一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备制造技术

本发明专利技术涉及拉曼光谱仪领域，公开了一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，发明专利技术目的：为当前多种便携式光纤拉曼谱仪提供超高灵敏SERS‑拉曼探头，使该产品升级；开发小型超高灵敏SERS‑拉曼光谱仪；SPR‑拉曼光谱探头和光谱仪；SPR‑拉曼/吸收双光谱和折射率三重功能光谱仪，流式粒子增强拉曼分析探头和近紫外线拉曼光谱仪。技术方案：采用抛物镜全孔径角收集拉曼散射；设置与抛物镜共焦的大数值孔径物镜，高品质聚焦单模激光束激励样品，保证SERS高增强因子；SPR模式的拉曼增强，实现超高灵敏度等。新一代便携式和手提式拉曼谱仪将可广泛应用于食品安全普查、癌症普查、环境检测和战剂检测等各种痕量分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，属于光谱分析领域，特别涉及表面增强拉曼散射光谱设备。
技术介绍
当前在国际市场中已有比较成熟的多种研究用的大型显微拉曼光谱仪商品，采用常规光学元件和长度一米多大型结构设计，使用表面增强拉曼散射基底、简称SERS-基底，可以实现超高灵敏度的SERS-显微拉曼光谱测试功能，此类设备灵敏度高，性能好，价格贵，体积大，但很不适用于普及和便携的使用要求；此外，在国际市场中虽然已有许多型号的便携式小型拉曼光谱仪商品，一般多采用美国US5,122,127专利设计的光纤拉曼探头，此类拉曼探头的数值孔径NA多为0.25，对应的集光孔径角Ω小，仅有Ω～0.25sr，其灵敏度只能适用于较高丰度和较高浓度的样品分析，普及应用受很大限制，急需升级和开发超高灵敏度的便携式和手提式小型的拉曼光谱仪。当前，由于许多型号的光纤拉曼探头激励样品用的半导体激光束的相干性原本不够好，再通过多模光纤传输，激励样品光束的相干性被破坏，虽有个别小型拉曼探头和谱仪采用NA≈0.5非球面物镜聚焦激光束激励样品的商品，由于该物镜和激光束的质量达不到要求等因素限制，以致不能有效地利用SERS基底，实现超高灵敏度SERS拉曼增强。据我们所知，在当前已有的激光器和CCD光电探测器所具备的条件下，要获得SERS高增强效益最关键的有三项基本要求：需要保证激励样品的激光束具有很好相干性，聚焦焦斑在2-6微米量级和收集拉曼散射的光学系统具有大孔径角；但是，目前所有便携式小型拉曼光谱仪商品，均不能保证有效实现SERS拉曼增强的上述三项最基本的要求，因此，它们的拉曼检测灵敏度都不高，不能适用于低浓度样品分析，更不能适用于超低浓度样品的痕量分析。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼光谱的设备，包括：表面增强拉曼光谱探头和光谱仪、或表面等离子体激元共振拉曼光谱探头、光谱仪或表面等离子体激元共振拉曼/吸收双光谱和折射率三重功能的光谱分析仪和流式粒子拉曼分析仪；上述设备均需配置小型相干性好的TEM00单纵模激光器组件和小型光谱仪组件，该两组件可以通过光纤传输连接到拉曼光谱探头，或者与拉曼光谱探头的光路设计成一体的小型拉曼光谱仪；上述设备还包括：外反射型抛物镜或内反射型抛物镜，其利用其的全孔径角2πsr收集样品拉曼散射光束；样品是固相或液相或气相，被吸附在载物片或SERS-拉曼芯片上，精确设置在抛物镜的焦点；激励光源是一种波长为近红外、或可见、或近紫外激光束；采用直径数毫米较大的激光束和大数值孔径的高品质物镜，把激光束聚焦到外或内反射型抛物镜的焦点上，以传输光模式激励样品；或采用直径一毫米上下的细激光束，通过外或内反射型抛物镜的反射-聚焦到抛物镜焦点上，以SPR-隐失光模式激励样品；并采用以下设置提高收集拉曼散射信息的信噪比：在传输光模式激励样品中，采用背向收集拉曼散射光束；在隐失光模式激励样品中，需要将SPR反射光束引出镜筒之外；在收集拉曼散射光束的第一个聚焦点上设置空间滤波器针孔，隔离杂散光；利用45度入射长波通双色滤光镜和垂直入射长波通双色滤光镜，隔离瑞利散射和杂散光，使系统收集拉曼散射信息的信噪比达到高于106-8。精密抛物镜是唯一的一种可从焦点发射光束，在Ω～2πsr全孔径角范围内，实现“焦点平行”正向转换和反向转换理想的光学元件，将其用于本专利技术表面增强拉曼散射光谱设备中，其特征是，所述抛物镜采用硬铜或硬铝或钛合金为基质，经过精密加工、抛光，表面镀或不镀增反射膜的外反射型抛物镜；也可以是一种用光学玻璃或光学石英玻璃或高分子光学有机聚合塑料为基质的、经过精密抛光或模压成型的、镀或不镀增反射膜的内反射型抛物镜或外反射型抛物镜；将样品放在抛物镜的焦点上，以保证表面增强拉曼散射光谱设备具有Ω～2πsr全孔径角或接近全孔径角收集拉曼散射。