專利名稱：針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種拉曼光譜儀，尤其是涉及一種針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭。
背景技術(shù)：
拉曼光譜因其可以覆蓋完整的分子振動的頻率區(qū)間而且水和(X)2的拉曼散射強(qiáng)度很弱而成為化學(xué)、生物和材料研究中一種重要的振動光譜技術(shù)。表面增強(qiáng)拉曼散射 (Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS)現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢，尤其單分子SERS 的發(fā)現(xiàn)，更是推動了 SERS的迅速發(fā)展。但是，SERS增強(qiáng)需要納米尺度的表面、空間分辨率受衍射極限的限制以及SERS機(jī)理仍然不清楚等關(guān)鍵問題都在一定程度上制約SERS發(fā)展成為表面科學(xué)和分析科學(xué)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(dú)立地提出了針尖增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(Tip-Enhanced Raman Spectroscopy)，簡稱為TERS。TERS技術(shù)將能產(chǎn)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(dāng)將合適波長的激光以恰當(dāng)?shù)姆绞?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(fā)出局域化的表面等離子體共振，使該區(qū)域內(nèi)的電磁場得到極大的增強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)該區(qū)間內(nèi)分子的拉曼信號。由于增強(qiáng)源是針尖末端高度局域化的電磁場，因此TERS具有極高空間分辨率和高靈敏度。TERS技術(shù)自 2000 年報道后，引起國內(nèi)外廣泛地關(guān)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(lián)用技術(shù)，如何將兩種儀器很好地耦合使其不但具備SPM儀器的高空間分辨率而且具有很高的拉曼檢測靈敏度成為該技術(shù)的關(guān)鍵。目前， 商品化和定制型的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(jī)械地聯(lián)用，這導(dǎo)致儀器整體體積龐大、光路復(fù)雜、三套系統(tǒng)之間的相互干擾，導(dǎo)致SPM系統(tǒng)工作不穩(wěn)定，也導(dǎo)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(dāng)與其它類型的SPM儀器聯(lián)用時，受到SPM探頭空間的限制，缺乏通用性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種光路簡單、體積較小、可方便更換激光波長和偏振方向、具有較好穩(wěn)定性，可以與任何掃描探針顯微儀器聯(lián)用，可方便切換激發(fā)模式，如反射式激發(fā)模式和透射式激發(fā)模式，可以提高TERS儀器的整體穩(wěn)定性和操作簡便性的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭。本發(fā)明設(shè)有盒體和電路部分，所述電路部分設(shè)在盒體內(nèi)；所述電路部分設(shè)有白光成像光路、激光光路和信號收集光路；所述白光成像光路、 激光光路和信號收集光路全部采用光纖傳導(dǎo)；所述白光成像光路設(shè)有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉桿，白光通過光纖進(jìn)入探頭后，經(jīng)過第1分束器反射后，進(jìn)入顯微鏡頭，聚焦到樣品上；然后樣品的信號被顯微鏡頭收集后，由第2分束器反射，穿過透鏡后，被反射鏡反射， 進(jìn)入攝像頭成像；所述激光光路設(shè)有激光器、單模保偏光纖、光纖耦合器、激光線帶通濾波片和45 度放置的邊緣濾波片；激光器產(chǎn)生的激光通過單模保偏光纖和光纖耦合器進(jìn)入探頭，穿過激光線帶通濾波片，再經(jīng)過45度放置的邊緣濾波片反射后，進(jìn)入顯微鏡頭，并聚焦到樣品或者針尖上；所述信號收集光路設(shè)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；拉曼或熒光信號通過顯微鏡頭收集后，直接穿過45度放置的邊緣濾波片和0度放置邊緣濾波片后，濾除激發(fā)光，進(jìn)入光纖耦合器，并經(jīng)過多模光纖傳輸?shù)焦庾V檢測器中。