一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置的制作方法

本发明属于显微光谱成像装置技术领域，具体涉及一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置。

背景技术：

拉曼光谱是检测样品分子化学键、对称性或其他化学成分和结构信息的一种常见的光谱分析方法。可以提供快速、简单、可重复且无损伤的定性定量分析。

针尖增强拉曼光谱(tip-enhancedramanspectroscope，ters)技术是扫描探针显微镜(scanningprobemicroscopy，spm)技术和拉曼光谱技术的结合。ters技术可以满足纳米科学和纳米技术中在表界面上对化学物质的分析要求，有着高的空间分辨率以及对分子拉曼信号的显著增强作用。其原理是通过spm控制系统将曲率半径为几十纳米的ag或au针尖尖端控制在离样品非常接近的距离(如1nm)，当入射光以适当的波长照射在针尖尖端处时，探针尖端被激光激发而产生局部表面等离子体共振、避雷针效应等物理机制，使针尖附近几纳米到十几纳米范围内会产生强烈的局部电磁场增强，此时的金属针尖可以看作是一个具有很高功率密度的纳米光源，会使那些处于针尖正下方的基底或基底上的吸附分子的拉曼信号大幅增强。ters技术的高空间分辨化学组成成像将对解决单分子科学的很多重要科学问题提供有力技术支持，如获取单个分子的形貌、化学键等信息，又具有免标记、原位、实时、快速获取生物质信息等优点。

表面等离激元(surfaceplasmonpolaritons，spp)是一种在金属表面，由自由电子与入射光子相互耦合共振形成的束缚在金属与介电材料界面或金属薄膜表面的电磁波，能够将大量的光波能量局域在金属和介电材料界面，从而形成很强的近场增强效应。

ters技术依照激光光束与探针针尖的相对位置的不同，分为三种典型的照明模式，分别是侧向照明模式(sideilluminationmode，激光光源从探针侧面以一定角度照射到针尖尖端)、顶部照明模式(topilluminationmode，激光光源从探针顶部照射到探针尖端)以及底部照明模式(bottomilluminationmode，激光光源从探针下方照射到探针尖端)。

侧向照明模式和顶部照明模式都存在由于工作距离的限制，不能使用数值孔径太大的物镜，所以在光谱信号增强方向受到一定的限制；而底部照明模式可以使用数值孔径较大的物镜来使入射光场强度提高而使光谱信号增强，但通常对于透明样品而言，非透明样品会导致激光发光强度降低，从而影响光谱信号的强度。

现有的针尖增强拉曼光谱显微成像装置中通常包括激光光源、扫描探针显微镜、显微成像系统和光谱仪，通过激光光源照射扫描探针显微镜的扫描探针的针尖尖端激发表面等离激元，并通过光谱仪检测拉曼光谱信号和拉曼光谱扫描成像，通过显微成像系统将样品扫描成像，从而得知样品的拉曼光谱信号有无增强及增强的程度。由于拉曼光谱信号的强度与入射光场强度及表面等离激元有关，通常第一种做法是使用大数值孔径的物镜来提高入射光场强；第二种做法是采用金属膜与扫描探针的针尖尖端形成gap结构来增强拉曼光谱信号。但是第一种做法只对透明样品有效，而对于非透明样品而言，入射光场强度会降低；第二种做法虽然可以解决非透明样品导致的入射光场强度降低的问题，但是得到的拉曼光谱信号的强度仍有待进一步提高。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于现有的拉曼光谱显微成像装置拉曼光谱信号强度较低，因此提供一种拉曼光谱信号强度强、空间分辨率高的针尖增强拉曼光谱显微成像装置。

为此，本发明提供一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，包括：

激发光单元，用于产生径向偏振光束并入射至表面等离激元激发单元；

表面等离激元激发单元，用于接收所述径向偏振光束并激发产生表面等离激元；

扫描单元，包括扫描探针，所述扫描探针与所述表面等离激元进行杂化形成表面等离激元场杂化单元；

检测单元，用于检测待测样品的拉曼光谱并扫描成像；

监控单元，对所述待测样品的拉曼光谱进行显示，并根据所述待测样品的特征光谱进行成像；

所述激发光单元和检测单元均与所述监控单元连接，所述扫描单元依次与所述检测单元及所述监控单元连接。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述表面等离激元激发单元包括：

