[发明专利]一种等离激元耦合的表界面原位光谱与成像测试系统

说明书

本发明提出了一种等离激元耦合的表界面原位光谱与成像测试系统，该系统在改变激光入射角的同时记录反射光强或者光谱，当入射激光角度刚好以棱镜耦合的方式在光学近场范围内激发银膜的表面等离极化激元，将观察到反射光强度达到最低点，即为表面等离激元共振，保持入射光在共振角激发样品，此时在银膜表面的目标分子体系会对束缚在近场范围的电磁表面波进行散射和吸收，将光信号重新发射到远场。该系统通过采集这些光信号，实现了表面等离激元共振，表面增强拉曼散射光谱，全内反射荧光光谱和成像等技术的原位联用。

技术领域

本发明属于表界面光谱分析领域，具体涉及一种等离激元耦合的表界面原位光谱与成像测试系统。

背景技术

研究和理解表界面物理化学过程对推动包括光电催化，传感检测，集成光电子器件等在内的很多学科领域均具有重要意义。各种各样的技术手段在表界面科学探索的过程中被陆续建立起来，例如电子显微镜，扫描探针显微镜，光电子能谱，电化学技术等在不同层面给出了有关表界面的信息。而光谱学作为一种重要的研究手段，兼具低损伤，原位，操作环境宽松，反应物质结构信息等优势，在表界面科学中得到了广泛而深入的发展。

拉曼光谱和荧光光谱是表界面分析中应用最多的两种光谱技术，拉曼光谱作为一种指纹光谱，与化学环境中分子的振动模式有关，通过分析拉曼光谱的峰位，峰强和半峰宽等信息可以获取表界面分子的结构和取向变化。并且随着表面增强拉曼光谱技术的发展，拉曼光谱的灵敏度得到显著提高，通过构筑合适的拉曼增强基底，选择高效的激发和采集方式，单分子水平的拉曼分析检测已经成为现实。荧光光谱和成像在表界面物理化学过程的研究中是一种普适性很强的技术，一方面荧光光谱反映了物质的激发态信息，通过分析荧光光谱可以取得分子间相互作用的间接证据，另一方面可以利用荧光标记方法对表界面物理化学过程进行高灵敏的检测和追踪，比如获取目标分子在空间中的分布，检测分子和基底之间的结合事件等等。

表界面问题自身的特点对分析方法提出了很高的要求，首先表界面研究中关心的是界面附近微纳米尺度范围内的区域，为了屏蔽来自界面以外的信号或者背景噪声的干扰，所选技术应该在垂直界面的方向上具有较高的空间分辨率。另一方面，由于表界面问题中的分析对象往往是单层或者少层分子构成的薄膜，分析技术必须具备足够高的灵敏度以实现对低浓度目标物质信号的采集。最后发生于表界面的物理化学过程是高度复杂的，为了对这类问题进行解析，需要多种分析技术的配合使用，从而实现在不同维度上对目标进行表征。

表面等离激元为克服上述问题提供了一种有效的解决方法，首先电磁场在垂直于金属-介质界面方向具有很小的穿透深度，从而将光谱检测范围有效的限制到了界面区域。另一方面，由于等离激元的光场调控能力，可以实现激发场能量在热点区域的高度集中，这种电磁场效应可以显著的增强拉曼和荧光光谱信号的强度。

现有技术中专利CN1657914A以及学术文章(Liu,Yu,et al.Review ofscientific instruments 81.3(2010):036105.)，在这两份工作中建立了一种SPR-SERS原位测试装置，本发明与其不同之处在于三方面，1.使用棱镜反射侧而非空气透射侧收集拉曼信号，从而有效利用等离激元的定向发射效应。2.在反射臂添加偏振分束棱镜，可以同时测量S和P两种偏振的光信号，可以应用到界面分子取向有关的研究中去。3.本发明除应用于测试SPR和SERS以外，还可以进行全内反射荧光光谱和成像测试，实现了SPR-SERS-TIRF三种技术的配合使用。4.本发明中激发光通过光纤耦合到系统中，而非将激光器直接固定在入射臂上，从而可以方便的切换激发波长。

发明内容