CN100498299C - 表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪 - Google Patents

Abstract

本发明的表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪属分析实验设备领域。主要结构有：激光光源21及可调整激发角度和偏振状态的测角仪和偏振片22构成光源***1；由直角形或半圆形或半球形的棱镜23和具有SERS活性的基片24构成样品台2；由分光仪+CCD检测器组成的SERS信号检测***；SPR信号检测器安装位置与光源***1分居棱镜23两侧。本发明采用变角内反射谱方式检测SPR，同时在消逝场中对样品激发得到SERS谱，可以同步在共振增强角度下获得SPR谱和进一步增强的SERS谱，在暗背景下测量SERS信号可以获得更高的SERS检测灵敏度和信噪比。

Description

表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪

技术领域

本发明属分析实验设备领域。特别涉及一种激光拉曼光谱与表面等离子共振吸收光谱同步检测的装置。

背景技术

在发现表面增强拉曼光谱(简称：SERS)效应后的30年里，尽管各种SERS活性基底表面或纳米颗粒产生的表面等离子体共振光谱(简称：SPR)和SERS在电磁增强机理上有着紧密的联系，但是很少有人把它们联合测定并分析其相互关系。近两年来，随着这两项技术的快速发展，特别是人们对纳米微粒和薄膜特殊的尺寸效应认识的不断深入，这个问题才开始引起关注。SPR-SERS光谱仪的研制将为SERS机理的研究提供重要的实验依据，也将成为深入研究表面和界面、纳米结构与特性的重要技术手段。

与本发明相近的现有技术，是日本关西学院大学Ozaki(尾崎幸洋)小组设计的SPR-SERS检测光谱仪。其主要结构可见图1，光源***1为双光源，11为白光光源，12为激光光源；2为样品台，3为银粒子或者银单个聚集体，是吸附了SERS活性分子的银颗粒；4为显微镜***，其中13为物镜，14为滤波器，15为偏振器，16为透镜，17为反射镜，18为光阑，19为目镜；5为信号检测***，包括多色仪+CCD检测器。Ozaki(尾崎幸洋)小组考虑到位于纳米颗粒连接处的电场大小与入射光的偏振情况有关，采用暗场显微镜实验装置，在吸附了SERS活性分子的银聚集体上的同一位置分别作出了不同偏振角度下的激光激发SERS谱和白光激发的SPR谱，研究结果发现随着偏振角不同，SPR和SERS同时增大或减小。他们在同一装置上，既观测到当SPR带的峰位向较高能量迁移，又观测到SERS强度增加。

0zaki小组设计搭建的SPR-SERS检测光谱仪与本发明的最大不同在于二者的测试目的和方法上的差异，也就是二者检测的信息所反映的物理意义不同。0zaki小组SPR-SERS检测光谱仪是用于讨论单个聚集体或粒子的SPR吸收特性与吸附在该粒子上的探针分子的SERS(或者SERRS)效应的关系；而本发明用于同时检测纳米金属膜层材料对某一波长激发光产生SPR共振吸收的角度，以及在SPR共振吸收角度下该材料与吸附分子作用产生的SERS效应。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：设计特殊的仪器结构，使其可以同时检测吸附纳米金属膜层材料上的被检测样品对某一波长激发光产生SPR共振吸收的角度，以及在SPR共振吸收角度下该材料与吸附分子作用产生的SERS效应。

在通常的SERS技术中激发光与样品的角度可以有90度和180度背散射等配置，没有考虑SERS增强因子与SPR共振吸收的角度关系。本发明采用变角内反射谱方式检测SPR，同时在消逝场中对样品激发得到SERS谱。由于在SPR共振吸收角度下可以获得较大的SERS增强因子；本仪器结构可以同步获得SPR和进一步增强的SERS谱。由于采用内反射谱方式在消逝场中对样品激发，在暗背景下测量SERS信号，使得非SERS信号被抑制，可以获得更高的SERS检测灵敏度和信噪比。

