拉曼光谱测定方法以及装置制造方法
【专利摘要】为了获得能够实现不透明样本的方便测量的表面增强拉曼散射测量装置。由以下构件配置表面增强拉曼散射测量装置(10)：透明基板(16)；金属主体(17)，所述金属主体(17)在透明基板(16)的一个表面侧上形成，用于引起表面增强拉曼散射的产生；用于按压样本(20、21)的按压机构(22、23、24)，所述按压机构(22、23、24)布置成某种状态，以在金属主体(17)的一侧中接触金属主体(17)；测量光照射光学系统(12、13、14)，所述测量光照射光学系统(12、13、14)使测量光(11)照射穿过透明基板(16)并且到达样本(20、21)上；以及光学检测部件(15、26、27)，当测量光(11)被照射到样本(20、21)上并且穿过透明基板(16)时，所述光学检测部件(15、26、27)光谱地检测所产生的拉曼散射光。
【专利说明】拉曼光谱测定方法以及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及拉曼光谱测定装置。更确切地说，本发明涉及表面增强拉曼光谱测定装置，所述表面增强拉曼光谱测定装置利用金属构件放大拉曼散射光并且检测放大的拉曼散射光。
[0002]本发明还涉及利用这种拉曼光谱测定装置的表面增强拉曼光谱测定方法。
【背景技术】
[0003]通过施加拉曼效应来鉴定并检测包含在试样中的物质的拉曼光谱测定通常为人们所熟知。拉曼效应是这样一种现象，其中当使入射光进入一种物质时，具有与入射光不同波长的光被散射。散射光(拉曼散射光)与入射光之间在能量上的差异，也即，在波长上的差异，对应于物质的分子结构或晶体结构。拉曼光谱测定利用此现象，通过将具有单一波长的光束照射到试样上，光谱检测由此产生的拉曼散射光，并且鉴定特定的物质。
[0004]近来，能够明显地放大拉曼散射光并检测放大的拉曼散射光的表面增强拉曼光谱测定(SERS:表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering))已经被提出并且得到了广泛地研究。表面增强拉曼光谱测定利用了当光照射到与金属构件接触的物质上时拉曼散射光的强度被放大这一事实并且能够实现对极小量物质的检测，所述金属构件在其表面上具有精细的突起与凹陷。专利文献I和专利文献2以及非专利文献I揭示了用于进行表面增强拉曼光谱测定的装置的各实例。
[0005]【背景技术】文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:PCT日本国家阶段公开案号2006-514286
[0008]专利文献2:日本未审查专利公开案号2008-164584
[0009]非专利文献
[0010]《光学快报》，第17卷，第21期，第18556页
【发明内容】
[0011]发明欲解决的课题
[0012]专利文献I等中所揭示的常规的表面增强拉曼光谱测定装置经配置，使得测量光束从形成金属构件的基板的一侧被照射到与在基板的表面上形成的金属构件接触的试样上，并且此时所产生的拉曼散射光在测量光束照射出的一侧被检测到。为此，使用常规的表面增强拉曼光谱测定装置，直接地光谱分析不透明试样(诸如通过活组织的纸层析块而被传递到滤纸上的试样)是极其困难的。
[0013]鉴于上述情况，开发出了本发明。本发明的一个目标是提供能够促进不透明试样的测量的表面增强拉曼光谱测定装置以及表面增强拉曼光谱测定方法。
[0014]解决课题采用的手段
[0015]根据本发明的表面增强拉曼光谱测定装置包括:[0016]透明基板；
[0017]引起表面增强拉曼散射出现的金属构件，所述金属构件形成于透明基板的表面上；
[0018]按压机构，所述按压机构按压与金属构件接触并抵着金属构件而放置的试样；
[0019]测量光照射光学系统，所述系统使测量光束穿过透明基板照射到试样上；以及
[0020]光检测部件，所述光检测部件用于光谱检测拉曼散射光，所述拉曼散射光是在测量光束穿过透明基板照射到试样上时产生的。
