基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置制造方法
【专利摘要】一种基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，下层玻璃层、中间层玻璃层和耦合棱镜从下至上依次紧密贴合连接，所述耦合棱镜的底面连有耦合棱镜底面金属膜，所述下层玻璃层连有下层玻璃金属膜。本发明通过将样品注入到中间层玻璃层样品室作为光波导振荡场传感器的导波层，入射光在样品中呈Z字形路径传播，增加了光与待测物质的作用距离且其中光功率密度很大，可极大地增强样品的拉曼散射光强。中间层玻璃层的圆柱形槽实现了待测物质的动态在线拉曼光谱检测。
【专利说明】基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种拉曼光谱【技术领域】的装置，具体是一种基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置。
【背景技术】
[0002]拉曼光谱属于分子振动光谱，可以用来鉴别物质，定性和定量分析物质，用途十分广泛。拉曼光谱技术具有高效、简单和绿色的特点，对环境不会造成污染，且分析时间短，费用不高，可实现对微量物质的快速、无损检测。但微量物质的拉曼光谱信号非常微弱，一般仅为入射光强的1#?，因此需要对拉曼光谱信号进行增强。近年来，增强拉曼光谱技术作为一种能非常有效探测微量物质分子间相互作用、表征表面分子吸附行为和分子结构的工具，受到了国内外广泛地关注。
[0003]经对现有文献检索发现，目前国内外用于增强拉曼光谱的方法主要有三种:第一种为采用液芯光纤(LCOF)系统进行拉曼光谱增强，这种方法的优点是可以大大增加光与物质的相互作用距离，从而显著提高光谱信号强度和探测极限。但是LCOF方法要求待测物质一般为液体(溶液)，且需注入到液芯光纤中作其纤芯，因此要求待测物质的折射率须大于光纤包层折射率，而目前大部分液体物质，如水溶液的折射率都要比常规光纤包层(玻璃)的折射率小，所以这种方法在实际应用中具有很大的局限性。第二种增强方法是利用共振拉曼效应(RR)，当入射激光频率对应于被检测物质分子的电子吸收能级时，拉曼跃迁几率大大增加，使得分子的某些振动模式的拉曼散射截面增强，共振拉曼增强方法可以得到IO5-1O5的增强因子，使亚单层量分子检测成为可能，可用于低浓度和微量样品检测，如生物大分子样品的检测。但是目前只有少数待测物质分子的电子吸收能级可与现有激光相匹配，即共振拉曼增强技术存在激光波长有限，适应性差的缺点。
[0004]第三种方法是表面增强拉曼光谱(SERS)技术，这是目前为止使用最广的一种增强拉曼光谱技术，即利用金属表面局域等离子激元所引起的电磁增强，使被检测物质的拉曼散射产生增强，增强因子可达IOe ,甚至更高，SERS技术使拉曼光谱的应用进入微量物质单分子探测领域。但SERS也有其缺点，一为SERS技术具有高选择性，即对于不同种类待测物质，其所使用的SERS基底芯片也是不同的，而目前尚未建立两者明确的配对关系，这造成使用SERS技术存在一定困难。其次，SERS基底芯片一般具有纳米结构，使用时容易暴露于空气中，受到环境因素的影响损坏而失去其增强拉曼光谱功能，且SERS基底芯片不能循环使用，也很难实现实时及动态在线SERS检测。
【发明内容】
[0005]本发明针对现有拉曼光谱增强技术的不足，提供一种基于光波导振荡场传感器结构的拉曼光谱增强装置。通过将样品注入到装置的中间层玻璃层样品室作为光波导振荡场传感器的导波层，入射光在样品中呈Z字形路径传播，增加了光与物质(样品)的作用距离且其中光功率密度很大，可极大地增强样品的拉曼散射光强，实现拉曼光谱增强的目的。中间层玻璃层制作有圆柱形导流槽，可实现待测样品的实时动态在线拉曼光谱检测。且上下两层玻璃都镀有金属膜，样品处于上下两层金属膜之间，避免了液芯光纤拉曼光谱增强系统的要求样品折射率大于包层玻璃折射率的缺点，拓宽了其应用范围。本装置结构简单，易于实现且成本低廉。
[0006]本发明是通过以下技术方案实现的，它包括耦合棱镜、耦合棱镜底面金属膜、下层玻璃金属膜、下层玻璃层、中间层玻璃层，其特征在于:下层玻璃层、中间层玻璃层和耦合棱镜从下至上依次紧密贴合连接，所述耦合棱镜的底面连有耦合棱镜底面金属膜，所述下层玻璃层连有下层玻璃金属膜。