表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪的具体结构为：光源***，包括激光光源，可调整激发角度和偏振状态的光学机构——测角仪和偏振片，样品台是直角形或半圆形或半球形的棱镜，在棱镜的底面上复合用银或金修饰的具有SERS活性的基片。SPR信号检测器，由分光仪及CCD检测器组成的SERS信号检测***。SPR信号检测器安装位置与光源***分居棱镜两侧；SERS信号检测***置于棱镜底面面对样品，在激光光源另一侧接收被测样品产生的SERS信号。

整套仪器工作时以激光入射角为变量检测SPR谱，在暗场观测角度检测拉曼光谱。

光源***中的测角仪可以采用θ—2θ测角仪结构或双环同步测角仪结构；SERS信号检测***是中焦距的多色仪+CCD检测器，也可以采用单色仪和单光子计数***。SERS信号的收集可以采用透镜耦合/光纤探头或显微镜成像装置。

本发明的检测样品需要预处理，被检测样品首先放置(或者通过物理化学作用吸附)在用银或金修饰的具有SERS活性的基片上，然后将该基片固定在一???个直角形或半球形的棱镜上；

棱镜既承载样品基片，又是耦合激发光及SPR和SERS两种同时发生光谱的媒介。由于棱镜采用直角形或半球形，保证任何角度的入射光激发样品的位置不变。

本发明的装置还可以包括采用流体进样***，从而可以实现流体实时检测。

基片的制备需要满足SPR和SERS检测两方面的要求。采用真空镀膜、纳米组装等方法将通常用于SPR测试的基片修饰成具有SERS活性的基底，使其既适合于SPR测试又适合表面增强拉曼光谱测试。研究高SERS活性基底的结构特征，制备具有较高SERS活性的修饰层，使其在界面与表面、纳米结构分析和芯片分析化学研究中获得应用。制备用银或金修饰的具有SERS活性的基片的具体方法是：

①真空蒸镀金属膜方法：将干净的石英或玻璃基片置于真空镀膜装置中，在一定真空条件下，将金属熔融气化，蒸镀在基底表面形成金属层。

②超分子静电组装的制作方法具体如下：1，将玻璃或者石英基片放入浓硫酸双氧水溶液(体积比为31)中煮至没有气泡产生，此时光纤内表面为羟基(—OH)化处理的表面；2，将富集正电荷的聚合物(如Poly(dially-dimethylammonium chloride简称PDDA)通过与羟基的作用被固定在表面；3，将表面带负电荷的金溶胶或银溶胶通过与聚合物之间的静电作用沉积在基底上，4，通过在位还原银(金)方法——用硼氢化钠、柠檬酸钠、对苯二酚、羟胺等还原剂还原硝酸银(氯金酸)，使溶胶粒子长大变厚，直至适合SERS检测的厚度；或直接生长适宜尺度的溶胶粒子。

③化学反应组装修饰层的方法如下：处理与静电组装方法组装的1，2步骤相同，然后将基片放入硝酸银和碘化钠溶液中，生成碘化银溶胶，该溶胶表面为负电荷，吸附在PDDA上，形成定粗糙程度的碘化银溶胶。最后用还原剂(如静电组装方法3中列举)将碘化银溶胶还原成银粒子，从而完成对基底表面的修饰。

本发明设计的实验装置与背景技术涉及的独立SPR谱仪和拉曼光谱仪器有几点不同：

(1)与传统的独立的SPR谱仪器以及独立的Raman光谱仪相比较，本发明采用了复合的仪器结构，除了具备两类仪器各自的基本功能外，还具有同步检测功能，其独特之处是可以在共振增强角度下对样品激发得到SERS光谱。