[0021]应注意，所述试样可以是自身作为测量目标的试样(尤其是固体试样)，或者是被传递到滤纸等液体可渗透物质的液体试样。
[0022]特别希望的是，本发明的表面增强拉曼光谱测定装置进一步包括:
[0023]定位构件，所述定位构件对抗按压机构所施加的压力而将透明基板维持在预定的位置上。
[0024]可以有利地采用以下按压机构，所述按压机构包括接触试样的板形构件以及用于使板形构件朝向金属构件的弹簧部件。
[0025]金属构件需要具有突起与凹陷的结构，其中突起与凹陷的尺寸小于测量光束的波长。
[0026]金属构件的主要成分需要为选自由:金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、钼(Pt)、镍(Ni)、钛(Ti)，及其合金组成的组中的至少一种金属。
[0027]同时，本发明的表面增强拉曼光谱测定方法为使用本发明的表面增强拉曼光谱测定装置来进行拉曼光谱测定的方法。
[0028]在本发明的表面增强拉曼光谱测定方法中，由液体试样浸溃的滤纸等液体可渗透物质可以被用作试样。
[0029]在采用由液体试样浸溃的液体可渗透物质的情况下，需要采用某一配置，其中:
[0030]液体试样被浸溃到液体可渗透物质的多个位置中的每一个位置中；
[0031]测量光束被分别地照射到多个位置中的每一个位置上；以及
[0032]由每一个照射操作所产生的拉曼散射光得到检测。
[0033]被浸溃到多个位置中的每一个位置中的液体试样需要通过层析而彼此分离。
[0034]或者，一块活组织等固体试样自身可以被用作试样。在固体试样自身也被采用的情况下，测量光束需要分别地照射到固体试样的多个位置中的每一个位置上，并且由每一个照射操作产生的拉曼散射光需要得到检测。
[0035]发明的效果
[0036]本发明的表面增强拉曼光谱测定装置包括:透明基板；引起表面增强拉曼散射出现的金属构件，所述金属构件形成于透明基板的表面上；按压机构，所述按压机构按压与金属构件接触并抵着金属构件而放置的试样；测量光照射光学系统，所述系统使测量光束穿过透明基板照射到试样上；以及光检测部件，所述光检测部件用于光谱检测拉曼散射光，所述拉曼散射光是在测量光束穿过透明基板照射到试样上时产生的。因此，测量光束可以穿过透明基板而照射到不透明试样上。此外，当测量光束照射到试样上时所产生的拉曼散射光可以穿过透明基板而进行光谱检测。因此，即使在不透明试样上，也可以简单地执行表面增强拉曼光谱测定。[0037]本发明的表面增强拉曼光谱测定方法采用具有上文所述的配置的表面增强拉曼光谱测定装置来进行拉曼光谱测定。因此，本发明的方法使即使在不透明试样上，也能简单地执行表面增强拉曼光谱测定。
[0038]应注意，本发明的表面增强拉曼光谱测定方法可以将液体试样浸溃到液体可渗透物质的多个位置中、分别将测量光束照射到多个位置上，并且检测在每一个照射操作期间产生的拉曼散射光。在这种情况下，对于包含在液体试样中的多种成分，可以有效地执行拉曼光谱测定。
[0039]此外，本发明的表面增强拉曼光谱测定方法可以分别将测量光束照射到固体试样的多个位置上，并且检测在每一个照射操作期间产生的拉曼散射光。在这种情况下，可以有效地得到固体试样内特定成分的例如由其浓度表示的分布。
【专利附图】
【附图说明】
[0040][图1]为说明了根据本发明的一个实施例的表面增强拉曼光谱测定装置的侧视示意图。
[0041][图2]为说明了图1的装置的一部分的平面视图。
[0042][图3]为说明采用图1的装置而进行的拉曼光谱测定操作的步骤的侧视图。
[0043][图4]为说明采用图1的装置而进行的拉曼光谱测定操作的步骤的平面视图。
【具体实施方式】
[0044]在下文中，将参考附图详细描述本发明的实施例。图1为说明根据本发明的一个实施例的表面增强拉曼光谱测定装置10的侧视示意图。如图1中所说明，表面增强拉曼光谱测定装置10包含:光源12，诸如发射测量光束11的半导体激光器；准直透镜13，所述准直透镜对测量光束11进行准直，所述测量光束从光源12中作为处于发散状态的光被发射；聚焦透镜14，所述聚焦透镜使经准直的测量光束11聚集在稍后将要描述的测量表面上；光束分光器15，所述光束分光器提供在聚焦透镜14与准直透镜13之间；透明基板16，所述透明基板例如由光学玻璃形成，以及金属层17，所述金属层具有突起与凹陷的精细结构，在透明基板16的表面(也即，图1中透明基板16的下表面)上形成。