物镜；及

金属膜，镀于所述物镜上，所述径向偏振光束入射至所述金属膜上激发产生所述表面等离激元并聚焦产生表面等离激元虚拟探针，所述表面等离激元虚拟探针和所述扫描探针杂化形成所述表面等离激元场杂化单元。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述金属膜的厚度为40-50nm，所述物镜的数值孔径大于1.45。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述扫描探针与所述金属膜之间形成有间隙且所述间隙小于10nm。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述激发光单元包括：

激光元件，用于产生预设波长的激光光束；

及沿所述激光光束的光路输出方向上依次布置在所述激光元件和所述物镜之间的起偏元件、准直元件和涡旋波片，所述激光光束经所述起偏元件、准直元件和涡旋波片变成径向偏振光并入射至所述物镜。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述径向偏振光经所述透镜组准直后输出平行光。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述表面等离激元激发单元还包括：

分束元件，设置在所述物镜的光束入射端与所述涡旋波片的光束出射端之间，用于将所述径向偏振光透射至所述物镜并在所述金属膜上激发产生所述表面等离激元。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述分束元件为分束镜或二向色镜。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述检测单元包括：

滤光元件；

光谱仪；及

ccd图像传感器；

所述滤光元件、光谱仪和ccd图像传感器与所述分束元件采用水平直线光路连接，待测样品的拉曼散射光经所述物镜耦合得到耦合光并反射至所述分束元件，经所述滤光元件透射后射入所述光谱仪和所述ccd图像传感器，由所述监控单元对所述待测样品的拉曼光谱进行显示并根据特征光谱进行成像。

可选的，所述的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，所述扫描探针为镀有金属膜的探针。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明提供的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，包括激发光单元、表面等离激元激发单元、表面等离激元场杂化单元，扫描单元、检测单元和监控单元，激发光单元产生径向偏振光入射至表面等离激元激发单元激发产生表面等离激元并聚焦产生表面等离激元虚拟探针，扫描单元包括扫描探针，表面等离激元虚拟探针和扫描探针进行杂化也即耦合振荡，并在扫描探针与表面等离激元单元之间形成的间隙结构内得到增强的表面局域场强，表面等离激元虚拟探针与扫描探针共同作用增强表面局域电场获得增强的拉曼光谱信号，激发局域场强度增强，激励待测样品产生表面增强拉曼散射。

2.本发明提供的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，采用厚度为40-50nm的金属膜，并采用数值孔径na大于1.45的物镜使得入射至待测样品的入射光强度更大，使得激发光通过物镜入射至金属膜上激发产生表面等离激元并聚焦形成表面等离激元虚拟探针，通过控制扫描探针与金属膜之间的间隙结构为小于10nm，使得表面等离激元虚拟探针在间隙结构内产生杂化效应，激发局域电场增强，增强表面局域场强的拉曼光谱信号，同时还提高了扫描探针探测的空间分辨率。

3.本发明提供的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，扫描探针为镀有金属膜的探针，通过激光元件产生径向偏振光，入射至物镜上，激发物镜的金属膜产生表面等离激元并聚焦产生表面等离激元虚拟探针，通过表面等离激元与金属探针形成的间隙结构之间产生杂化效应，起到增强拉曼光谱信号的强度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的结构图；

图2为本发明实施例中的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的激发光单元、表面等离激元激发单元的结构图；

