CN207066989U - 拉曼原子力显微镜联用分析系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种拉曼原子力显微镜联用分析系统，包括：原子力显微镜检测装置、光学成像系统和拉曼光谱系统，所述原子力显微检测装置包括样品扫描台、扫描探头、激光器、探针和四象限探测器；所述光学成像系统包括光源、半透镜A、半透镜B、物镜和CCD；所述拉曼光谱系统包括拉曼光谱仪装置和光纤。本实用新型的拉曼原子力显微镜联用分析系统，将拉曼光谱仪和原子力显微镜两者完美的结合，同时集成了拉曼光谱仪和原子力显微镜的功能；可在同一个样品上、以相同的位置、相同的时间采集拉曼光谱和AFM数据，可在纳米尺度上研究材料的组成、结构和特性，且能消除因样品表面特性随着时间而发生变化对检测结果造成的影响。

Description

拉曼原子力显微镜联用分析系统

技术领域

本实用新型涉及原子力显微镜技术领域，尤其是一种拉曼原子力显微镜联用分析系统。

背景技术

当一束单色光照射到样品表面后，样品表面分子可以使入射光发生散射。大部分光只是改变光的传播方向，从而发生散射，而穿过分子的透射光的频率，仍与入射光的频率相同，这时，称这种散射称为瑞利散射；还有一种散射光，它只占总散射光强度的，该散射光不仅传播方向发生了改变，而且该散射光的频率也发生了改变，我们称该散射光为拉曼散射。散射光与入射光之间的频率差称为拉曼位移，拉曼位移与入射光频率无关，它只与散射分子本身的结构有关。拉曼散射是由于分子极化率的改变而产生的。拉曼位移取决于分子振动能级的变化，不同化学键或基团有特征的分子振动，因此与之对应的拉曼位移也是特征的。这就是拉曼光谱可以作为分子结构定性分析的依据。拉曼光谱技术广泛应用于科研院所、高等院校物理和化学实验室、生物及医学领域等光学方面，研究物质成分的判定与确认；还可以应用于刑侦及珠宝行业进行毒品的检测及宝石的鉴定。目前常用的拉曼光谱仪是与光学显微镜结合在一起使用的，利用拉曼光谱和光学显微镜共焦光路设计可对样品表面进行微米级别的区域检测，也可用此进行显微影像测量。

现在的拉曼光谱仪的样品区域检测分辨率有待提高，原子力显微镜检测时容易因样品表面特性随着时间而发生变化而使检测结果产生较大误差。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种拉曼原子力显微镜联用分析系统。

本实用新型的目的是设计一种拉曼原子力显微镜联用分析系统，以提高现有拉曼光谱仪的样品区域检测分辨率。原子力显微镜是利用待测样品和一个微型力及其敏感的微细针尖之间的相互作用力来获取样品表面三维结构及形貌信息，具有纳米级别的分辨率。将拉曼光谱仪和原子力显微镜两者联用，我们可以在同一个样品上，以相同的位置，相同的时间，同时采集拉曼光谱和AFM数据。可以在纳米尺度上研究材料的组成、结构和特性，并且不会担心样品表面特性随着时间而发生变化。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种拉曼原子力显微镜联用分析系统，包括：原子力显微镜检测装置、光学成像系统和拉曼光谱系统，所述原子力显微检测装置包括样品扫描台、扫描探头、激光器、探针和四象限探测器；所述光学成像系统包括光源、半透镜A、半透镜B、物镜和CCD；所述拉曼光谱系统包括拉曼光谱仪装置和光纤。

优选的是，所述扫描探头设置于所述样品扫描台上，所述激光器、探针和四象限探测器均设置于所述扫描探头内部，所述探针处于放置在所述样品扫描台的台面上的待测样品的上方，所述激光器和四象限探测器设置于所述探针两侧。

