一種并列雙針尖增強的拉曼光譜掃描成像方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種并列雙針尖增強的拉曼光譜掃描成像方法。
【背景技術(shù)】
[0002]針尖增強拉曼光譜(Tip-enhance Raman Spectroscopy)是一種基于掃描探針顯微鏡改進得到的具有超高靈敏度物性檢測能力的拉曼光譜掃描探針成像技術(shù)。通過在掃描探針顯微鏡上增加拉曼光譜探測系統(tǒng)，利用金屬掃描探針可以對針尖周圍的拉曼信號增強的原理，使用拉曼光譜儀探測針尖周圍被放大的微弱的拉曼信號，繼而實現(xiàn)拉曼信號的掃描成像，可以分辨出在空間分布的不同分子，廣泛應(yīng)用于光學(xué)表面檢測、化學(xué)單個分子檢測、生物細(xì)胞膜表面分子檢測等領(lǐng)域。
[0003]通常的針尖拉曼增強即指單針拉曼增強，它是利用金屬掃描探針針尖的局域等離子激元效應(yīng)增強距離針尖13~50nm范圍的拉曼信號至原來的10 9倍。單針拉曼增強具有能夠?qū)崿F(xiàn)納米精度的成像、實現(xiàn)納米精度的物性檢測。但是還存在缺點:由于拉曼信號的強度還不是特別理想，因此在檢測單個化學(xué)鍵時，就需要金屬掃描探針針尖與金屬基底近距離相互作用，這樣就會對測量范圍產(chǎn)生很大限制，目前的具體做法是把單個化學(xué)分子鋪在金屬基底表面，金屬掃描探針與金屬基底之間的距離必須保持為幾個納米，利用金屬掃描探針、金屬基底與入射光之間的等離子增強作用，進行單個化學(xué)分子的拉曼探測。因此這種方法只局限與微小的化學(xué)分子的檢測，并不適用于具有一定高度的物體表面的分子檢測，例如細(xì)胞膜表面的生物單分子檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種成本低、操作方便、可實現(xiàn)細(xì)胞膜表面的單分子檢測的并列雙針尖增強的拉曼光譜掃描成像方法。
本發(fā)明的目的通過以下的技術(shù)措施來實現(xiàn):一種并列雙針尖增強的拉曼光譜掃描成像方法，其特征在于具體包括以下步驟:
⑴采用掃描探針顯微鏡單元和拉曼光譜單元，安裝在掃描探針顯微鏡單元的探針微位移調(diào)節(jié)臺上的金屬掃描探針為一對，該對金屬掃描探針分別與水平面呈夾角設(shè)置組成并列雙針尖探針，調(diào)節(jié)探針微位移調(diào)節(jié)臺使并列雙針尖探針的針尖接觸樣品；
⑵開啟拉曼光譜單元的激光器，使激光器發(fā)出的激光束通過掃描探針顯微鏡單元的第二顯微物鏡的光斑匯聚在并列雙針尖探針的針尖上，使得金屬掃描探針之間發(fā)生等離子雜化效應(yīng)以激發(fā)拉曼信號；
⑶調(diào)節(jié)金屬掃描探針在樣品的掃描區(qū)域中各點的停留時間與拉曼光譜單元的拉曼光譜儀的每個光譜的曝光時間相匹配，使拉曼光譜儀連續(xù)記錄光譜數(shù)據(jù)；
⑷耦合拉曼信號通過濾光片進入拉曼光譜儀的信號接收端口，控制掃描探針顯微鏡單元的樣品微位移臺帶動樣品進行掃描；
(5)從拉曼光譜儀上獲得拉曼光譜成像，從而實現(xiàn)樣品表面單分子的拉曼光譜探測。