所述盒體左側(cè)面可設(shè)有用于固定顯微鏡頭的螺紋通孔；盒體右側(cè)面可設(shè)有用于分別固定成像CCD及光纖耦合器的2個通孔；盒體前表面可設(shè)有分別用于安裝光纖和拉杠的 2個孔，盒體后表面可設(shè)有用于固定光纖耦合器的通孔，所有光路同軸。在盒體內(nèi)可設(shè)有用于標(biāo)定及固定光學(xué)元件的限位標(biāo)記。聚焦好樣品后，可以利用拉桿或電動移動臺將第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(shè)置起偏器，用于改變偏振方向。所述信號收集光路可采用多模光纖。本發(fā)明的原理是通過將激光光路、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(tǒng)全部采用光纖傳輸。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激光激發(fā)、拉曼信號收集、顯微成像，共聚焦。其中入射光路采用單模保偏光纖傳輸，保證激光在傳輸過程中偏振性能不變，收集光路采用多模光纖傳輸(共聚焦性能通過收集光纖的芯徑調(diào)控)，可以進(jìn)行廣譜帶拉曼或者熒光信號檢測。激光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(fā)光波長時不需要變動其它光學(xué)元件。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下突出的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果1)本發(fā)明中激發(fā)、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(wěn)定性極大的提高。由于本發(fā)明的儀器光學(xué)部分全部集成在光學(xué)探頭中，因此可以方便的切換透、反兩種激發(fā)模式。2)本發(fā)明中采用了激光濾光片為邊緣濾光片(edge filter)，與采用陷波濾光片 (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。而采用陷波濾光片，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(dǎo)致光路設(shè)計(jì)復(fù)雜。此外，陷波濾光片的工作角度對空氣濕度極其敏感，這將導(dǎo)致儀器不穩(wěn)定；而邊緣濾光片可以避免這些問題。3)本發(fā)明入射光路采用單模保偏光纖傳輸，保證激光在傳輸過程中偏振性能不變。4)所有光軸都采用0度或90度設(shè)計(jì)，使光路調(diào)節(jié)簡單；光路中可以任意添加其它功能的光學(xué)元件；在更換激發(fā)光波長時，不需要變動除邊緣濾光片外的任何光學(xué)元件。5)本發(fā)明中，探頭中的光學(xué)元件使用數(shù)量遠(yuǎn)少于大型拉曼光譜儀，降低了光損失， 極大提高了檢測效率。6)本發(fā)明的針尖增強(qiáng)拉曼探頭可以與任何商品化的SPM系統(tǒng)聯(lián)用。光學(xué)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這種高空間分辨率、高靈敏度的檢測技術(shù)普遍應(yīng)用于科研、工業(yè)中奠定基礎(chǔ)。7)本發(fā)明可作為常規(guī)微型化拉曼光譜儀用于常規(guī)拉曼光譜和表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。實(shí)施例1參見圖1，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有盒體和電路部分，所述電路部分設(shè)在盒體內(nèi)；所述盒體左側(cè)面設(shè)有用于固定顯微鏡頭4的螺紋通孔；盒體右側(cè)面設(shè)有用于分別固定成像CCD7及光纖耦合器16的2個通孔；盒體前表面設(shè)有分別用于安裝光纖1和拉杠 8的2個孔，盒體后表面設(shè)有用于固定光纖耦合器11的通孔，所有光路同軸。所述電路部分設(shè)有白光成像光路、激光光路和信號收集光路；所述白光成像光路、 激光光路和信號收集光路全部采用光纖傳導(dǎo)。所述白光成像光路設(shè)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和拉桿8，白光通過光纖1進(jìn)入探頭后，經(jīng)過第1分束器2反射后，進(jìn)入顯微鏡頭4，聚焦到樣品上；然后樣品的信號被顯微鏡頭4收集后，由第2分束器3反射，穿過透鏡5后，被反射鏡6反射，進(jìn)入攝像頭7成像。所述激光光路設(shè)有激光器9、單模保偏光纖10、光纖耦合器11、激光線帶通濾波片 12和45度放置的邊緣濾波片14 ；激光器9產(chǎn)生的激光通過單模保偏光纖10和光纖耦合器 11進(jìn)入探頭，穿過激光線帶通濾波片12，再經(jīng)過45度放置的邊緣濾波片14反射后，進(jìn)入顯微鏡頭4，并聚焦到樣品或者針尖上。