优选的是，所述物镜插入所述扫描探头内部设置于所述探针的正上方，所述半透镜B、所述半透镜A和光源由下至上依次设置于所述物镜的正上方。

优选的是，所述CCD设置于所述半透镜A的一侧，用于对待测样品进行成像。

优选的是，所述光纤一端与所述拉曼光谱仪装置连接，另一端设置于所述半透镜B的一侧，以传输所述拉曼光谱仪装置发出的激光和所述扫描探头内反射出的拉曼散射光。

优选的是，所述拉曼光谱仪装置至少包括用于发射激光的激光发射器、用于采集拉曼散射光的采集器、用于对采集的拉曼散射光进行处理的信号处理器及用于分析待测样品性质的分析器。

优选的是，所述光源、半透镜A、半透镜B和物镜的光学中心线重合。

优选的是，还包括镜筒、固定件和连接件，所述半透镜B设置在所述镜筒内，所述镜筒的侧端固定连接有与其连通的所述固定件，所述固定件的另一端可拆卸连接有所述连接件，所述光纤穿设在所述连接件内。

优选的是，所述连接件包括圆筒体、贯穿开设于所述圆筒体中央的开孔和对称设置在所述圆筒体外壁上的卡扣件，所述卡扣件包括一端与所述圆筒体外壁可转动连接的侧板、连接于所述侧板另一端的卡块和连接于所述侧板和圆筒体外壁之间的弹簧，所述侧板的外侧上开设有弧形凹槽，所述光纤穿设在所述开孔内。所述圆筒体的前端呈圆锥体状。

10.根据权利要求9所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述固定件中央开设有通孔，所述通孔的末端呈与所述圆筒体的前端配合的圆锥体状，所述通孔前端的内壁上向上下两侧开设有两个与所述卡块配合的卡槽。

本实用新型的有益效果：本实用新型的拉曼原子力显微镜联用分析系统，将拉曼光谱仪和原子力显微镜两者完美的结合，同时集成了拉曼光谱仪和原子力显微镜的功能；可以在分析待测样品表面的三维形貌结构的同时，在纳米级的尺度范围内分析待测样品的材料组分，能提高现有拉曼光谱仪的样品区域检测分辨率，可在在同一个样品上、以相同的位置、相同的时间，同时采集拉曼光谱和AFM数据，其具有纳米级别的分辨率，可以在纳米尺度上研究材料的组成、结构和特性，并且能消除样品表面特性随着时间而发生变化对检测结果造成的影响，不用担心样品表面特性随着时间而发生变化。

附图说明

图1为本实用新型的拉曼原子力显微镜联用分析系统的结构示意图；

图2为本实用新型的连接件的结构示意图；

图3为本实用新型的固定件的剖视图。

附图标记说明：

1、样品扫描台；2、扫描探头；3、激光器；4、探针；5、四象限探测器；6、光源；7、半透镜A；8、半透镜B；9、物镜；10、CCD；11、拉曼光谱仪装置；12、光纤；13、激光发射器；14、采集器；15、信号处理器；16、分析器；20、镜筒；21、固定件；22、连接件；210、通孔；211、卡槽；220、圆筒体；221、开孔；222、卡扣件；223、侧板；224、卡块；225、弹簧；226、弧形凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-3所示，本实施例的一种拉曼原子力显微镜联用分析系统，包括：原子力显微镜检测装置、光学成像系统和拉曼光谱系统，原子力显微检测装置包括样品扫描台1、扫描探头2、激光器3、探针4和四象限探测器5；光学成像系统包括光源6、半透镜A7、半透镜B8、物镜9和CCD10(CCD10图像传感器，用于对待测样品进行成像)；拉曼光谱系统包括拉曼光谱仪装置11和光纤12。

扫描探头2设置于样品扫描台1上，激光器3、探针4和四象限探测器5均设置于扫描探头2内部，探针4处于放置在样品扫描台1的台面上的待测样品的上方，激光器3和四象限探测器5设置于探针4两侧。扫描探头2与样品扫描台1之间保持密封，将激光器3、探针4和四象限探测器5密封与扫描探头2内。整个系统采用密封装置安装于一体，以避免外界空气对内部检测造成影响。

