[发明专利]一种利用表面等离子体定向发射增强拉曼光谱的装置

说明书

技术领域

本发明属于表面增强拉曼光谱技术领域，具体涉及一种利用表面等离子体定向发射增强拉曼光谱的装置。

技术背景

表面增强拉曼散射效应(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)是指样品拉曼信号在金属纳米结构和材料上可获得达10⁴～10¹⁰的增强。SERS已经成为现代生物学、分析检测等领域重要的一种检测手段。

SERS技术发展到今天经历多个阶段，开始时人们在粗糙化的金属电极上发现了增强的拉曼信号，经过多年的发展和认识，人们将SERS的来源主要归因于表面等离子体(Surface Plasmons，(SPs))。基于表面等离子体的多种耦合方式，人们设计出多种SERS增强方法。比如合成尺寸在纳米尺度的金属纳米粒子，将金属纳米粒子和待测的样品混合，利用激发光在金属纳米粒子激发的表面等离子体增强样品的拉曼信号；用蒸镀或者压印的方法形成金属微纳结构，在金属微纳结构上滴加样品，利用在金属微纳结构上形成的表面等离子体增强拉曼信号等等。例如专利：“大面积微纳树状结构阵列的表面增强拉曼活性基底的制备方法，申请号200810100562.8”以及“有序可控的表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法，申请号：200910026881.3”即是基于改变表面等离子体进而实现SERS基底制备的方法。这几种方法均可以得到增强的拉曼信号，但在实用过程中需要首先制备这些基底或合成这些纳米粒子，然后再对样品进行一定的预处理，如与纳米粒子混合或者对待测样品进行标记等，然后聚焦测试，步骤较繁琐而且各种参数如基底的质量、纳米粒子的浓度等也会影响检测的重复性和准确性，限制了SERS的应用。另外这几种增强方式的增强基底和拉曼光谱仪是分离的，很难实现微型化或者制成SERS探头，给实际的推广应用带来一定的困难。已申请专利“表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪”ZL200510016622.4，提出了一种将SERS基底和拉曼检测仪结合在一起的方案，同时可以进行非标记的SERS检测。但是其激发光与检测的拉曼信号位于金属膜的不同侧，仪器结构较为复杂，不利于实现一体化和微型化。专利“一种长程表面等离子体激励表面增强拉曼散射的方法”，申请号201110048305.6，介绍了一种利用长程表面等离子体增强拉曼散射的方法，利用长程表面等离子体增强电磁场倍数高，电磁场穿透深度深的特点，增强了SERS信号的强度并且可以使金属膜表面附加保护层成为可能。

与前两个专利不同，本发明利用表面等离子体耦合发射的原理，即携带拉曼信号的SPs会沿着SPR角定向的发射到高折射率介质一侧的原理，使得激发装置与检测装置位于多层膜体系的同一侧。这样的检测装置具有很多优点，如：可以将光路部分与样品分离，操作更加简单；便于实现微型化，容易制成SERS光学探头等。同时由于SPs的发射的定向性，提高了SERS的收集效率，降低了检测装置收集距离和数值孔径的要求。多层膜体系既是SERS增强基底又是仪器整体的一部分，可以将SERS增强基底和拉曼光谱仪有机的结合在一起，既省去了基底的制备和样品预处理等操作步骤，提高了检测结果的准确性，同时又简化了仪器的结构，为制造一体化的SERS光谱仪或者SERS探头提供了一种方案。

发明内容

本发明提供了一种利用表面等离子体定向发射增强拉曼光谱的装置，提出了一种激发光装置与检测装置位于多层膜体系同一侧的SERS检测装置。

本发明所述的装置，由激发光源1、介质层2、多层膜体系3、介质层4、待测样品5、凸透镜6、光谱仪7组成，其特征在于：在多层膜体系3的一侧为介质层2，另一侧为待测样品5所在的介质层4，介质层2的折射率大于介质层4的折射率，多层膜体系3中至少包含一层金属膜，其厚度为10～200nm，金属膜为金、银等贵金属膜；激发光源1发出的激发光101从介质层2沿SPR角入射到多层膜体系3中，金属膜中的表面等离子体被激发，从而极大增强金属膜附近的局域电磁场，进而增强待测样品5的拉曼信号，待测样品5的拉曼信号被金属膜吸收后再次激发金属膜中的表面等离子体，这些携带拉曼信号的表面等离子体在介质层2与多层膜体系3的边界耦合发射，其发射方向也是沿着SPR角，经凸透镜6接收后用光谱仪7采谱，从而实现利用表面等离子体定向发射增强拉曼光谱；激发光源1、介质层2、凸透镜6和光谱仪7在多层膜体系3的同侧，介质层4和待测样品5位于多层膜体系3的另一侧。