图3为本发明实施例的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的光路图；

图4为本发明实施例对待测样品分析的拉曼光谱图以及仅采用金属膜得到表面等离激元虚拟探针对待测样品分析的拉曼光谱图；

图5为现有技术中的常规的拉曼光谱显微成像装置对待测样品分析的拉曼光谱图及不使用虚拟探针和扫描探针的显微成像装置对待测样品分析的拉曼光谱图；

图6为扫描探针扫描的标准样品碳纳米管空间分布显微图像；

图7为图6中虚线的轮廓分布分辨率；

图8本发明实施例的待测样品的空间分辨率；

图9为标准样品的碳纳米管的拉曼光谱图。

附图标记说明：

10-激发光单元；101-激光元件；102-起偏元件；103-准直元件；1031-第一凸透镜；1032-第二凸透镜；104-涡旋波片；

20-表面等离激元激发单元；201-分束元件；202-物镜；

30-表面等离激元场杂化单元；

40-扫描单元；401-扫描探针；

50-检测单元；501-滤光元件；5011-第一滤光片；5012-第二滤光片；502-光谱仪；503-ccd图像传感器；

60-监控单元；

70-照明单元。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例的一种针尖增强拉曼光谱显微成像装置，如图1至图9所示，包括激发光单元10、表面等离激元激发单元20、表面等离激元场杂化单元30、照明单元70、扫描单元40、检测单元50和监控单元60；激发光单元10用于产生径向偏振光束，将产生的径向偏振光束入射至表面等离激元激发单元20上；表面等离激元激发单元20用于接收径向偏振光束，经径向偏振光束照射，利用径向偏振光束的能量后激发表面等离激元光场；扫描单元40，包括扫描探针401；扫描探针401用于对待测样品进行扫描，扫描探针还用于与表面等离激元进行杂化得到表面等离激元场杂化单元30，扫描探针与表面等离激元之间具有间隙结构(未示出)，也即本领域常见的gap结构，表面等离激元场杂化单元也即在间隙结构内形成的表面增强局域场，利用杂化效应对待测样品的拉曼光谱信号进行增强；检测单元50，用于检测待测样品的拉曼光谱并扫描成像；监控单元60，对待测样品的拉曼光谱进行成像显示；激发光单元10和检测单元50均与监控单元60连接，扫描单元40依次与检测单元50及监控单元60连接；照明单元70设置在表面等离激元激发单元20底部，用于照射待测样品。

发明人经研究发现，对于表面等离激元场杂化单元30的杂化效应对探测光谱信号的增强效果与以下几个因素有关：金属膜的厚度，影响在金属膜上激发产生的表面等离激元的强度以及是否能激发产生表面等离激元；物镜的数值孔径，影响径向偏振光的入射强度，从而影响金属膜上激发产生的表面等离激元的强度；扫描探针401与金属膜之间的间隙结构，影响表面局域场强，从而影响表面局域场强的拉曼光谱信号的强度。

表面等离激元激发单元20包括物镜202和镀于物镜202的金属膜，具体的，金属膜镀于物镜202的玻片上，该层金属膜的厚度可选为40-50nm，优选为45nm和设置在物镜202的入射端也即如图3所示的底部的分束元件201，具体地，分束元件201设置在物镜202的光束入射端与涡旋波片104之间，用于将激发光单元10产生的径向偏振光反射至物镜202，径向偏振光经物镜照射在金属膜上激发产生表面等离激元并聚焦产生表面等离激元虚拟探针。具体的，物镜202为高数值孔径物镜，高数值孔径物镜的数值孔径na需要大于1.45，比如数值孔径na＝1.49的物镜或者数值孔径na＝1.70的物镜；发明人经实验研究发现，物镜202的数值孔径对于表面等离激元的产生具有较大的影响，当在液体环境中测量时，现有的高数值孔径物镜(na＝1.25)的物镜无法在偏振光束的照射下激发产生表面等离激元，需要数值孔径na＞1.45才能有效激发产生表面等离激元，特殊情况甚至需要数值孔径na＞1.70的物镜；比如，本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置采用的物镜的数值孔径na＝1.49，激发光产生的径向偏振光经分束元件反射至物镜202后入射到待测样品，在金属膜上激发产生表面等离激元并聚焦产生表面等离激元虚拟探针。

为了能够使得本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置具有较高的信号，发明人经研究发现，金属膜的厚度对于表面等离激元的产生具有非常重要的作用，金属膜的厚度如果太薄则不能激发产生表面等离激元，金属膜的厚度太厚又会造成激发产生的表面等离激元无法穿透金属膜，无法与扫描探针401和金属膜之间的间隙结构产生杂化效应，无法形成表面等离激元场杂化单元，从而无法实现表面等离激元近场增强；本申请发明人通过多次实验优化得到的金属膜的厚度大于25nm，优选为40-50nm，更优选地的为45nm；该厚度的金属膜可以保证表面等离激元激发产生的效率和效果。对于金属膜的材质可以为现有常规的金、银或铝等，具体不做限定和描述。

