針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭的製作方法
2023-10-11 01:57:49 3
專利名稱：針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種拉曼光譜儀，尤其是涉及一種針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭。
背景技術：
拉曼光譜因其可以覆蓋完整的分子振動的頻率區間而且水和(X)2的拉曼散射強度很弱而成為化學、生物和材料研究中一種重要的振動光譜技術。表面增強拉曼散射 (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)現象的發現，提升了拉曼光譜的檢測靈敏度，使其在研究各種固/液、固/氣界面以及生物體系表現出獨特的優勢，尤其單分子SERS 的發現，更是推動了 SERS的迅速發展。但是，SERS增強需要納米尺度的表面、空間解析度受衍射極限的限制以及SERS機理仍然不清楚等關鍵問題都在一定程度上制約SERS發展成為表面科學和分析科學中的重要工具(1. Tian, ZQ ；Ren, B ；Li, JF ；Yang, ZL. Chemical Communications, (34) :3514_3534，2007)。而在2000年左右，世界上幾個不同的研究小組同時獨立地提出了針尖增強拉曼光譜技術(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy)，簡稱為TERS。TERS技術將能產生表面等離子體共振的金屬探針(如Ag，Au)作為SPM (掃描探針顯微鏡)的針尖，通過SPM將針尖控制在和樣品非常近的距離(如Inm)。當將合適波長的雷射以恰當的方式(入射角度和偏振方向)照射在針尖的末端時，就可能在針尖和樣品之間激發出局域化的表面等離子體共振，使該區域內的電磁場得到極大的增強，進而增強該區間內分子的拉曼信號。由於增強源是針尖末端高度局域化的電磁場，因此TERS具有極高空間解析度和高靈敏度。TERS技術自 2000 年報導後，引起國內外廣泛地關注(2. Pettinger, B. Ren, G. Picardi, R. Schuster, and G. Ertl, Phys. Rev. Lett. 92,096101_2004_)。TERS是SPM和拉曼光譜的聯用技術，如何將兩種儀器很好地耦合使其不但具備SPM儀器的高空間解析度而且具有很高的拉曼檢測靈敏度成為該技術的關鍵。目前， 商品化和定製型的TERS儀器，都是將大型拉曼光譜儀、商品化的顯微鏡與掃描原子力顯微鏡三者儀器機械地聯用，這導致儀器整體體積龐大、光路複雜、三套系統之間的相互幹擾，導致SPM系統工作不穩定，也導致儀器價格高昂(3. http //ntmdt. com/device/ ntegra-spectra ；4.http://www.renishaw. com/en/afm-raman-system-6638 ；5.http:// www.nanonics. co. i1/combined-microraman-and-nsom-spm-system. html ；6. http://www. horiba. com/scientific/products/raman-spectroscopy/raman-systems/hybrid-raman/ raman-afm/)；當與其它類型的SPM儀器聯用時，受到SPM探頭空間的限制，缺乏通用性。
發明內容
本發明的目的在於提供一種光路簡單、體積較小、可方便更換雷射波長和偏振方向、具有較好穩定性，可以與任何掃描探針顯微儀器聯用，可方便切換激發模式，如反射式激發模式和透射式激發模式，可以提高TERS儀器的整體穩定性和操作簡便性的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭。