一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的制作方法

本发明涉及拉曼探测领域，尤其涉及一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置。

背景技术：

拉曼光谱检测技术是利用拉曼光谱来研究分子振动、转动的一种光谱学方法，光子照射到分子上时，会与被检测物质分子发生相互作用，产生散射光，散射光谱可以表征分子振动或转动能级差的特征频移，从而来反应物质中分子结构和成分。

然而，由于拉曼信号是个弱信号，导致有些样品直接测试的信号太弱，不容易判别。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置，包括：激光源、选模装置和法布里珀罗腔，所述激光源用于向所述法布里珀罗腔发射激光，所述选模装置用于对所述激光进行选模，压窄所述激光的线宽，所述法布里珀罗腔用于对选模后的所述激光进行振荡增强，所述法布里珀罗腔内中央设置有待测样品，用于根据增强后的所述激光产生拉曼散射。

本发明的有益效果是：本发明提供的腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置通过使用能量相对较小的激光光源，经过选模后，通过法布里珀罗腔对激光进行振荡增强，从而能够在法布里珀罗腔内中央的待测样品上产生较强的光激发，由于待测样品产生的拉曼散射作用，激光增强也会相应增强拉曼信号强度，从而便于判别。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：

一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置，包括：短腔激光源和法布里珀罗腔，所述短腔激光源的腔长小于预设值，所述短腔激光源用于向所述法布里珀罗腔发射选模后的激光，所述法布里珀罗腔用于对选模后的所述激光进行振荡增强，所述法布里珀罗腔内中央设置有待测样品，用于根据增强后的所述激光产生拉曼散射。

本方案提供的腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置通过使用能量相对较小的经过选模后的激光光源，通过法布里珀罗腔对激光进行振荡增强，从而能够在法布里珀罗腔内中央的待测样品上产生较强的光激发，由于待测样品产生的拉曼散射作用，激光增强也会相应增强拉曼信号强度，从而便于判别。

本发明附加的方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明实践了解到。

附图说明

图1为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的实施例提供的结构示意图；

图2为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的实施例提供的激光二极管结构示意图；

图3为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的实施例提供的选模装置结构示意图；

图4为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的实施例提供的选模装置结构示意图；

图5为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的其他实施例提供的结构示意图；

图6为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的其他实施例提供的透射式光栅结构示意图；

图7为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的其他实施例提供的反射式光栅结构示意图；

图8为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的其他实施例提供的短腔激光源结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

拉曼散射是光照射到物质上发生的非弹性散射所产生的。在非弹性碰撞过程中，光子与分子之间发生能量交换，光子不仅仅改变运动方向，同时光子的一部分能量传递给分子，或者分子的振动和转动能量传递给光子，从而改变了光子的频率，也就改变了散射光的波长，这种散射过程称为拉曼散射。对同一物质拉曼位移与入射光频率无关；对不同物质，拉曼位移不同，因此可以从散射光波长位移大小识别被测物质。由此可知，拉曼光谱可以对物质进行定性分析、定量分析和结构分析。

拉曼信号极弱，因此，拉曼增强手段有较强的现实意义。常见的拉曼信号增强手段主要是表面增强拉曼光谱(surface-enhancedramanspectroscopy，sers)技术。sers增强是物理增强和化学增强两种作用叠加的结果。

表面等离子体共振理论认为金属表面在在入射光电场的作用下，其附近的类自由电子会产生疏密振动。金属表面等离子体在外电场的作用下可以自由流动并能被相应的激发，当入射光的频率与表面等离子体的自然振动频率相匹配时，就会产生大量电场。表面等子体共振效应被公认为是sers信号增强的主要来源。通过物理增强机制可以获得10⁴～10¹⁰倍的信号增强。

sers的化学增强机制主要是由于被分析物和金属表面间的电子耦合效应改变了分子的极化率，并形成了拉曼散射中的表面共振媒介所造成的。化学增强主要受金属表面电势的影响，通过该机制可获得约10²倍的信号增强。

该方法有一定的限制，在应用sers进行探测时其信号强度受限于sers基底，且拥有sers活性的金属种类较少，目前主要是贵重金属(金、银、铜)和碱金属(锂、钠、钾)基底上观测到的增强较强烈；其次，分子不同的振动模式获得的增强程度不同，吸附分子的大多数拉曼振动峰的强度并不发生显著变化，但被增强的谱峰相对未增强的散射峰的相对强度存在较大的差别；最后，要获取较好的sers增强，需要依据sers基底的材料种类，sers基底表面微纳米结构以及被测分子的特性等众多因素来选择最佳的激发光波长。