物镜9插入扫描探头2内部设置于探针4的正上方，半透镜B8、半透镜A7和光源6由下至上依次设置于物镜9的正上方。光源6、半透镜A7、半透镜B8和物镜9的中心处于同一垂直直线上，光源6、半透镜A7、半透镜B8和物镜9的光学中心线重合，以保证光路顺畅。CCD10设置于半透镜A7的一侧，CCD10的中心与半透镜A7的中心处于同一水平位置，以对待测样品进行成像。

半透镜B8设置在镜筒20内，镜筒20的侧端固定连接有与其连通的固定件21，固定件21的另一端可拆卸连接有连接件22，光纤12穿设在连接件22内。连接件22包括圆筒体220、贯穿开设于圆筒体220中央的开孔221和对称设置在圆筒体220外壁上的卡扣件222，卡扣件222包括一端与圆筒体220外壁可转动连接的侧板223、连接于侧板223另一端的卡块224和连接于侧板223和圆筒体220外壁之间的弹簧225，侧板223的外侧上开设有弧形凹槽226，光纤12穿设在开孔221内。圆筒体220的前端呈圆锥体状。固定件21中央开设有通孔210，通孔210的末端呈与圆筒体220的前端配合的圆锥体状，通孔210前端的内壁上向上下两端开设有两个与卡块224配合的卡槽211。

通过连接件22和固定件21实现拉曼光谱系统与光学成像系统、原子力显微镜检测装置之间的连接，光纤12穿设在连接件22内，固定件21与镜筒20连接，且固定件21中央开设的通孔210连通至镜筒20内的半透镜B8的侧端，连接件22插设在固定件21上与其可拆卸连接，从而将光纤12的一端设置在半透镜B8的一侧。具体的，手指按压在弧形凹槽226上，向内侧挤压侧板223，使侧壁向内侧收缩，将连接件22上的圆筒体220的呈圆锥体状的前端配合插入在固定件21中央的通孔210的呈圆锥体状的末端中，使卡块224插入到通孔210前端的内壁上的卡槽211位置，松开侧板223，侧板223在弹簧225弹力作用下自动向两侧扩张，侧板223上的卡块224向两侧移动，配合插入到卡槽211内，使连接件22固定与固定件21上。将连接件22从固定件21上拆下时，手指按压在弧形凹槽226上，向内侧挤压侧板223，使卡块224脱离卡槽211，再将圆筒体220从通孔210中抽出即可。从而使连接件22方便拆卸，以便于对连接件22和固定件21内部和插入其中的光纤12进行清理与维修。圆筒体220的呈圆锥体状的前端与通孔210的呈圆锥体状的末端配合，能增强连接件22和固定件21之间的密封性，防止粉尘和其他杂物进入，卡块224与卡槽211配合，方便连接件22和固定件21之间的固定和拆卸。

原子力显微镜检测装置和光学成像系统的各组件设置在密封装置内。光纤12一端与拉曼光谱仪装置11连接，另一端插设在连接件22内，通过连接件22可拆卸设置在连接于镜筒20侧端的固定件21上，从而设置于半透镜B8的一侧，以传输拉曼光谱仪装置11发出的激光和扫描探头2内反射出的拉曼散射光。拉曼光谱仪装置11至少包括用于发射激光的激光发射器13、用于采集拉曼散射光的采集器14、用于对采集的拉曼散射光进行处理的信号处理器15及用于分析待测样品性质的分析器16。

本实用新型的拉曼原子力显微镜联用分析系统的工作过程为：

待测样品放置在样品扫描台1的正上面，探针4处于待测样品上方，激光器3发出激光光斑，打在探针4的悬臂上，经探针4的悬臂反射到四象限探测器5上，由四象限探测器5进行检测。当探针4与待测样品距离非常近的时候由于两者原子间相互作用力的影响，反射到四象限探测器5上面的激光光斑会发生偏转，原子力显微检测装置内的控制器接收四象限探测器5的检测结果并通过对偏转的激光信号进行运算处理，最终得出待测样品的表面形貌信息；