[0045]此外，表面增强拉曼光谱测定装置10包含:定位构件18，所述定位构件邻接透明基板16的上表面并且调整透明基板16的上部位置；玻璃基板22，所述玻璃基板提供在透明基板16的下方以将一片滤纸20保持在自身与金属层17之间；基板固持板，玻璃基板22被放置并且固定在所述基板固持板上；以及基底25，所述基底通过多个板弹簧24提供在基板固持板23下方。
[0046]此外，表面增强拉曼光谱测定装置10包含:测量光束截断滤波器26，所述测量光束截断滤波器26提供在光束分光器15的一侧；分光镜27,所述分光镜27用于光谱检测稍后将要描述的拉曼散射光，所述拉曼散射光穿过了测量光束截断滤波器26 ;以及数据处理部件28，所述数据处理部件28(例如由计算机系统构成)用于处理分光镜27的输出。
[0047]金属层17可以通过三步过程形成。此三步过程包含:薄膜形成步骤，其中由第一种金属或第一种金属氧化物形成的薄膜在透明基板上形成；具有精细突起与凹陷的结构层的产生步骤，其中通过使薄膜经受水热反应来产生由第一种金属的氢氧化物或第一种金属氧化物形成的具有精细突起与凹陷的结构层；以及金属层产生步骤，其中由第二种金属形成的具有精细突起与凹陷的金属结构层在具有精细突起与凹陷的结构层的表面上产生。
[0048]应注意，第二种金属优选地为:金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、钼(Pt)，以及将这些金属作为其主要成分的合金。特别优选地为金和银。此外，在产生由第二种金属形成的金属层的金属层产生步骤中，例如可以采用金属气相沉积方法。在施加气相沉积方法并且将金用作第二种金属的情况下，气相沉积薄膜的厚度需要为30nm或更大。或者，在施加气相沉积方法并且将银用作第二种金属的情况下，气相沉积薄膜的厚度需要为150nm或更小。
[0049]作为另一个替代方案，精炼纯金属粒子分散步骤可以作为金属层产生步骤来应用，其中由第二种金属形成的精炼纯金属粒子被分散在具有精细突起与凹陷的结构层的表面上。在这种情况下，优选的是采用直径为IOOnm或更小的精炼纯金属粒子。
[0050]铝(Al)可以被用作第一种金属，并且氧化铝(Al2O3)可以被用作第一种金属氧化物。
[0051]同时，氢氧化物需要为三羟铝石以及一水软铝石(boehmite)这两者中的至少一者。
[0052]另外，金属层17并不限于由上文所述的步骤形成的金属层，并且可以是表面经历过粗化过程的金属层。利用氧化还原作用等的电化学过程可以被用作粗化过程。
[0053]另外，金属层17可以为具有其它已知结构的金属层。例如，J.Am.Chem.Soc,第127卷，第14992-14993页的“具有受控制的IOnm以下间隙的纳米球阵列作为表面增强拉曼光谱测定法基板(Nanosphere arrays with controlled sub I Onm gaps as surfaceenhanced Raman spectroscopy substrates) ”揭不了具有多个金粒子的金属层，已由CTAB (cetyltrimethylammonium bromide,十六烧基三甲基溴化铵)修饰的所述金属层的表面布置在ITO基板上。作为另一实例，日本未审查专利公开案号2005-233637揭示了一种金属层，其中由金纳米棒形成的薄膜提供在基板上。适当时此类金属层可以用于本发明中。
[0054]下文中将描述表面增强拉曼光谱测定装置10的操作。在拉曼光谱测定期间，首先，对抗板弹簧24的压力而向下按压玻璃基板22以及基板固持板23，并且将一片滤纸20放置在玻璃基板22上。此时，放置滤纸20，从而使得它的一端从透明基板16的侧边向外突出，如图2中所说明。当施加在玻璃基板22以及基板固持板23上的向下的压力在这种状态下被释放时，滤纸20保持在透明基板16的表面上的金属层17与玻璃基板22之间的夹在中间的状态。