本發明設有盒體和電路部分，所述電路部分設在盒體內；所述電路部分設有白光成像光路、雷射光路和信號收集光路；所述白光成像光路、 雷射光路和信號收集光路全部採用光纖傳導；所述白光成像光路設有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉杆，白光通過光纖進入探頭後，經過第1分束器反射後，進入顯微鏡頭，聚焦到樣品上；然後樣品的信號被顯微鏡頭收集後，由第2分束器反射，穿過透鏡後，被反射鏡反射， 進入攝像頭成像；所述雷射光路設有雷射器、單模保偏光纖、光纖耦合器、雷射線帶通濾波片和45 度放置的邊緣濾波片；雷射器產生的雷射通過單模保偏光纖和光纖耦合器進入探頭，穿過雷射線帶通濾波片，再經過45度放置的邊緣濾波片反射後，進入顯微鏡頭，並聚焦到樣品或者針尖上；所述信號收集光路設有0度放置邊緣濾波片、光纖耦合器、多模光纖和光譜檢測器；拉曼或螢光信號通過顯微鏡頭收集後，直接穿過45度放置的邊緣濾波片和0度放置邊緣濾波片後，濾除激發光，進入光纖耦合器，並經過多模光纖傳輸到光譜檢測器中。所述盒體左側面可設有用於固定顯微鏡頭的螺紋通孔；盒體右側面可設有用於分別固定成像CCD及光纖耦合器的2個通孔；盒體前表面可設有分別用於安裝光纖和拉槓的 2個孔，盒體後表面可設有用於固定光纖耦合器的通孔，所有光路同軸。在盒體內可設有用於標定及固定光學元件的限位標記。聚焦好樣品後，可以利用拉杆或電動移動臺將第1分束器和第2分束器拉開，避免阻擋信號收集光路。所述45度放置的邊緣濾波片可由半反半透分束鏡替換。所述光路上可以設置起偏器，用於改變偏振方向。所述信號收集光路可採用多模光纖。本發明的原理是通過將雷射光路、信號收集光路和白光成像光路全部集成在體積較小的微型探頭中，入射、收集、照明系統全部採用光纖傳輸。使得該探頭具備有大型共聚焦顯微拉曼光譜儀的所有核心功能雷射激發、拉曼信號收集、顯微成像，共聚焦。其中入射光路採用單模保偏光纖傳輸，保證雷射在傳輸過程中偏振性能不變，收集光路採用多模光纖傳輸(共聚焦性能通過收集光纖的芯徑調控)，可以進行廣譜帶拉曼或者螢光信號檢測。雷射濾光片選擇使用角度為ο度或45度邊緣濾光片，使得所有光軸都為0度和90度，使得更換激發光波長時不需要變動其它光學元件。與現有的技術相比，本發明具有以下突出的優點和技術效果1)本發明中激發、收集、成像光路都集成在光纖探頭中，體積較小，使得儀器整體穩定性極大的提高。由於本發明的儀器光學部分全部集成在光學探頭中，因此可以方便的切換透、反兩種激發模式。2)本發明中採用了雷射濾光片為邊緣濾光片(edge filter)，與採用陷波濾光片 (notch filter)的儀器相比，邊緣濾光片使用的角度可以為0度或者45度，使得光軸之間夾角都為0度或者90度，極大的簡化了光路。而採用陷波濾光片，其使用被限制在一個極其特殊的角度9度 12度左右，這將導致光路設計複雜。此外，陷波濾光片的工作角度對空氣溼度極其敏感，這將導致儀器不穩定；而邊緣濾光片可以避免這些問題。3)本發明入射光路採用單模保偏光纖傳輸，保證雷射在傳輸過程中偏振性能不變。4)所有光軸都採用0度或90度設計，使光路調節簡單；光路中可以任意添加其它功能的光學元件；在更換激發光波長時，不需要變動除邊緣濾光片外的任何光學元件。5)本發明中，探頭中的光學元件使用數量遠少於大型拉曼光譜儀，降低了光損失， 極大提高了檢測效率。6)本發明的針尖增強拉曼探頭可以與任何商品化的SPM系統聯用。光學部分體積比商品化儀器縮小了 90%以上，價格成本低，為真正使TERS這種高空間解析度、高靈敏度的檢測技術普遍應用於科研、工業中奠定基礎。7)本發明可作為常規微型化拉曼光譜儀用於常規拉曼光譜和表面增強拉曼光譜檢測。
圖1為本發明實施例的結構組成示意圖。
具體實施例方式以下實施例將結合附圖對本發明作進一步說明。實施例1參見圖1，本發明實施例設有盒體和電路部分，所述電路部分設在盒體內；所述盒體左側面設有用於固定顯微鏡頭4的螺紋通孔；盒體右側面設有用於分別固定成像CCD7及光纖耦合器16的2個通孔；盒體前表面設有分別用於安裝光纖1和拉槓 8的2個孔，盒體後表面設有用於固定光纖耦合器11的通孔，所有光路同軸。所述電路部分設有白光成像光路、雷射光路和信號收集光路；所述白光成像光路、 雷射光路和信號收集光路全部採用光纖傳導。所述白光成像光路設有光纖1、第1分束器2、第2分束器3、顯微鏡頭4、透鏡5、反射鏡6、攝像頭7和拉杆8，白光通過光纖1進入探頭後，經過第1分束器2反射後，進入顯微鏡頭4，聚焦到樣品上；然後樣品的信號被顯微鏡頭4收集後，由第2分束器3反射，穿過透鏡5後，被反射鏡6反射，進入攝像頭7成像。所述雷射光路設有雷射器9、單模保偏光纖10、光纖耦合器11、雷射線帶通濾波片 12和45度放置的邊緣濾波片14 ；雷射器9產生的雷射通過單模保偏光纖10和光纖耦合器 11進入探頭，穿過雷射線帶通濾波片12，再經過45度放置的邊緣濾波片14反射後，進入顯微鏡頭4，並聚焦到樣品或者針尖上。