对于扫描探针401与金属膜之间的间隙结构，发明人通过理论研究及多次试验优化得到，间隙结构优选为大于1nm，小于10nm，表面等离激元聚焦产生的表面等离激元虚拟探针与扫描探针在间隙结构内发生杂化效应，形成新的表面等离激元光场，局域场强度高；发明人研究得到当间隙结构小于1nm时有可能会出现隧穿效应，使得杂化场强度降低；大于10nm时，比如15nm时，发明人经研究发现该间隙结构的杂化场强度也会急剧降低，从而使得扫描探针401探测的灵敏度降低。

为保证扫描探针401的探测灵敏度，在使用时，应通过监控单元60控制扫描探针401移动，使得扫描探针401和金属膜表面激发产生的表面等离激元虚拟探针能够对准，由于表面等离激元虚拟探针在中心区域位置的强度变大，扫描探针401扫过该位置与表面等离激元虚拟探针对的越准，散射光会增强，使得扫描探针401的探测灵敏度越高，得到的拉曼光谱信号越强。表面等离激元穿透金属膜传播过程中与间隙结构杂化反应，发生耦合振荡，激发光在金属膜表面产生的表面等离激元虚拟探针与扫描探针401共同作用增强表面局域场强的拉曼光谱信号。

对于激发光单元10而言，激发光单元10包括激光元件101、起偏元件102、准直元件103和涡旋波片104，激光元件101用于产生预设波长比如可见光波长范围内均可的激光光束，激光光束入射至起偏元件102；起偏元件102将入射的激光光束转换为线偏光，线偏光入射至准直元件103；准直元件103对入射的线偏光进行扩束准直得到平行光，平行光入射至涡旋波片104；涡旋波片104将平行光转换成径向偏振光，径向偏振光入射至表面等离激元激发单元20，也即入射至物镜，照射在金属膜上激发产生表面等离激元，激光聚焦产生表面等离激元虚拟探针。具体的，如图3所示，激光元件101为但不局限于现有常见的氦氖激光器，起偏元件102为但不局限于现有的起偏器，准直元件103为但不局限正透镜组，正透镜组包括两个同轴间隔设置的第一凸透镜1031和第二凸透镜1032，第一凸透镜1031的焦距小于第二凸透镜1032的焦距，激光光束经第一凸透镜1031和第二凸透镜1032准直后输出平行光；还可以为一个正透镜和一个负透镜，只要能将激光元件101发射的光束准直输出平行光即可；在物理位置上，激光元件101、准直元件103和涡旋波片104位于同一水平直线光路上且均位于表面等离激元激发单元20的底部，也即激光光束由底部入射至表面等离激元激发单元20；更具体地，沿着光路方向上，位于涡旋波片104的后方也即如图所示的涡旋波片104的左方设有一个反射镜，该反射镜与水平方向的夹角呈135°，在该反射镜的上方还设有一个沿竖直方向设置的反射镜，反射镜的数量当然也可以为其他数量，比如一个、三个等等，径向偏振光经两个反射镜依次反射后入射至表面等离激元激发单元20。对于本发明的径向偏振光为环形涡旋光束，能有效的利用入射光的能量去激发表面等离激元光场，并聚焦得到表面等离激元虚拟探针。

对于表面等离激元激发单元20，包括物镜202、金属膜(未示出)和分束元件201，分束元件201半反半透结构，为但不局限于现有常规的分束镜或二向色镜，分束元件201设置在物镜202的底端，位于激光光束的光路上，分束元件201与水平方向呈135°角布置，径向偏振光入射至分束元件201后，分成两部分，分别为第一光束和第二光束，第一光束反射后竖直入射至物镜202，第二光束经分束元件201透射出去。对于物镜202而言，物镜202的玻璃基底上镀有一层金属膜，待测样品放置在玻璃基底上，表面等离激元在待测样品与金属膜的分界面之间产生并穿透金属膜进入到间隙结构内与扫描探针上的金属膜产生杂化效应以形成表面等离激元场杂化单元30，本发明的表面等离激元场杂化单元是表面等离激元的增强模式。