[0055]应注意此时透明基板16的上表面邻接定位构件18。因此，透明基板16对抗板弹簧24的压力而被维持在垂直方向上的预定位置。以此方式，滤纸20被设置为处于垂直方向上的预定位置。
[0056]在如上文所述对滤纸20进行设置之后，通过移液管等滴注部件30将液体试样21滴注到滤纸20的突出端上。所滴注的液体试样21大体上渗透滤纸20的整个长度。应注意，可以在对滤纸20进行设置之后将液体试样21滴注到滤纸20上，或者液体试样21可以先渗透滤纸20，然后可以对滤纸20进行设置。
[0057]在使液体试样21渗透进入滤纸20之后，将光源12开启。由光源12发射的激光束等测量光束11照射穿过透明表面16，使其逐渐聚集在滤纸20的表面(与金属层17接触的表面)，所述表面为测量表面。由于测量光束11的照射，在滤纸20处产生拉曼散射光。拉曼散射光穿过透明基板16、由聚焦透镜14进行聚焦、由光束分光器15进行反射、穿过测量光束截断滤波器26，并且进入分光镜27，如图1中的虚线所示。
[0058]拉曼散射光具有与测量光束11的波长不同的波长。拉曼散射光与测量光束之间在能量上的差异，也即，在波长上的差异，对应于包含在液体试样21中的分析目标物质的分子结构或晶体结构。分光镜27光谱检测拉曼散射光，并且将检测结果输出至数据处理部件28。基于输入的光谱检测结果，数据处理部件鉴定包含在液体试样21中的分析目标物质。
[0059]在本装置中，测量光束11在某种状态下照射到滤纸20上，在所述状态下，用液体试样浸溃的滤纸与金属层17接触。因此，拉曼散射光可以明显地被放大，随后得到检测。
[0060]传输拉曼散射光但截断由测量表面反射的测量光束11的陷波滤波器或短波截断滤波器可以被用作测量光束截断滤波器26。
[0061]如从上文的描述中清楚地知道的，在本实施例中，光谱检测拉曼散射光的光检测部件由光束分光器15、测量光束截断滤波器26，以及分光镜27构成。
[0062]如上文所描述，本实施例的表面增强拉曼光谱测定装置10将测量光束11穿过透明基板16照射到滤纸20上，同时将用液体试样21浸溃的滤纸20保持在透明基板16与玻璃基板22之间，并且光谱检测穿过透明基板16的拉曼散射光。此处，即使作为试样的滤纸20是不透明的，拉曼散射光也不被滤纸20截断。因此，液体试样21的拉曼光谱测定可以按简单的方式进行。
[0063]此外，透明基板16邻接定位构件18，并且其在垂直方向上的位置，也即，在垂直方向上的滤纸20的位置，被维持在预定位置处。因此，即使滤纸20由于被液体试样21浸溃而膨胀，测量光束11聚集的测量表面的位置，也即，滤纸20的上表面的位置也绝对会维持在预定位置处。
[0064]此外，可以有利地采用本实施例的表面增强拉曼光谱测定10以在通过层析(尤其是纸层析)而彼此分离的液体试样上进行测量。将参考图3以及图4来描述这点。应注意，在图3以及图4中，与图1以及图2中所说明的元件相同的元件用相同的参考标号表示，并且因为其详细描述不是特别必需的，所以其详细描述将被省略。
[0065]图3以及图4为分别用彼此分离的液体试样21A、21B，以及21C来浸溃的一片滤纸20的侧视图以及平面视图。如图3中所说明，当液体试样21被滴注到滤纸20的末端部分上时，液体试样21根据包含在其中的不同成分而被分开，并且如由参考标号21A、21B，以及21C所说明的由滤纸20保持。
[0066]测量光束11可以分别地照射到滤纸20的保持液体试样21A、21B，以及21C的多个位置上，并且在每一个照射操作期间产生的拉曼散射光可以通过图1中所说明的配置而得到检测。在这种情况下，对于包含在液体试样中的多个成分，可以有效地执行拉曼光谱测定。
[0067]应注意，为了如上文所描述的分别地将测量光束11照射到滤纸20的多个位置上，例如，测量光束照射光学系统可以沿着滤纸20的长度方向而被移动，或者测量光束照射光学系统可以是固定的并且保持滤纸20的机构可以被移动。