由此可知，一般的sers增强方法的限制因素较多，因而本发明提出的方案从激光能量本身入手，同样可给拉曼信号提供多数量级的增强，并且具有便携、稳定、适用于多种探测物的优点。

大功率窄线宽激光成本极高，且相对于常见较低价格激光器的功率来说，对信号提升的效果较弱，无应用价值。本方法将样品放在振荡增强的谐振腔内，实际发射到待测样品上的激光能量与在谐振腔内多次振荡最后发出的大功率激光相比有数量级上的增强，下面具体说明。

如图1所示，为本发明腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置的实施例提供的结构示意图，该腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置包括：激光源1、选模装置2和法布里珀罗腔3，激光源1用于向法布里珀罗腔3发射激光，选模装置2用于对激光进行选模，压窄激光的线宽，法布里珀罗腔3用于对选模后的激光进行振荡增强，法布里珀罗腔3内中央设置有待测样品4，用于根据增强后的激光产生拉曼散射。

其中，激光源1可以选择能量较小的激光光源，例如，可以为二极管激光光源、he-ne激光器等。

如图2所示，给出了一种示例性的激光二极管的结构，由上到下依次为p型砷化镓11、pn结12、n型砷化镓13和散热片14，p型砷化镓11接电源正极，n型砷化镓13接电源负极，谐振腔设置在两端。激光二极管是一种半导体激光器，是向半导体pn结注入电流，实现粒子数反转分布，产生受激辐射，再利用谐振腔的正反馈，实现光放大而产生激光振荡。

可选地，实际应用过程中，可以根据实际需求采用连续激光，例如，采用785nm激光，对应的激光光频率为3.82*10¹⁴hz。

应理解，为了压窄激光的线宽，需要选取激光纵模，能够实现选模的装置有很多，例如，可以通过光栅进行选模，还可以通过法布里珀罗标准具进行选模，或通过三反射镜进行选模。

例如，通过法布里珀罗标准具进行选模，如图3所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿近乎垂直于腔轴方向插入一个法布里珀罗标准具5，标准具5是用透射率很高的材料制成的，两个端面被研磨得高度平行，且镀有高反射率的反射膜，标准具5的侧面法线与谐振腔轴线之间呈一个很小的夹角φ，将标准具5插入到激光器的腔内时，产生激光振荡的频率，不仅需要符合谐振条件，还需要对标准具5有最大的透射率，就可以起到选模的作用。

又例如，通过三反射镜进行选模，如图4所示，激光器的一端的反射镜被三块反射镜的组合代替，其中，m3与m4为全反射镜，m2为具有适当透射率的部分透射反射镜，这个组合相当于两个谐振腔的耦合：一个谐振腔由m1与m3组成，其腔长为l1+l2；两一个谐振腔由m3与m4组成，其腔长为l2+l3。如果l2、l3较短，就形成了一个短谐振腔和一个长谐振腔的耦合，只有同时满足短谐振腔和长谐振腔的纵模频率间隔的光才能形成振荡，故只要l2+l3足够小，就能够获得单纵模输出，实现压窄激光的线宽。

应理解，法布里珀罗腔3，是最简单的光学谐振器结构。它是一种典型的光学谐振腔，指的是平行平面腔，通常可以由两块反射镜组成。稳定的光学平面腔结合工作物质即可产生粒子数反转，通过受激辐射产生激光。

通常，对于窄线宽的半导体激光器而言，要保证线宽足够窄，通常不能采用堆栈技术，然而其单管输出功率又是有限的，因此，难以获得功率足够大且线宽足够窄的激光，不仅制备难度大，且成本高昂，无法广泛应用。而本申请中，通过透镜组对单管激光器输出的激光进行增强，从而解决了这一问题。

本实施例提供的腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置通过使用能量相对较小的激光光源，经过选模后，通过法布里珀罗腔3对激光进行振荡增强，从而能够在法布里珀罗腔3内中央的待测样品4上产生较强的光激发，由于待测样品4产生的拉曼散射作用，激光增强也会相应增强拉曼信号强度，从而便于判别。

