反应的监测；

附图说明

图1：本实用新型实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置光路原理示意图。

图2：本实用新型实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置中所采用的贵金属纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底9以及待测拉曼分子18的结构示意图；

图3：本实用新型实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置整体结构图；

图4：本实用新型实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置改变入射平行光的入射角，反射光斑中表面等离子体吸收带的相对位置变化对比照片；

图5所示为实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置对拉曼探针分子对巯基苯胺的角度分辨表面增强拉曼散射光谱图；

图6所示为实施例1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置采集到的单层罗丹明6G分子的表面增强拉曼散射光谱；

具体实施方式

下面给出本实用新型所述一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置的具体实施方式。

实施例1

图3所示为一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置整体结构图。由激光器10(785nm半导体激光器，发散角1mrad，半峰宽2nm，功率75mW)、准直滤光镜组20(包括准直透镜11(平凸透镜，焦距6mm，直径6mm，MgF₂增透膜)和窄带滤光片12(T>94％@785nm，半峰宽3nm，其中T代表透过率))、一维平移台21(移动范围大于13mm，调节螺杆2移动)、位置可调高反镜1(785nm单波长介质膜反射镜，R>99.5％@45度入射，其中R代表反射率)、转角镜架22(铝合金材质，固定二向色镜4(R>94％@780-790nm,T>93％@>790nm，45度入射，其中R代表反射率，T代表透射率)和消色差固体浸没镜头23(通光孔径25.4mm，包括平凸透镜5(材料为BK9，折射率1.52，焦距为96.15mm)、弯月透镜6(材料为ZLaF4，折射率1.92，焦距为65.22(其中内球径为20mm，外球径15mm))、超球体7(材料为ZLaF4，折射率1.92，半径6.35mm)和机械外壳8(铝合金材质))、滤光收集透镜组24(直径25.4mm，包括长波通滤光片13(直径25.4mm，T>93％@790-1770nm,T<5％@<790nm，其中T代表透射率)和聚焦透镜14(平凸透镜，通光孔径25.4mm，焦距50mm))、光纤15(数值孔径0.22，直径200μm，适用于可见光到近红外范围)、光纤三维调整架25(铝合金材质，固定并精细调节光纤15的位置)、光纤拉曼光谱仪27(光谱检测范围750nm-1100nm，通光孔径f/4，f＝101.6mm，狭缝宽度200μm，海洋光学公司生产，型号：QE65000)和仪器外壳26(铝合金材质)组成。

其中一维平移台21、位置可调高反镜1、转角镜架22和消色差固体浸没镜头23固定在仪器外壳26上共同构成本实用新型中所述的可变激发角的光学机构。其中，纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底9由玻璃基底16(材质ZLaF4，折射率1.92，厚度0.7mm)，贵金属纳米膜17(银，厚度40nm)，待测拉曼探针分子18(对巯基苯胺分子或罗丹明6G分子)和贵金属纳米粒子19(银，粒径50nm)组成。纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底9位于消色差固体浸没镜头23上方并通过折射率耦合液(硫化二碘甲烷，折射率1.92，购自阿拉丁公司)与消色差固体浸没镜头23紧密贴合，即玻璃基底16和超球体7之间通过折射率耦合液紧密贴合。

激光器10发出的具有一定发散角的入射激发光首先经过准直透镜透镜11转变成入射平行光。入射平行光再经过窄带滤光片12的过滤，半峰宽减小到3nm。随后被位置可调高反镜1和二向色镜4反射进入消色差固体浸没镜头23中。在消色差固体浸没镜头23中，入射平行光先后被平凸透镜5、弯月形透镜6和超球体7折射并聚焦于一点。焦点位于与超球体7紧密贴合的玻璃基底16的上表面处。调节螺杆2使汇聚于玻璃基底16上表面处的入射平行光的入射角满足贵金属纳米膜17上表面的表面等离子体共振条件，即入射角等于31度，进一步激发出贵金属纳米粒子19的局域表面等离子体。此时在贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19之间的缝隙处将出现增强的局域电磁场，位于该增强场区域内的待测拉曼分子18受到激发而散射出携带有待测拉曼分子18结构信息的拉曼信号。该拉曼信号再次与贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子19相互作用，在玻璃基底16靠近超球体7的一侧沿着表面等离子体的共振角发射出去。拉曼信号经过消色差固体浸没镜头23的折射而成为平行光发射出来。平行发射出的拉曼信号经过二向色镜4和长波通滤光片13的过滤，过滤掉由于瑞利散射造成的与入射激发光波长相同的干扰信号后，被聚焦透镜14聚焦于光纤15端面。最后拉曼信号被光纤15输入光纤拉曼光谱仪27中进行记录和分析。

