激励和接收均用隐失光的拉曼散射近场增强方法技术

一种激励和接收均用隐失光的近场增强喇曼散射样品池，其喇曼散射激励和接收均用隐失光方法的特征是：激励光束通过全内反射在样品池中产生隐失光激励样品，样品池中的激励隐失光在银或金纳米颗粒附近产生电场极值增强的所谓“热点”和电场梯度的增强，该两者诱导样品喇曼散射近场增强，样品喇曼散射以偶极发射方式向上和向下两个相反方向发射隐失光，通过全内反射逆过程方式隐失光之逆即禁戒光在远场收集向上和向下两个相反方向喇曼散射隐失光。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术激励和接收均用隐失光的近场增强喇曼散射样品池属于光谱分析测试仪器领域，特别涉及超灵敏的近场增强喇曼散射样品池。
技术介绍
在光谱分析技术中，由于分子喇曼散射截面太小(约10-29cm-2)，应用受很大局限，荧光分析截面比较大(约10-16cm-2)，已有较大应用范围，如基因芯片用荧光分子探针标记，病毒诊断用时间分辨免疫荧光标记，这些均已有成熟的方法和仪器；但还有不足和缺点(一)分析过程复杂，需要时间太长，一般用天计算，(二)需要样品量太大，如血样一般均需毫升计。能否以一滴指血的量，如仅一微升，以分计的时间，完成一些重要疾病，如多种癌症、爱滋病、重要传染病等的诊断。超灵敏的近场增强喇曼散射分析技术将有可能实现这种理想。该方法优点(一)喇曼特征谱很窄，荧光特征谱很宽，前者测量动态范围比后者超过千倍，因此荧光检测不得不用很多检测池的芯片方法补救，一种荧光标记样品需用一个芯片单元，从而血样用量需足够大。喇曼检测只用一滴血就有可能检测多种特征谱，不必使用芯片方法；(二)只要诊断靶分子(病毒等)的喇曼特征谱能检测到，通过计算机中的数据库比较，立即可输出诊断结果，在已知特征谱峰位条件下一般杂质成分不太容易干扰靶分子诊断；(三)喇曼特征谱由分子震动态特征决定，不需做任何标记，荧光或免疫标记还存在能否标记上等问题。但是，关键是能否设计出超高灵敏的近场增强喇曼散射分析系统。过去三十年以来发现，在银、金、铜等贵金属粗糙表面或这种金属纳米粒子胶体表面吸附有靶分子条件下，存在表面增强喇曼散射效应(SERS)，其增强因子达到106-108，有人甚至达到1014，至今，这种很复杂的增强机理学界公认还没有搞清楚，并存在巨大开拓潜力。我们认为表面增强喇曼散射(SERS)效应的核心是一个近场光学与近场光谱学新问题，同时也是与表面键有关的与物理化学相交叉的新学科。近场光谱学是一个正在开拓与发展的新学科，其中近场增强喇曼散射是最具活力最具开拓前景的生长点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了提高喇曼散射增强因子，提出一种超高灵敏的激励和接收均用隐失光的近场增强喇曼散射(NERS)样品池技术方案。其喇曼散射激励和接收均用隐失光方法的特征是激励光束通过P偏振全内反射光在样品池中产生隐失光(evanescentwave)激励样品，在样品池中的激励隐失光在银或金纳米颗粒附近产生电场极值增强的所谓“热点”和电场梯度的增强，该两者诱导样品喇曼散射近场增强，样品喇曼散射以偶极发射方式向上和向下两个相反方向发射隐失光，通过全内反射逆过程方式隐失光之逆即禁戒光(forbidden light)在远场同时收集这种近场增强喇曼散射(NERS)样品池的结构特征是用二块平行的折射率大于样品折射率的透明基板做样品池，将很薄的银或金膜镀在上下基板上，纳米尺度银或金颗粒均布在样品池下基板上，激励光的入射角超过临界角，样品池上界面与下界面夹紧液态样品，由银或金颗粒尺度极大者支承控制样品池的间距，保证极大多数分布均匀的银或金颗粒与样品池上界面存在数纳米的控制间距，样品池的直径根据需要选定毫米或亚毫米，样品池上、下界面基板需要超高精度平面光学抛光。