一种稳定收集表面增强拉曼光谱信号的装置和方法与流程

发明涉及激光显微表面增强拉曼光谱学领域。

背景技术：

激光显微表面增强拉曼光谱学广泛地应用于表面吸附、电化学和催化反应、化学和生物传感器、生物医学检测及痕量分析检测等领域中。自然条件下物质的拉曼散射光极其微弱，目前增强散射光强度的主要手段是制备出增强基底，激发光在基底上可以极大的增强物质的拉曼散射光，因此增强基底的制备是该领域的重要课题。经典的增强基底如银溶胶、金溶胶，虽然能增强散射光的信号，但是当激光转换在分析物上的焦点时，由于基底各点增强效果不同，显微镜收集到的散射光强度会发生剧烈的变化。而且由于荧光、宇宙射线、地面震动、分析液中的杂质对光谱的干扰，导致光谱信号时强时弱，且具有噪声。这极大的影响了对物质的光谱收集。为了降低干扰，在制备各种新型更为均匀的基底的同时，研究人员及实验操作者通常选择在基底上选取多点，且每点测试多次的方法，最后对采集到的光谱数据进行平均来进一步降低干扰。这无疑大大增加了研究成本和工作量。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对增强基底不均匀时无法稳定收集拉曼光谱信号的问题，提供了一种可以稳定收集表面增强拉曼光谱信号的装置。

根据表面增强拉曼光谱现在公认的电磁增强理论，拉曼光谱增强因子与局域电场增强因子的四次方近似成正比。在具有增强基底的物质拉曼光谱测量过程中，当转换激光焦点在基底上的位置时，可能由于该基底各点附近局域电场大小不同，出现同一种物质的拉曼光谱信号强度的不同。在测量实验条件相同的情况下，如果基底上各点电场大小都相同的话，测量的拉曼光谱信号强度应当是相同的。然而，根据激发表面等离激元的条件，不可能做到基底上各处局域电场都相等。因此，激发表面等离激元的条件与均匀电场的要求构成了一对矛盾。

我们解决因基底不均匀而导致的收集拉曼光谱信号不稳定的思想是：对基底上的各点拉曼散射信号取平均。基本具体做法是，让激光在基底上沿着一条线进行往复匀速扫描。这样在一段时间内，基底上的每个点都对拉曼散射信号有贡献。如果某个点或某些点因某种原因导致不能增强，由于在这些点上停留的时间很短，因此有限个点对拉曼散射光的贡献可以忽略。于是，任意相等的时间段内，激光沿着某条线扫描，都会得到完全相同的光谱数据。增量了基底的抗干扰性。更重要的是，基底各点虽然不均匀，但就大范围来看，比如基底的两条线，上面局域电场的起伏情况大致是相当的。于是，当激光沿着这两条线进行匀速扫描时，得到的光谱也几乎是完全相同的。推而广之，激光在基底上匀速扫描时，在相等时间内得到的光谱数据都是近乎相同的，与扫描路径无关

因此我们提出的解决方案如下：使增强基底做往复运动，收集一定时间内得到的光谱数据。

由于机械的往复运动可能涉及加速-匀速-减速的问题，我们仅收集增强基底匀速运动的光谱数据，即只将直线的机械往复运动中匀速运动的部分作为我们的实验测量部位。

进一步的，为遏制咖啡环效应，待往复运动开始后再滴加分析液。

使增强基底做往复运动的方案为：将增强基底安装在往复运动机构上。

所述往复运动机构的一种结构是：安装在导轨上的滑块底部有齿条和齿轮配合，齿轮由电机驱动，电机连接电源。

进一步的，在电机和电源之间调速器。

所述往复运动机构的另一种结构是涡轮蜗杆结构，同样使用电机连接电源进行驱动。

本发明技术的有益效果：

1.目前采集表面增量拉曼光谱的方法是在静止的增强基底上，显微拉曼光谱仪聚焦于增强基底上的一点，而本发明方法是让增强基底进行往复运动，使得显微拉曼光谱仪焦点沿着增强基底进行来回的直线匀速扫描。

2.传统的增强基底因为不够均匀，使得不同点采集到的拉曼光谱强度有很多变化，而本发明方法不取单点光谱数据，而是选取扫描路径上的所有单点光谱数据的和作为光谱数据，因此，把激发光焦点聚焦于扫描路径上的任何一点都可以得到几乎完全相同的光谱数据。