如图4所示为改变入射平行光在玻璃基底16上表面处的入射角，在反射光斑中表面等离子体共振吸收带的相对位置变化照片。通过调节一维平移台21，位置可调高反镜1相对于激光器10的位置被调节，进而改变入射平行光在玻璃基底16上表面处的入射角。由于表面等离子体共振需要满足入射平行光在贵金属纳米膜17和空气界面处的横向传播矢量与表面等离子体波传播矢量相等这一条件，通过改变入射平行光在玻璃基底16上表面处的入射角，表面等离子体共振情况将发生改变。当入射角度不满足共振条件时，反射光斑如图4中p0所示，没有暗带(吸收带)出现。而当入射角度满足共振条件时，反射光斑中将出现明显的暗带。如图4中p1、p2和p3所示，随着入射角变化，暗带位置从反射光斑一侧(p1)移动到反射光斑另一侧(p3)。

如图5所示为本实用新型所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置对拉曼探针分子对巯基苯胺的角度分辨表面增强拉曼散射光谱图。其中对巯基苯胺分子18采用自组装方法吸附于银纳米膜17和银纳米粒子19之间的缝隙中。更具体的，先通过真空热蒸镀在玻璃基底16表面制备40nm银膜，然后浸泡于浓度为10^-4mol/L的对巯基苯胺的乙醇溶液中30分钟，再用大量乙醇冲洗后对巯基苯胺在银膜表面形成单分子层。接着将组装了对巯基苯胺单分子层的银膜浸泡于含有大量银纳米粒子的银溶胶中30分钟，随后取出用大量乙醇冲洗，此时对巯基苯胺分子单分子层被组装于银纳米粒子与银纳米膜之间的缝隙中。将该样品置于超球体7上表面，设置光纤拉曼光谱仪27积分时间1s，调节一维平移台21使入射角在等离子体共振角度31度附近由小到大连续变化，同时记录下表面增强拉曼散射光谱的变化。从图中可以明确看到，发生表面等离子体共振时，仪器记录的对巯基苯胺分子表面增强拉曼散射光谱明显得到增强。

如图6所示为本实用新型所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置采集到的单层罗丹明6G分子18的表面增强拉曼散射光谱。在积分时间为10s的状态下，仪器能够清晰地记录下罗丹明6G分子的分子振动所产生的拉曼散射信号。其中所用的罗丹明6G分子浓度为5x10^-6mol/L。首先取5μL罗丹明6G分子的水溶液滴于40nm银膜表面。40nm银膜是通过真空热蒸镀法制备于玻璃基底16表面。待溶剂水蒸发干后，用大量去离子水冲洗，再用氮气吹干。这时罗丹明6G分子通过物理吸附方式吸附在40nm银膜表面。随后将10μL含有大量银纳米粒子的银溶胶滴于40nm银膜表面。溶剂水蒸发干后，罗丹明6G分子就被组装于银膜17和银纳米粒子19之间的缝隙中。从图中可以明确看到，发生表面等离子体共振时，仪器记录的罗丹明6G分子表面增强拉曼散射光谱明显得到增强。

Claims (5)

1.一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：由激光器(10)、准直透镜(11)、窄带滤光片(12)、可变激发角的光学机构、纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底(9)、长通滤波片(13)、聚焦透镜(14)、光纤(15)和光纤拉曼光谱仪(27)构成；

其中，可变激发角的光学机构由位置可调高反镜(1)、二向色镜(4)、消色差固体浸没透镜组构成，可调高反镜(1)与激光器(10)间的距离可调节；消色差固体浸没透镜组由平凸透镜(5)、弯月透镜(6)、超球体(7)以及机械外壳(8)构成；位置可调高反镜(1)的镜面与由激光器10发出的入射激发光成45度角放置，二向色镜(4)与位置可调高反镜(1)的镜面平行；平凸透镜(5)、弯月透镜(6)、超球体(7)共轴线安装在机械外壳(8)内，并且轴线与入射激发光平行；