激励与接收均用隐失光的NERS样品池的技术方案见图1，样品池上下基板的折射率大于样品折射率的条件下，(1)为激励样品用的P偏振平行细激光束，其入射角超过全内反射临界角，上下基板均镀约三纳米左右厚的银或金薄膜(2)，下基板银膜上存在纳米尺度银或金颗粒(4)，颗粒尺度及其差值不超过用数值模拟给出的优化控制值，极大颗粒的数量控制在很少量和分布比较均匀，保证极大多数分布均匀的银或金颗粒与样品池上界面存在数纳米的控制间距，留出产生电场极值增强所谓“热点”所需空间，全内反射激光束在下基板银膜上产生等离子激元(plasmon)和隐失光，隐失光的示意图见右插图中之(3)，其中电场振幅(横坐标)与下界面纵向距离(纵坐标)呈近似指数衰减，此隐失场在与纳米尺度银或金颗粒相互作用下，在颗粒附近将产生电场极值增强的所谓“热点”，伴随“热点”电场的增强，其电场梯度也增强，此二者将诱导在“热点”上的样品分子喇曼散射极度增强，这种由隐失场引起的喇曼散射增强称近场增强，在“热点”诱导激发样品分子发射喇曼散射呈现偶极子形式发射(6)，该分子的喇曼散射向样品池上下两个方向的发射为隐失光，左边插图(7)为向上和向下二个方向发射喇曼散射隐失光呈现指数衰减的示意图，(8)为喇曼散射隐失光之逆即所谓禁戒光(forbidden light)，它是可传输光，由于隐失光将随距离呈指数衰减，因此必须设计在近场使喇曼散射隐失光转换为禁戒光，此禁戒光有大孔径角与近似空芯圆锥形式。收集同时从样品池上、下基板内两个方向相反的喇曼散射隐失光之逆即禁戒光的光学系统有三类方法，其特征是(1)二个截顶椭球体集光方法(图2)，二个截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们镀很薄银或金薄膜的二个通过焦点的平行截面组合成样品池，外侧镀金属反射层，在其中之一截顶椭球体侧面开二个小孔引入和导出全内反射P偏振细激光束，由样品喇曼散射隐失光转换来的其逆即禁戒光在焦点附近发射，通过椭球体内反射，会聚到另一焦点附近，再通过多模光纤收集近场增强的喇曼光，将上下两光纤合束输入喇曼谱仪；(2)半球体反射镜与截顶椭球体组合集光(图3)或与大孔径油浸物镜组合集光方法，半球体反射镜与截顶椭球体的折射率均大于样品的折射率，将它们的镀银或金薄膜截面组合成样品池，在引入P偏振全内反射细激光束条件下，样品喇曼散射向下的隐失光通过其逆即禁戒光在半球体中内反射，返回样品池的隐失光的方向已转换180度，从向下转换到向上，再通过截顶椭球体或大孔径油浸物镜，将喇曼散射的原为向上的和向下的两个方向相反的隐失光通过禁戒光全部集中起来与喇曼谱仪耦合；(3)截顶半椭球体反射镜与大孔径油浸物镜组合集光方法(图4)，截顶半椭球体与显微物镜盖片的折射率均大于样品的折射率，将它们镀银或金薄膜平面组合成样品池，样品喇曼散射向下隐失光通过其逆即禁戒光在截顶半椭球体内二次内反射返回样品池，由于入射角已小于临界角在样品池中仍以可传输光形式通过样品池，由显微物镜接收；同时喇曼散射向上的隐失光也可由大孔径油浸物镜收集其禁成光，该物镜的后焦面与喇曼谱仪耦合，激励用入射P偏振细激光束可通过物镜或截顶半椭球体侧面金属反射层开出的小孔引入和导出。附图说明图1为激励和接收均用隐失光的近场增强喇曼散射(NERS)样品池技术方案示意图，图中上下基板组成样品池，其折射率大于样品折射率，(1)为激励样品的P偏振全内反射细激光束，其入射和导出均通过隔光层小孔，(2)为很薄的镀银或金薄膜，(3)为用于激励样品的隐失光的插图，(4)为分布在底基板银或金膜上的纳米银或金颗粒，(5)为样品，(6)为银或金颗粒附近电场被极大增强的所谓“热点”和在“热点”上的样品分子被诱导激发喇曼散射以电偶极子形式发射的示意图，(7)为样品分子喇曼散射的向上与向下隐失光示意左插图，(8)为喇曼散射隐失光之逆即禁戒光，将上下两个大孔径角近似空心圆锥形的禁戒光引入喇曼谱仪即可获得样品的近场增强喇曼谱。图2为由两个截顶椭球集光体组成的NERS样品池结构示意图。图中(9)和(10)为上下两个截顶椭球体，其折射率大本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世法，吴冠英，
申请(专利权)人：吴世法，吴冠英，
类型：发明
国别省市：