[0068]上文已经描述了用液体试样21浸溃的滤纸20被用作试样的实施例。然而，本发明的表面增强拉曼光谱测定方法并不限于这种配置。本发明的表面增强拉曼光谱测定方法还可以应用到以下情况中，其中一片活组织等固体试样自身被用作试样。在这种情况下，固体试样可以代替滤纸20而被放置在图1的配置中。
[0069]在这种情况下，测量光束可以分别地照射到固体试样的多个位置上，并且在每一个照射操作期间产生的拉曼散射光可以得到检测。在这种情况下，可以有效地得到固体试样内特定成分的例如由其浓度表示的分布。
【权利要求】
1.一种表面增强拉曼光谱测定装置，其包括: 透明基板； 引起表面增强拉曼散射出现的金属构件，所述金属构件形成于所述透明基板的表面上； 按压机构，所述按压机构按压与所述金属构件接触而放置的试样，所述试样抵着所述金属构件； 测量光照射光学系统，所述测量光照射光学系统使测量光束穿过所述透明基板照射到所述试样上；以及 光检测部件，所述光检测部件用于光谱检测穿过所述透明基板的拉曼散射光，所述拉曼散射光是在所述测量光束照射到所述试样上时产生的。
2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼光谱测定装置，其进一步包括: 定位构件，所述定位构件对抗由所述按压机构施加的压力而将所述透明基板维持在预定位置。
3.根据权利要求1或2所述的表面增强拉曼光谱测定装置，其特征在于: 所述按压机构包括接触所述试样的板形构件以及用于使所述板形构件朝向所述金属构件的弹簧部件。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的表面增强拉曼光谱测定装置，其特征在于: 所述金属构件具有突起与凹陷的结构，其中所述突起与凹陷的尺寸小于所述测量光束的波长。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的表面增强拉曼光谱测定装置，其特征在于: 所述金属构件的主要成分为选自由:Au、Ag、Cu、Al、Pt、N1、Ti,及该些的合金组成的组中的至少一种金属。
6.一种表面增强拉曼光谱测定方法，所述表面增强拉曼光谱测定方法使用如权利要求1到5中任一项所述的表面增强拉曼光谱测定装置来进行拉曼光谱测定。
7.根据权利要求6所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 由液体试样浸溃的液体可渗透物质被用作所述试样。
8.根据权利要求7所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 滤纸被用作所述液体可渗透物质。
9.根据权利要求6到8中任一项所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 液体试样被浸溃到所述液体可渗透物质的多个位置的每一个位置中； 所述测量光束被分别地照射到所述多个位置中的每一个位置上；以及 由每一个照射操作所产生的拉曼散射光得到了检测。
10.根据权利要求9所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 被浸溃到所述多个位置中的每一个位置中的所述液体试样通过层析而彼此分离。
11.根据权利要求6所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 固体试样自身被用作所述试样。
12.根据权利要求11所述的表面增强拉曼光谱测定方法，其特征在于: 所述测量光束被分别地照射到所述固体试样的多个位置中的每一个位置上；以及 由每一个照射操作所产生的拉曼散射光得到了检测。
【文档编号】G01N21/65GK103534579SQ201280023630
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年5月15日 优先权日:2011年5月17日
【发明者】纳谷昌之, 山添昇吾 申请人:富士胶片株式会社