所述信號收集光路設有0度放置邊緣濾波片15、光纖耦合器16、多模光纖17和光譜檢測器18 ；拉曼或螢光信號通過顯微鏡頭4收集後，直接穿過45度放置的邊緣濾波片14 和0度放置邊緣濾波片15後，濾除激發光，進入光纖耦合器16，並經過多模光纖17傳輸到光譜檢測器18中。在盒體內可設有用於標定及固定光學元件的限位標記。聚焦好樣品後，可以利用拉杆8或電動移動臺將第1分束器2和第2分束器3拉開，避免阻擋信號收集光路。所述45度放置的邊緣濾波片14可由半反半透分束鏡替換。所述光路上可以設置起偏器13，用於改變偏振方向。所述信號收集光路可採用多模光纖。所述盒體可採用立方體。在TERS實驗中，為了能夠有效的激發金屬針尖的局域的表面等離子，必須使雷射的偏振方向平行於針尖軸向方向。一般採用傾斜入射和底部入射兩種方式。底部入射模式適用於研究透明樣品，如細胞等生物體系。由於本發明的儀器光學部分全部集成一體，因此可以方便的切換兩種模式，只需要採用兩種不同的聚焦方式即可，內部光路不需要做任何變動。
權利要求
1.針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於設有盒體和電路部分，所述電路部分設在盒體內；所述電路部分設有白光成像光路、雷射光路和信號收集光路；所述白光成像光路、雷射光路和信號收集光路全部採用光纖傳導；所述白光成像光路設有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉杆，白光通過光纖進入探頭後，經過第1分束器反射後，進入顯微鏡頭，聚焦到樣品上； 然後樣品的信號被顯微鏡頭收集後，由第2分束器反射，穿過透鏡後，被反射鏡反射，進入攝像頭成像；所述雷射光路設有雷射器、單模保偏光纖、光纖耦合器、雷射線帶通濾波片和45度放置的邊緣濾波片；雷射器產生的雷射通過單模保偏光纖和光纖耦合器進入探頭，穿過雷射線帶通濾波片，再經過45度放置的邊緣濾波片反射後，進入顯微鏡頭，並聚焦到樣品或者針尖上；所述信號收集光路設有0度放置邊緣濾波片、光纖耦合器、多模光纖和光譜檢測器；拉曼或螢光信號通過顯微鏡頭收集後，直接穿過45度放置的邊緣濾波片和0度放置邊緣濾波片後，濾除激發光，進入光纖耦合器，並經過多模光纖傳輸到光譜檢測器中。
2.如權利要求1所述的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於所述盒體左側面設有用於固定顯微鏡頭的螺紋通孔；盒體右側面設有用於分別固定成像CCD及光纖耦合器的2個通孔；盒體前表面設有分別用於安裝光纖和拉槓的2個孔，盒體後表面設有用於固定光纖耦合器的通孔，所有光路同軸。
3.如權利要求1所述的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於在盒體內設有用於標定及固定光學元件的限位標記。
4.如權利要求1所述的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於所述45度放置的邊緣濾波片由半反半透分束鏡替換。
5.如權利要求1所述的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於所述光路上設置起偏器，用於改變偏振方向。
6.如權利要求1所述的針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特徵在於所述信號收集光路採用多模光纖。
全文摘要
針尖增強拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，涉及一種拉曼光譜儀。設盒體和電路部分，電路部分設在盒體內；電路部分設白光成像光路、雷射光路和信號收集光路；白光成像光路、雷射光路和信號收集光路全部採用光纖傳導；白光成像光路設有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉杆；雷射光路設雷射器、單模保偏光纖、光纖耦合器、雷射線帶通濾波片和45度放置的邊緣濾波片；信號收集光路設0度放置邊緣濾波片、光纖耦合器、多模光纖和光譜檢測器。光路簡單、體積較小、可方便更換雷射波長和偏振方向、具有較好穩定性，可與任何掃描探針顯微儀器聯用，可方便切換激發模式，可提高TERS儀器的整體穩定性和操作簡便性。
文檔編號G01J3/02GK102507002SQ201110354369
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月9日 優先權日2011年11月9日
發明者任斌, 劉鄭, 曾智聰, 王翔 申請人:廈門大學