一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，为了提高系统的灵敏度，其特征是，同时收集样品前向加后向拉曼散射，可提高系统的灵敏度，在抛物镜的焦点截面、样品之上，设置与抛物镜焦点共心的半球长波反双色滤光镜，该半球长波反双色滤光镜可以是实心或空心的半球镜，半球面可以精密加工、抛光成型，也可以用模压加工成型；该半球镜可以保证系统在Ω～4πsr方位内收集到设置在抛物镜焦点上的样品的几乎全部的拉曼散射信息。一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，同时收集样品前向加后向拉曼散射，还有另一种增加收集拉曼散射孔径角的方案，其特征是，采用不在抛物镜的截距面上截头而采用整体型的抛物镜，仅在焦点至顶端开槽或打小孔，将毛细管中的样品或毛细管型SERS-拉曼芯片中的样品，设置在抛物镜的焦点上，使收集拉曼散射的孔径角增加到Ω～3πsr。一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，在用激光束聚焦激励样品中，见图1，其特征是，为了保证直径数毫米较大的激光束有好的聚焦质量，设置高品质大数值孔径物镜聚焦，在外反射式截距b＝4～10mm较大型抛物镜拉曼光谱设备中，正好在被抛物镜反射收集成平行输出的拉曼散射光束中间，有一个可以设置大数值孔径物镜的盲区空间，设置高品质的NA0.4～0.7长工作距离的物镜，用于聚焦相干性好的激光束激励样品，该物镜一方面用于保证激励光束聚焦到样品上的光斑尺度可以达到2～4μm和保证激励光束有很好的相干性，使SERS-样品具有超高增强因子；另一方面还可以利用该物镜和引入激励光束的45度入射长波通双色滤光镜，将对应于数值孔径约NA～0.5的、原不能被抛物镜反射收集的拉曼散射光束，与抛物镜收集的拉曼散射光束一起，一并收集起来，使该系统收集拉曼散射总的有效孔径角可以达到或接近2πsr。一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，采用内反射式较大型抛物镜时，见图3，其特征是，在内反射式截距b＝4～10mm较大型抛物镜的主轴上，设置高品质口径大于抛物镜截距b二倍的物镜，当样品的反向拉曼散射中最大入射角为90度的光束，通过折射进入具有较高折射率的抛物镜体内时，其出射角约小于60度——为界限，经抛物镜内反射之后的拉曼散射平行光束中有一个大于2b尺度的盲区，允许在该盲区中设计口径大于2b的高品质物镜，其数值孔径可以达到NA～0.25，用该物镜配置45度入射长波通双色滤光镜，用于在主轴的侧向输入平行的激励激光束，该激励激光束通过该物镜可以获得4-6微米的焦斑，同时，在原有lsr收集拉曼散射的盲区中对应NA～0.25的拉曼散射光束，又可以被该物镜收集，因此，该系统收集拉曼散射总的有效孔径角约为5.5sr。一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，开发SPR增强拉曼光谱探头和拉曼光谱仪，见图2和图4，需要增加入射角的调节机构和SPR反射光束强度检测系统-SPRReflectiveBeamDetectionSystem，其特征是，在外反射式或内反射式抛物镜SPR-拉曼光谱设备中，采用直径～1mm的TEM00单纵模相干性好平行细激光束，通过精密抛物镜反射聚焦到设置在抛物镜焦点的样品上，以表面等离子体激元共振SPR入射角θSPR-隐失光激励样品，可比用垂直样品入射角的传输光模式激励样品提高拉曼增益系数约一个多数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼光谱的设备，包括：表面增强拉曼光谱探头和光谱仪、或表面等离子体激元共振拉曼光谱探头、光谱仪或表面等离子体激元共振拉曼/吸收双光谱和折射率三重功能的光谱分析仪和流式粒子拉曼分析仪；上述设备均需配置小型相干性好的TEM00单纵模激光器组件和小型光谱仪组件，该两组件可以通过光纤传输连接到拉曼光谱探头，或者与拉曼光谱探头的光路设计成一体的小型拉曼光谱仪；上述设备还包括：外反射型抛物镜或内反射型抛物镜，其利用其的全孔径角2πsr收集样品拉曼散射光束；样品是固相或液相或气相，被吸附在载物片或SERS‑拉曼芯片上，精确设置在抛物镜的焦点；激励光源是一种波长为近红外、或可见、或近紫外激光束；采用直径数毫米较大的激光束和大数值孔径的高品质物镜，把激光束聚焦到外或内反射型抛物镜的焦点上，以传输光模式激励样品；或采用直径一毫米上下的细激光束，通过外或内反射型抛物镜的反射‑聚焦到抛物镜焦点上，以SPR‑隐失光模式激励样品；并采用以下设置提高收集拉曼散射信息的信噪比：在传输光模式激励样品中，采用背向收集拉曼散射光束；在隐失光模式激励样品中，需要将SPR反射光束引出镜筒之外；在收集拉曼散射光束的第一个聚焦点上设置空间滤波器针孔，隔离杂散光；利用45度入射长波通双色滤光镜和垂直入射长波通双色滤光镜，隔离瑞利散射和杂散光，使系统收集拉曼散射信息的信噪比达到高于106‑8。...