纳米粒子和纳米膜耦合SERS基底(9)位于超球体(7)上表面，从下至上依次由玻璃基底(16)，贵金属纳米膜(17)，待测拉曼探针分子(18)和贵金属纳米粒子(19)组成；待测拉曼探针分子(18)位于贵金属纳米膜(17)和贵金属纳米粒子(19)之间的缝隙处；玻璃基底(16)与平凸透镜(5)、弯月透镜(6)、超球体(7)四者共同构成二级齐明透镜组，二级齐明透镜组的焦点位于玻璃基底(16)上表面处；

入射激发光从激光器(10)发出，被准直透镜(11)转换为入射平行光；随后该入射平行光被窄带滤光片(12)过滤，进一步减小激光的带宽；减小带宽的入射平行光进一步被位置可调高反镜(1)和二向色镜(4)先后反射后进入消色差固体浸没透镜组，然后以一定角度聚焦于玻璃基底(16)的上表面处；调节可调高反镜(1)相对于激光器(10)的位置，此时入射平行光在玻璃基底(16)上表面处的入射角随之发生改变，当该入射角等于使贵金属纳米膜(17)发生表面等离子体共振的共振角时，位于贵金属纳米膜(17)上表面的表面等离子体被激发，进一步激发出贵金属纳米粒子(19)的局域表面等离子体，贵金属纳米膜(17)和贵金属纳米粒子(19)之间的缝隙处将产生极强的局域电场共振，待测拉曼探针分子(18)受到激发辐射出拉曼信号，该拉曼信号与贵金属纳米膜17和贵金属纳米粒子(19)相互作用，再次激发出表面等离子体；再次激发出的表面等离子体将在超球体(7)一侧耦合成拉曼信号，并沿着表面等离子体共振角向二级齐明透镜组辐射；该拉曼信号过超球体(7)的球面折射第一次无相差地缩小发散角，随后经过弯月透镜(6)的外球面第二次无相差地缩小发散角，最终被平凸透镜(5)转换成平行光射出消色差固体浸没透镜组；出射的拉曼散射信号进一步经过长通滤波片(13)的过滤，过滤掉由于瑞利散射造成的与入射激发光波长相同的干扰信号后，被聚焦透镜(14)收集进入光纤(15)中，进而拉曼信号被光纤(15)收集进入光纤拉曼光谱仪(27)之中进行检测。

2.如权利要求1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：可变激发角的光学机构内还包含有螺杆(2)和固定器(3)，螺杆(2)与位置可调高反镜(1)固定安装在一起，固定器(3)将螺杆(2)与仪器外壳固定安装在一起，通过螺杆(2)的旋转，可以调节位置可调高反镜(1)与激光器(10)间的距离。

3.如权利要求1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：玻璃基底(16)的材质与超球体(7)相同，贵金属纳米膜(17)为金或银膜，厚度20nm～50nm；贵金属纳米粒子(19)为金或银，粒径40nm～70nm；待测拉曼探针分子(18)位于贵金属纳米膜(17)和贵金属纳米粒子(19)之间的缝隙处，缝隙尺寸在0.5nm～15nm范围内。

4.如权利要求1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：待测拉曼探针分子(18)是通过物理或化学吸附的方式组装在贵金属纳米膜(17)和贵金属纳米粒子(19)之间的缝隙处的，首先将待测拉曼探针分子(18)通过化学或物理吸附的方式组装在贵金属纳米膜(17)表面，随后将包含有少许贵金属纳米粒子(19)的溶液滴加于组装了待测拉曼探针分子(18)的贵金属纳米膜(17)表面，待溶剂蒸发后，待测拉曼探针分子(18)的尺寸使贵金属纳米膜(17)和贵金属纳米粒子(19)之间的缝隙尺寸控制在0.5nm～15nm范围内。

5.如权利要求1所述的一种可变激发角的集成化等离子体增强拉曼光谱检测装置，其特征在于：待测拉曼探针分子(18)为罗丹明6G、对巯基苯胺、苏丹红、马来酸或生物酶分子。