(2)与背景技术中描述的zaki小组的实验装置相比较，与本发明的最大不同在于二者的测试目的和方法上的差异，也就是二者检测的信息所反映的物理意义不同。背景技术中的SPR-SERS检测光谱仪中的SPR谱是针对单个粒子或者聚集体，采用的是白光光源照射、吸收谱方式检测，SERS光谱为激光直接照射样品激发SERS信号。而本发明的SPR光谱针对表面膜层材料，在某一波长(使用的是激光)特定的吸收角度下的反射谱，SERS光谱为通过消失场激发样品的SERS信号。背景技术中的SPR-SERS检测光谱仪检测的SPR光谱研究目的是反映由单个粒子或者单个聚集体SPR吸收特性(该特性是由纳米尺寸导致的)与粒子的表面增强性质之间的关系。而本发明是用于同时检测纳米金属膜层材料对某一波长激发光产生SPR共振吸收的角度，以及在SPR共振吸收角度下该材料与吸附分子作用产生的SERS效应。

(3)背景技术中激发光与样品的角度通常为0-90度等配置的前表面激发，本发明采用采用内反射谱方式在消逝场中对样品激发，在暗背景下测量SERS信号，使得非SERS信号被抑制，可以获得更高的SERS检测灵敏度和信噪比。

附图说明

图1是背景技术的SPR-SERS检测光谱仪

图2是本发明的表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的SPR-SERS联合测试仪装置进行进一步说明。

实施例1

见图1，1为光源***，由激光光源21构成，其后是可调整激发角度和偏振状态的光学机构，包括测角仪(图1中未画出)和偏振片22，测角仪可以采用θ—2θ测角仪结构或双环同步测角仪结构。2为样品台，样品台2采用直角形或半圆形或半球形的棱镜23，在棱镜的底面上复合用银或金修饰的具有SERS活性的基片24，25为银或金材料的修饰膜，被测样品26放置在基片24上，27表示消失波，28表示表面等离子体波。4为显微镜***，其中13为物镜，14为滤波器，15为偏振器，16为透镜，17为反射镜18为光阑，19为目镜；5为SERS信号检测***，信号检测***包括多色仪+CCD检测器，采用光纤探头或显微镜装置收集SERS信号。6为SPR信号检测器。

本发明的表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪工作时，激光光源21发出的单色光经偏振片22垂直棱镜23表面入射到棱镜23的底面，反射光垂直棱镜23相对称的表面到达SPR信号检测器6，得到被测样品的表面等离子体共振光谱图。单色光入射到棱镜23底面后的透射光经被测样品26得到的SERS信号，经显微镜***4被SERS信号检测***5接受，从而得到被测样品26的表面增强拉曼光谱。本发明通过测角仪改变激发角度，在SPR最大共振吸收点处检测SERS光谱，在此角度SERS增强因子为最大值，即可以同步获得最强的SPR和SERS谱。

实施例2

流体进样***可以由包括步进电机、放置在棱镜23底面上的样品池、样品回收池及输液管道等装置构成。

Claims (2)

1、一种表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪，结构有光源***(1)，样品台(2)，显微镜***(4)，SERS信号检测***(5)；其中显微镜***(4)中有物镜(13)、滤波器(14)、偏振器(15)、透镜(16)、反射镜(17)、光阑(18)和目镜(19)；SERS信号检测***(5)包括多色仪及CCD检测器；其特征在于，光源***(1)是单一的激光光源(21)，其后是可调整激发角度和偏振状态的光学机构，包括测角仪和偏振片(22)；样品台(2)是直角形或半圆形或半球形的棱镜(23)，在棱镜(23)的底面上复合用银或金修饰的具有SERS活性的基片(24)，被测样品(26)放置在基片(24)上；SPR信号检测器(6)的安装位置与光源***(1)分居棱镜(23)两侧；SERS信号检测***(5)置于棱镜(23)底面面对被测样品(26)，在激光光源(21)另一侧接收被测样品(26)产生的SERS信号。

2、按照权利要求1所述的表面等离子体共振与表面增强拉曼联合光谱测试仪，其特征在于，所说的测角仪采用θ—2θ测角仪结构或双环同步测角仪结构；所说的SERS信号检测***(5)是320mm焦距的单色仪和光电倍增管单光子计数***，采用光纤探头或显微镜装置收集SERS信号。

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