激光光束入射至物镜202上的金属膜上，扫描探针401探测待测样品的拉曼散射光并在物镜202耦合作用下得到耦合光，耦合光反射至分束元件201后经滤光元件501透射至检测单元50，由监控单元60对待测样品的拉曼光谱进行成像显示。具体的，在分束元件201的反射光路上依次设置有滤光元件501、透镜、光谱仪502和ccd图像传感器503，在物理位置上，分束元件201、滤光元件501、透镜、光谱仪502和ccd图像传感器503在同一水平直线光路，该水平直线光路与上述的激发光单元10的各部件的水平直线光路平行；滤光元件501包括第一滤光片5011也即如图3中位于左侧的滤光片和第二滤光片5012也即图3中位于右侧的滤光片，两个左右对称布置的滤光片构成滤光元件，左侧的滤光片也即第一滤光片5011与水平线呈夹角布置比如135°，右侧的滤光片也即第二滤光片5012与水平线呈夹角布置比如45°，激光光束经反射镜反射至第一滤光片5011上反射至分束元件201，因此激光光束入射至金属膜上的光路和待测样品反射的光路有部分是重合的，也即分束元件201与滤光元件501之间的光路，缩减了光路，结构更加紧凑。对于滤光元件、透镜的结构和工作原理在此不做限定和描述；光谱仪502也为现有的常规的拉曼光谱仪，具体结构和工作原理不做限定和描述。滤光元件设置的目的在于将激发光波长过滤掉，只允许待测样品的拉曼光谱波长通过并入射至光谱仪和ccd图像传感器上。滤光元件501可以过滤掉经金属膜反射的待测样品的光，使得探测光透射并入射至光谱仪502和ccd图像传感器503。

本发明还包括扫描平台(未示出)，扫描探针401可移动地设置在扫描平台上，扫描平台与监控单元60连接，实现监控单元60和图像传感器503及扫描平台的同步；扫描平台上设有放置待测样品，监控单元60可以控制扫描探针401移动对待测样品进行扫描探测，从而得到待测样品的拉曼光谱图，并在监控单元60上成像显示；扫描探针401依次和光谱仪502、监控单元60连接，通过扫描探针401探测将待测样品的样品表面形貌及光谱信息并传输给光谱仪，光谱仪用于检测待测样品的拉曼光谱并用于待测样品的拉曼光谱扫描成像，并将待测样品的拉曼光谱扫描成像传输给监控单元60进行成像显示。可选的，本发明的扫描平台为但不局限于原子力显微镜，扫描探针401为但不局限于原子力显微镜探针，由于原子力显微镜的精度较高，本发明优选为原子力显微镜和原子力显微镜探针；本发明的扫描探针为金属探针或镀有金属膜的探针。扫描探针401可以通过现有常规的原子力显微镜探针微悬臂(未示出)设置在扫描平台上，具体结构和工作原理在此不做限定和描述。

本发明的监控单元60包括控制系统(未示出)和显示系统(未示出)，本发明优选为计算机或电脑。

本发明的照明单元70包括照明光源，分束镜、透镜和摄像机，照明光源、分束镜和分束元件201处于同一竖直光路，分光镜位于分束元件底部且与水平线呈45°夹角布置，摄像机设置在分束镜的左侧，透镜位于分束镜与摄像机之间，透镜、摄像机和分束镜位于同一水平直线光路上；经样品反射的光通过分束元件201后部分透射并经分束镜反射至摄像机。照明光源优选为白光光源。

本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的拉曼光谱信号增强可以通过光谱仪测试的待测样品的拉曼光谱图得知，如图4所示，图中a表示的是本发明的显微成像装置探测得到的待测样品的拉曼光谱信号强度，b表示的是采用金属膜上聚焦形成虚拟探针，通过虚拟探针探测得到的待测样品的拉曼光谱信号强度；如图5所示，图中c表示的传统的拉曼光谱显微装置也即没有虚拟探针探测得到的待测样品拉曼光谱信号强度，图中d表示的是既没有金属膜产生表面等离激元虚拟探针也没有扫描探针与金属膜之间形成间隙结构探测得到的待测样品的拉曼光谱信号强度，由图4和图5可以明显看出本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的拉曼光谱信号强度更高。

本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置的分辨率也得到了增强，如图6至图9所示，本发明采用碳纳米管作为标准样品对分辨率进行了标定，图6为采用本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置扫描得到的纳米管空间分布显微图像；图7为对应图6中虚线的轮廓分布，横坐标表示的是碳纳米管的空间位置，这里用空间位置表示碳纳米管的空间尺寸，纵坐标表示的是碳纳米管的高度，得到扫描的分辨率为43nm；图8为采用本发明的针尖增强拉曼光谱显微成像装置扫描待测样品得到的空间分辨率达到13.5nm；图9对应的是标准样品碳纳米管的拉曼光谱。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。