3.采用本发明的方法采集光谱，不需要均匀性很强的增强基底便可以采集到优质的光谱，降低了对增强基底的要求和制备难度。

4.采用本方法采集光谱，不需要寻找增强基底上的热点，这免去了寻找热点所花费的时间，当增强基底因部分氧化而失去增强性能时，利用本方法也能迅速利用具有增强性能的部分而得到光谱，相对延长了增强基底的保质期。

5.采用本方法采集光谱，采集一次即可得到大数量单点光谱数据的平均。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步描述本发明的具体实施例，但要求保护的范围并不局限于此。

我们解决因基底不均匀而导致的收集拉曼光谱信号不稳定的思想是：对基底上的各点拉曼散射信号取平均。基本具体做法是，让激光在基底上沿着一条线进行往复匀速扫描。这样在一段时间内，基底上的每个点都对拉曼散射信号有贡献。如果某个点或某些点因某种原因导致不能增强，由于在这些点上停留的时间很短，因此有限个点对拉曼散射光的贡献可以忽略。于是，任意相等的时间段内，激光沿着某条线扫描，都会得到完全相同的光谱数据。增量了基底的抗干扰性。更重要的是，基底各点虽然不均匀，但就大范围来看，比如基底的两条线，上面局域电场的起伏情况大致是相当的。于是，当激光沿着这两条线进行匀速扫描时，得到的光谱也几乎是完全相同的。推而广之，激光在基底上匀速扫描时，在相等时间内得到的光谱数据都是近乎相同的，与扫描路径无关。考虑到激光在显微拉曼光谱仪下是固定的，根据运动的相对性，变激光扫描为基底运动，具体为基底的直线往复匀速运动。由于机械的往复运动可能涉及加速-匀速-减速的问题，我们将直线的机械往复运动中匀速运动的部分作为我们的实验测量部位。

实施例1：装置的组成包括电机1、齿轮2、滑块3、导轨4、增强基底5、支架平台6、导线7、直流电源控制器8和调速器9，所述电机1呈圆柱形，固定在支架平台6上，通过伸出的旋转轴与齿轮2相连，通过导线7连接调速器9与直流电源控制器8可实现不同速度的正反旋转，所述导轨4是支架平台6上的一段凹槽滑轨，所述滑块3嵌入在导轨4中，滑块3下侧含有与齿轮2配合的齿条段，通过齿轮2的正反旋转，滑块3可实现来回的往复运动，所述增强基底5粘附于滑块3，导线7将旋转电机1和直流电源控制器8连接到调速器9上，所述直流电源控制器8可通过其内的驱动模块及时间继电器实现输出高低电平的转换，以此来使旋转电机1实现正反旋转，通过直流电源控制器8上旋钮可以调节正反转持续的时间，所述调速器9可通过其上旋钮调节直流电源控制器8输出到旋转电机1的电压值，以此实现电机1不同的旋转速度。

实施例2：调速器9通过导线7与直流电源控制器8相连，通过旋转调速器9旋钮将直流电源控制器8电压转变成脉冲式的电压，旋转电机通过导线7与调速器9相连，调速器9的输出电压驱动旋转电机1旋转，并带动旋转电机1上的齿轮2旋转，从而带动滑块3与增强基底5在导轨4上往复运动。将分析液滴加于增强基底5上，将显微拉曼光谱仪激发光聚焦于增强基底的分析液上，开动直流电源控制器8开关，调节直流电源控制器8上的旋钮，来使显微拉曼光谱仪的激发光完全扫描在增强基底5匀速往复运动期间，显微拉曼光谱仪的激发光通过显微镜聚焦于增强基底5上，增强基底5的往复运动使得激发光焦点沿着增强基底5上的一条直线进行来回扫描，测量之前可以调节直流电源控制器8上的旋钮，来使显微拉曼光谱仪的激发光完全扫描在增强基底5的匀速往复运动期间。此时不同于传统的在单一焦点处收集拉曼散射光，而是对于来回扫描的增强基底5直线上的所有点都收集。调节调速器9上的旋钮，可以改变旋转电机1的旋转速度，也就间接的改变了激发光焦点在增强基底上的来回扫描速度。如果需要改变扫描路径，只需要轻微移动增强基底5的位置，就可以改变旋转电机1的扫描路径，进行另一条光谱的记录。

实施例3：

本实施例，结构配置与实施例2相同，特别之处在于滴加分析液的方式。本实施方式先开动直流电源控制器8开关，调节直流电源控制器8上的旋钮，使显微拉曼光谱仪的激发光完全扫描在增强基底5匀速往复运动期间，同时调节调速器9上的旋钮使旋转电机1转速到适当转速，然后往复运动的增强基底上滴加分析液。这样周期往复涂布能有效遏制咖啡环效应，使分析物分布均匀，迅速干燥。。