【技术特征摘要】
1.一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼光谱的设备，包括：表面增强拉曼光谱探头和光谱仪、或表面等离子体激元共振拉曼光谱探头、光谱仪或表面等离子体激元共振拉曼/吸收双光谱和折射率三重功能的光谱分析仪和流式粒子拉曼分析仪；上述设备均需配置小型相干性好的TEM00单纵模激光器组件和小型光谱仪组件，该两组件可以通过光纤传输连接到拉曼光谱探头，或者与拉曼光谱探头的光路设计成一体的小型拉曼光谱仪；上述设备还包括：外反射型抛物镜或内反射型抛物镜，其利用其的全孔径角2πsr收集样品拉曼散射光束；样品是固相或液相或气相，被吸附在载物片或SERS-拉曼芯片上，精确设置在抛物镜的焦点；激励光源是一种波长为近红外、或可见、或近紫外激光束；采用直径数毫米较大的激光束和大数值孔径的高品质物镜，把激光束聚焦到外或内反射型抛物镜的焦点上，以传输光模式激励样品；或采用直径一毫米上下的细激光束，通过外或内反射型抛物镜的反射-聚焦到抛物镜焦点上，以SPR-隐失光模式激励样品；并采用以下设置提高收集拉曼散射信息的信噪比：在传输光模式激励样品中，采用背向收集拉曼散射光束；在隐失光模式激励样品中，需要将SPR反射光束引出镜筒之外；在收集拉曼散射光束的第一个聚焦点上设置空间滤波器针孔，隔离杂散光；利用45度入射长波通双色滤光镜和垂直入射长波通双色滤光镜，隔离瑞利散射和杂散光，使系统收集拉曼散射信息的信噪比达到高于106-8。2.如权利要求1.所述的一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，其特征是，所述抛物镜采用硬铜或硬铝或钛合金为基质，经过精密加工、抛光，表面镀或不镀增反射膜的外反射型抛物镜；也可以是一种用光学玻璃或光学石英玻璃或高分子光学有机聚合塑料为基质的、经过精密抛光或模压成型的、镀或不镀增反射膜的内反射型抛物镜或外反射型抛物镜；将样品放在抛物镜的焦点上，以保证表面增强拉曼散射光谱设备具有Ω～2πsr全孔径角或接近全孔径角收集拉曼散射。3.如权利要求1.所述的一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，其特征是，同时收集样品前向加后向拉曼散射，可提高系统的灵敏度，在抛物镜的焦点截面、样品之上，设置与抛物镜焦点共心的半球长波反双色滤光镜，该半球长波反双色滤光镜可以是实心或空心的半球镜，半球面可以精密加工、抛光成型，也可以用模压加工成型；该半球镜可以保证系统在Ω～4πsr方位内收集到设置在抛物镜焦点上的样品的几乎全部的拉曼散射信息。4.如权利要求1.所述的一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，其特征是，采用不在抛物镜的截距面上截头而采用整体型的抛物镜，仅在焦点至顶端开槽或打小孔，将毛细管中的样品或毛细管型SERS-拉曼芯片中的样品，设置在抛物镜的焦点上，使收集拉曼散射的孔径角增加到Ω～3πsr。5.如权利要求1.所述一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，其特征是，为了保证直径数毫米较大的激光束有好的聚焦质量，设置高品质大数值孔径物镜聚焦，在外反射式截距b＝4～10mm较大型抛物镜拉曼光谱设备中，正好在被抛物镜反射收集成平行输出的拉曼散射光束中间，有一个可以设置大数值孔径物镜的盲区空间，设置高品质的NA0.4～0.7长工作距离的物镜，用于聚焦相干性好的激光束激励样品，该物镜一方面用于保证激励光束聚焦到样品上的光斑尺度可以达到2～4μm和保证激励光束有很好的相干性，使SERS-样品具有超高增强因子；另一方面还可以利用该物镜和引入激励光束的45度入射长波通双色滤光镜，将对应于数值孔径约NA～0.5的、原不能被抛物镜反射收集的拉曼散射光束，与抛物镜收集的拉曼散射光束一起，一并收集起来，使该系统收集拉曼散射总的有效孔径角可以达到或接近2πsr。6.如权利要求1.所述一种用全孔径角抛物镜收集表面增强拉曼散射光谱的设备，其特征是，在内反射式截距b＝4～10mm较大型抛物镜的主轴上，设置高品质口径大于抛物镜截距b二倍的物镜，当样品的反向拉曼散射中最大入射角为90度的光束，通过折射进入具有较高折射率的抛物镜体内时，其出射角约小于60度——为界限，经抛物镜内反射之后的拉曼散射平行光束中有一个大于2b尺度的盲区，允许在该盲区中设计口径大于2b的高品...

【专利技术属性】
技术研发人员：简佩蓉，
申请(专利权)人：简佩蓉，
类型：发明
国别省市：辽宁;21