光源6发出的照明光依次透射经过半透镜A7、半透镜B8和物镜9后打在待测样品的表面，经待测样品反射的管线再经过物镜9进行放大后，再依次经过半透镜B8透射、半透镜A7反射后，最终打在CCD10上面进行成像。

拉曼光谱仪装置11通过激光发射器13发出的激光经过光纤12传输至半透镜B8表面，再经过半透镜B8反射，经过物镜9后打在待测样品表面，产生的拉曼散射，产生的拉曼散射光再反射回来经过物镜9，再经过半透镜B8反射由光纤12传输回到拉曼光谱仪装置11中；拉曼光谱仪装置11内的采集器14采集的拉曼散射光，信号处理器15对采集的拉曼散射光进行信号处理，得出样品表面的拉曼谱线，分析器16进而分析得到样品表面微观区域的材料的组成、结构和特性。

由于将拉曼光谱仪和原子力显微镜结合在一起，可以在分析待测样品表面的三维形貌结构的同时，在纳米级的尺度范围内分析待测样品的材料组分。本实用新型将拉曼光谱仪和原子力显微镜两者完美的结合，同时集成了拉曼光谱仪和原子力显微镜的功能；可在在同一个样品上、以相同的位置、相同的时间，同时采集拉曼光谱和AFM数据，其具有纳米级别的分辨率，可以在纳米尺度上研究材料的组成、结构和特性，并且能消除样品表面特性随着时间而发生变化对检测结果造成的影响，不用担心样品表面特性随着时间而发生变化。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，包括：原子力显微镜检测装置、光学成像系统和拉曼光谱系统，所述原子力显微检测装置包括样品扫描台、扫描探头、激光器、探针和四象限探测器；所述光学成像系统包括光源、半透镜A、半透镜B、物镜和CCD；所述拉曼光谱系统包括拉曼光谱仪装置和光纤。

2.根据权利要求1所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述扫描探头设置于所述样品扫描台上，所述激光器、探针和四象限探测器均设置于所述扫描探头内部，所述探针处于放置在所述样品扫描台的台面上的待测样品的上方，所述激光器和四象限探测器设置于所述探针两侧。

3.根据权利要求2所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述物镜插入所述扫描探头内部设置于所述探针的正上方，所述半透镜B、所述半透镜A和光源由下至上依次设置于所述物镜的正上方。

4.根据权利要求3所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述CCD设置于所述半透镜A的一侧，用于对待测样品进行成像。

5.根据权利要求3所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述光纤一端与所述拉曼光谱仪装置连接，另一端设置于所述半透镜B的一侧，以传输所述拉曼光谱仪装置发出的激光和所述扫描探头内反射出的拉曼散射光。

6.根据权利要求5所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述拉曼光谱仪装置至少包括用于发射激光的激光发射器、用于采集拉曼散射光的采集器、用于对采集的拉曼散射光进行处理的信号处理器及用于分析待测样品性质的分析器。

7.根据权利要求3所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述光源、半透镜A、半透镜B和物镜的光学中心线重合。

8.根据权利要求7所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，还包括镜筒、固定件和连接件，所述半透镜B设置在所述镜筒内，所述镜筒的侧端固定连接有与其连通的所述固定件，所述固定件的另一端可拆卸连接 有所述连接件，所述光纤穿设在所述连接件内。

9.根据权利要求8所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述连接件包括圆筒体、贯穿开设于所述圆筒体中央的开孔和对称设置在所述圆筒体外壁上的卡扣件，所述卡扣件包括一端与所述圆筒体外壁可转动连接的侧板、连接于所述侧板另一端的卡块和连接于所述侧板和圆筒体外壁之间的弹簧，所述侧板的外侧上开设有弧形凹槽，所述光纤穿设在所述开孔内；所述圆筒体的前端呈圆锥体状。

10.根据权利要求9所述的拉曼原子力显微镜联用分析系统，其特征在于，所述固定件中央开设有通孔，所述通孔的末端呈与所述圆筒体的前端配合的圆锥体状，所述通孔前端的内壁上向上下两侧开设有两个与所述卡块配合的卡槽。