[0007]所述耦合棱镜是三角棱镜或者圆柱形柱面镜中的一种。
[0008]所述的耦合棱镜底面金属膜是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为3(T50nm。
[0009]所述中间层玻璃层中心位置处有一个样品池，样品池形状为圆形或者方形中的一种。
[0010]所述的中间层玻璃层两侧壁中心位置之间设有一个圆柱形槽孔，圆柱形槽孔与样品池相通，样品池的一侧的圆柱形槽孔为样品流入口，样品池的另一侧的圆柱形槽孔为样品回流口。可与导流软管配合使用，实现注入及回流待测样品的目的。
[0011]所述的下层玻璃金属膜是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为10(T300nm。
[0012]所述的耦合棱镜、中间层玻璃层和下层玻璃层可通过光胶法或者分子吸附力法来粘合。
[0013]所述中间层玻璃层和下层玻璃层都采用方形光学玻璃。
[0014]所述稱合棱镜、中间层玻璃层与下层玻璃层。其中稱合棱镜在其底面镀有一层金属膜，中间层玻璃层和下层玻璃层都采用方形光学玻璃，中间层玻璃层挖出一个样品池，其中心线位置切出一个圆柱形槽，作为注入及回流待测样品之用，下层玻璃层的上表面也镀上金属膜，可与中间层玻璃层样品室匹配。本发明通过将样品注入到中间层玻璃层样品室作为光波导振荡场传感器的导波层，入射光在样品中呈Z字形路径传播，增加了光与待测物质的作用距离且其中光功率密度很大，可极大地增强样品的拉曼散射光强。
[0015]本发明的工作原理是:将待测样品通过中间层玻璃层的圆柱形槽注入到样品室中，作为光波导振荡场传感器的导波层。入射激光通过耦合棱镜耦合进入导波层并在其中传播，传播路径为Z字形，这可大大增加光与待测样品的作用距离，并且样品处于光波导的导波层而不是消逝层中，其中光功率密度很大，因此可极大增强待测样品的拉曼光强，达到拉曼光谱增强的目的。
[0016]与现有技术相比，本发明的有益效果是:1、本发明装置基于光波导振荡场传感器结构，待测样品处于两层金属膜之间，而金属膜的有效折射率为负值，绝大部分待测样品的折射率为正值，这表明样品折射率不受限制，可突破液芯光纤拉曼光谱增强方法的应用局限，大大拓宽待测样品的适用范围，这对水溶液环境、接近自然状态下的物质检测研究是十分有利的。2、本发明装置中的样品室设计有圆柱形导流槽，可作为待测样品的注入口和回流口，配合导流软管一起使用，可方便满足对待测样品的实时、动态在线检测要求。3、本发明装置中的待测样品可直接与金属膜接触，如在金属膜上制备出特定的纳米结构，则可在本结构中进一步实现表面拉曼光谱增强(SERS)，并且金属膜处于光波导振荡场传感器的内部，使用时无需暴露于空气，避免了目前SERS基底芯片使用时容易被环境因素影响损坏而失去拉曼光谱增强功能的缺点。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为本发明结构示意图；
图2为耦合棱镜的结构示意图；
图3为中间层玻璃层的结构示意图；
图4为下层玻璃层的结构示意图；
图5为罗丹明6G溶液拉曼光谱增强示意图；
图6为氨基甲酸乙酯溶液拉曼光谱增强示意图；
其中:1、稱合棱镜；2、稱合棱镜底面金属膜；3、样品流入口 ；4、下层玻璃金属膜；5、下层玻璃层；6、样品回流口 ；7、中间层玻璃层；8、样品池。
【具体实施方式】
[0018]下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0019]实施例1
如图1所示，本发明是这样实现的，下层玻璃层5、中间层玻璃层7和耦合棱镜I从下至上依次紧密贴合连接，所述耦合棱镜I的底面连有耦合棱镜底面金属膜2，所述下层玻璃层5连有下层玻璃金属膜4。所述耦合棱镜I是三角棱镜或者圆柱形柱面镜中的一种。所述的耦合棱镜底面金属膜2是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为3(T50nm。所述中间层玻璃层7中心位置处有一个样品池8，样品池形状为圆形或者方形中的一种。所述的中间层玻璃层7两侧壁中心位置之间设有一个圆柱形槽孔，圆柱形槽孔与样品池8相通，样品池8的一侧的圆柱形槽孔为样品流入口 3，样品池8的另一侧的圆柱形槽孔为样品回流口 6。可与导流软管配合使用，实现注入及回流待测样品的目的。所述的下层玻璃金属膜4是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为10(T300nm。所述的耦合棱镜1、中间层玻璃层7和下层玻璃层5可通过光胶法或者分子吸附力法来粘合。