可选地，在一些实施例中，如图5所示，激光源1包括：激光二极管10和准直镜20，激光二极管10用于产生激光，准直镜20用于对激光进行准直。

应理解，由于激光二极管10发光面的快方向发散角大，慢方向发散角小，因而需要在激光二极管10前端加装准直镜20，经准直后快方向的发散角较小。

可选地，在一些实施例中，选模装置2包括：体布拉格光栅，体布拉格光栅设置在准直镜与法布里珀罗腔3之间，用于对激光进行选模。

需要说明的是，准直镜20到体布拉格光栅的距离、体布拉格光栅到高反镜的距离以及两个高反镜之间的距离可以根据实际需求设置，例如，准直镜20到体布拉格光栅的距离可以为10mm，体布拉格光栅到高反镜的距离可以为20mm，两个高反镜之间的距离可以为20mm。

可选地，在一些实施例中，如图5所示，法布里珀罗腔3包括：第一高反镜31和第二高反镜32，第一高反镜31与第二高反镜32平行相对设置，激光从第一高反镜31的外表面射入，在第一高反镜31与第二高反镜32的内表面之间振荡。

可选地，在一些实施例中，第一高反镜31和第二高反镜32的反射率大于99.995％。

可选地，在一些实施例中，如图6所示，体布拉格光栅可以为透射式光栅21。

可选地，在一些实施例中，如图7所示，体布拉格光栅为反射式光栅22。

需要说明的是，光栅的作用主要是色散后可反射某特定窄线宽激光回腔体，对激光进行选模。因此可使用透射式光栅21，也可使用反射式光栅22。如果采用反射式光栅22，需要光栅对腔内激光的反射率很高。如果采用透射式光栅21，需要光栅自身反射率很高。如果使用反射式光栅22，则光栅前应增加反射镜23，反射镜23接近全反射，输出光能量较少。

可选地，在一些实施例中，体布拉格光栅的反射率大于预设值，例如，可以大于99.995％。

可选地，在一些实施例中，还包括：拉曼检测仪，拉曼检测仪设置在法布里珀罗腔3的侧面，用于采集待测样品4产生的拉曼散射光，根据拉曼散射光得到待测样品4的拉曼光谱。

需要说明的是，拉曼检测仪的具体位置可以根据实际需求设置，设置在样品侧面接收逸出的散射光即可。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

在本发明的其他实施例中，如图8所示，还提供一种腔内可用于生物探测的荧光和拉曼探测装置，包括：短腔激光源1和法布里珀罗腔3，短腔激光源1的腔长小于预设值，短腔激光源1用于向法布里珀罗腔3发射选模后的激光，法布里珀罗腔3用于对选模后的激光进行振荡增强，法布里珀罗腔3内中央设置有待测样品4，用于根据增强后的激光产生拉曼散射。

应理解，预设值可以根据实际需求设置。

由谐振腔的原理可知，两相邻纵模间的频率差为：

其中，μ为腔外气体介质的折射率，c为光速，l为腔长。

由此可知，纵模频率间隔和谐振腔的腔长成反比，想要得到单一纵模的输出，只要缩短腔长，使δν的宽度大于增益曲线阈值以上所对应的宽度即可。例如，在he-ne激光器中，其荧光谱线δνf约为1500mhz，若激光器腔长为10cm，则纵模间隔δν为1500mhz，因此，对于he-ne激光器，只要做到腔长小于10cm，就能够得到单纵模输出。

得到单纵模输出后，通过法布里珀罗腔3对小能量的激光进行增强，从而能够在法布里珀罗腔3内中央的待测样品4上产生较强的光激发，由于待测样品4产生的拉曼散射作用，激光增强也会相应增强拉曼信号强度，从而便于判别。

可选地，在一些实施例中，短腔激光源1包括：激光二极管和准直镜，激光二极管用于产生激光，准直镜用于对激光进行准直。

可选地，在一些实施例中，法布里珀罗腔3包括：第一高反镜和第二高反镜，第一高反镜与第二高反镜平行相对设置，激光从第一高反镜的外表面射入，在第一高反镜与第二高反镜的内表面之间振荡。

可选地，在一些实施例中，第一高反镜和第二高反镜的反射率大于99.995％。

可选地，在一些实施例中，还包括：拉曼检测仪，拉曼检测仪设置在法布里珀罗腔3的侧面，用于采集待测样品4产生的拉曼散射光，根据拉曼散射光得到待测样品4的拉曼光谱。

可以理解，在一些实施例中，可以包含如上述各实施例中的部分或全部可选实施方式。

需要说明的是，上述各实施例是与在先产品实施例对应的产品实施例，其区别仅在于激光源1不同，其各可选实施方式的说明可以参考上述实施例中的对应说明，在此不再赘述。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。