所述信號收集光路設(shè)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 ；拉曼或熒光信號通過顯微鏡頭4收集后，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后，濾除激發(fā)光，進(jìn)入光纖耦合器16，并經(jīng)過多模光纖17傳輸?shù)焦庾V檢測器18中。在盒體內(nèi)可設(shè)有用于標(biāo)定及固定光學(xué)元件的限位標(biāo)記。聚焦好樣品后，可以利用拉桿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(shè)置起偏器13，用于改變偏振方向。所述信號收集光路可采用多模光纖。所述盒體可采用立方體。在TERS實(shí)驗(yàn)中，為了能夠有效的激發(fā)金屬針尖的局域的表面等離子，必須使激光的偏振方向平行于針尖軸向方向。一般采用傾斜入射和底部入射兩種方式。底部入射模式適用于研究透明樣品，如細(xì)胞等生物體系。由于本發(fā)明的儀器光學(xué)部分全部集成一體，因此可以方便的切換兩種模式，只需要采用兩種不同的聚焦方式即可，內(nèi)部光路不需要做任何變動。
權(quán)利要求
1.針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于設(shè)有盒體和電路部分，所述電路部分設(shè)在盒體內(nèi)；所述電路部分設(shè)有白光成像光路、激光光路和信號收集光路；所述白光成像光路、激光光路和信號收集光路全部采用光纖傳導(dǎo)；所述白光成像光路設(shè)有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉桿，白光通過光纖進(jìn)入探頭后，經(jīng)過第1分束器反射后，進(jìn)入顯微鏡頭，聚焦到樣品上； 然后樣品的信號被顯微鏡頭收集后，由第2分束器反射，穿過透鏡后，被反射鏡反射，進(jìn)入攝像頭成像；所述激光光路設(shè)有激光器、單模保偏光纖、光纖耦合器、激光線帶通濾波片和45度放置的邊緣濾波片；激光器產(chǎn)生的激光通過單模保偏光纖和光纖耦合器進(jìn)入探頭，穿過激光線帶通濾波片，再經(jīng)過45度放置的邊緣濾波片反射后，進(jìn)入顯微鏡頭，并聚焦到樣品或者針尖上；所述信號收集光路設(shè)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；拉曼或熒光信號通過顯微鏡頭收集后，直接穿過45度放置的邊緣濾波片和0度放置邊緣濾波片后，濾除激發(fā)光，進(jìn)入光纖耦合器，并經(jīng)過多模光纖傳輸?shù)焦庾V檢測器中。
2.如權(quán)利要求1所述的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于所述盒體左側(cè)面設(shè)有用于固定顯微鏡頭的螺紋通孔；盒體右側(cè)面設(shè)有用于分別固定成像CCD及光纖耦合器的2個通孔；盒體前表面設(shè)有分別用于安裝光纖和拉杠的2個孔，盒體后表面設(shè)有用于固定光纖耦合器的通孔，所有光路同軸。
3.如權(quán)利要求1所述的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于在盒體內(nèi)設(shè)有用于標(biāo)定及固定光學(xué)元件的限位標(biāo)記。
4.如權(quán)利要求1所述的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于所述45度放置的邊緣濾波片由半反半透分束鏡替換。
5.如權(quán)利要求1所述的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于所述光路上設(shè)置起偏器，用于改變偏振方向。
6.如權(quán)利要求1所述的針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，其特征在于所述信號收集光路采用多模光纖。
全文摘要
針尖增強(qiáng)拉曼光譜儀的光纖顯微探頭，涉及一種拉曼光譜儀。設(shè)盒體和電路部分，電路部分設(shè)在盒體內(nèi)；電路部分設(shè)白光成像光路、激光光路和信號收集光路；白光成像光路、激光光路和信號收集光路全部采用光纖傳導(dǎo)；白光成像光路設(shè)有光纖、第1分束器、第2分束器、顯微鏡頭、透鏡、反射鏡、攝像頭和拉桿；激光光路設(shè)激光器、單模保偏光纖、光纖耦合器、激光線帶通濾波片和45度放置的邊緣濾波片；信號收集光路設(shè)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、可方便更換激光波長和偏振方向、具有較好穩(wěn)定性，可與任何掃描探針顯微儀器聯(lián)用，可方便切換激發(fā)模式，可提高TERS儀器的整體穩(wěn)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(yōu)先權(quán)日2011年11月9日
發(fā)明者任斌, 劉鄭, 曾智聰, 王翔 申請人:廈門大學(xué)