[0020]如图2所示，所述的圆柱形柱面镜，底面长3.8cm，宽2.1cm，柱面直径2.1cm。通过磁控派射机在其底面镀有一层金膜，厚度为30nm,作为光波导振荡场传感器的稱合层。
[0021]如图3所示，所述的中间层玻璃层采用方形光学玻璃，长3.8cm,宽2.1cm,高
0.5cm。在其中心位置挖出一个圆形样品池，直径1.6cm，并切出一个直通的圆柱形槽，圆柱形槽直径0.15cm，配合导流软管以作注入及回流待测样品之用。
[0022]如图4所示，所述的下层玻璃层采用方形光学玻璃，长3.8cm，宽2.1cm，高0.9cm。通过磁控溅射机在其上表面镀有一层圆形金膜，金膜厚度200nm，直径1.6cm，可与圆形样品池匹配。
[0023]如图1所示，所述的圆柱形柱面镜，所述的中间层玻璃层和所述的下层玻璃层直接通过彼此的分子吸附力贴合，以最大限度地保证光波导振荡场传感器各层玻璃的平行度。[0024]图5是本实施例的增强拉曼光谱图，本实施例使用的待测样品是罗丹明6G溶液
(RH6G)，浓度为100 PM ,入射激光波长为633nm，功率5mW。下图为无增强拉曼光谱，上图
为通过本发明装置增强的拉曼光谱，对比上下图，此实施例中本发明装置的拉曼增强因子为14。
[0025]实施例2
本实施例的实施方式和实施例1相同。
[0026]图6是本实施例的增强拉曼光谱图，本实施例使用的待测样品是氨基甲酸乙酯溶液，浓度为60 μΜ ,入射激光波长为650nm，功率10mW。下图为无增强拉曼光谱，上图为通过本发明装置增强的拉曼光谱，对比上下图，此实施例中本发明装置的拉曼增强因子为16。
【权利要求】
1.一种基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，它包括耦合棱镜、耦合棱镜底面金属膜、下层玻璃金属膜、下层玻璃层、中间层玻璃层，其特征在于:下层玻璃层、中间层玻璃层和耦合棱镜从下至上依次紧密贴合连接，所述耦合棱镜的底面连有耦合棱镜底面金属膜，所述下层玻璃层连有下层玻璃金属膜。
2.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述耦合棱镜是三角棱镜或者圆柱形柱面镜中的一种。
3.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述的耦合棱镜底面金属膜是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为3(T50nm。
4.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述中间层玻璃层中心位置处有一个样品池，样品池形状为圆形或者方形中的一种。
5.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述的中间层玻璃层两侧壁中心位置之间设有一个圆柱形槽孔，圆柱形槽孔与样品池相通，样品池的一侧的圆柱形槽孔为样品流入口，样品池的另一侧的圆柱形槽孔为样品回流口。
6.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述的下层玻璃金属膜是金膜、银膜或者铜膜中的一种，膜厚为10(T300nm。
7.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述的耦合棱镜、中间层玻璃层和下层玻璃层可通过光胶法或者分子吸附力法来粘合。
8.根据权利要求1所述的基于光波导振荡场传感器的拉曼光谱增强装置，其特征在于:所述中间层玻璃层和下 层玻璃层都采用方形光学玻璃。
【文档编号】G01N21/65GK103822911SQ201310667399
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】吴至境, 施宇, 欧阳爱国 申请人:华东交通大学