[0005]本發(fā)明利用兩個金屬掃描探針構(gòu)建成滿足條件的結(jié)構(gòu)，構(gòu)成具有等離子雜化效應(yīng)增強作用的并列雙針尖拉曼光譜掃描成像技術(shù)?？捎糜谖矬w(樣品)表面單分子拉曼光譜檢測，具體是采用金屬掃描探針之間產(chǎn)生的等離子雜化效應(yīng)代替現(xiàn)有技術(shù)中金屬掃描探針和金屬基底之間的等離子增強效應(yīng)，繼而實現(xiàn)物體表面單分子的拉曼信號的檢測，能夠?qū)⒗盘栐鰪娭猎瓉淼?0 11倍，理論上可以達(dá)到單針尖增強拉曼光譜掃描成像技術(shù)的100倍以上。因此能夠適用于細(xì)胞膜表面的分子檢測與成像。與現(xiàn)有的單針尖增強拉曼光譜技術(shù)相比，本發(fā)明具有更高的拉曼信號的信噪比。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進，根據(jù)金屬針尖的等離子雜化效應(yīng)的特性，為了得到更好的增強效果，各金屬掃描探針的材料為金(Au)，且各金屬掃描探針針尖之間的距離為0~3nm，各金屬掃描探針與水平面的夾角是45~60°。
[0007]本發(fā)明在所述步驟⑴中，由掃描探針顯微鏡單元的控制裝置開啟照明光源并利用成像裝置輔助，配合掃描探針顯微鏡的電腦控件，對探針微位移調(diào)節(jié)臺實施調(diào)節(jié)以調(diào)節(jié)并列雙針尖探針針尖與樣品的距離，且關(guān)閉照明光源后，控制樣品微位移臺帶動樣品進行掃描，同時控制金屬掃描探針在掃描區(qū)域中各點的停留時間。
[0008]作為本發(fā)明的一種實施方式，所述探針微位移調(diào)節(jié)臺包括水平的環(huán)形安裝板與沿著環(huán)形安裝板的上板面圓周分布的一對探針微位移臺，每個金屬掃描探針安裝在一個探針微位移臺上，所述樣品微位移臺位于環(huán)形安裝板的中心；在所述步驟(I)中，在掃描探針顯微鏡單元的第一顯微物鏡、分光鏡和成像裝置的協(xié)同配合下，先控制其中一個探針微位移臺以調(diào)整其上的第一金屬掃描探針的針尖接觸樣品，再控制另一個探針微位移臺以調(diào)整其上的第二金屬掃描探針，使兩個金屬掃描探針的針尖重合，然后通過反復(fù)檢測拉曼信號的強度來調(diào)整第一金屬掃描探針的位置，直至拉曼信號達(dá)到最大值，從而完成金屬掃描探針位置的調(diào)整。
[0009]作為本發(fā)明的另一種實施方式，所述探針微位移調(diào)節(jié)臺包括水平的環(huán)形安裝板與設(shè)于環(huán)形安裝板的上板面的探針微位移臺，所述金屬掃描探針成對安裝在該探針微位移臺上，所述樣品微位移臺位于環(huán)形安裝板的中心。
[0010]本發(fā)明在所述步驟⑷中，關(guān)閉照明光源，放入拉曼光譜單元的第一反射鏡，且使第一反射鏡傾斜放置，并與拉曼光譜儀的信號接收端口相對以使耦合拉曼信號通過濾光片進入拉曼光譜儀的信號接收端口。
[0011]本發(fā)明所述掃描探針顯微鏡單元主要由用于對樣品進行顯微放大的第一顯微物鏡、用于將拉曼光源耦合到樣品的第二顯微物鏡、金屬掃描探針、用于安裝并微調(diào)金屬掃描探針位置的探針微位移調(diào)節(jié)臺和用于放置樣品臺并帶動樣品進行掃描的樣品微位移臺組成，所述探針微位移調(diào)節(jié)臺設(shè)于樣品微位移臺的外圍，所述拉曼光譜單元主要由拉曼光譜儀、激光器和設(shè)于拉曼光譜儀的信號接收端口用于過濾激發(fā)光波長的濾光片組成，所述第一顯微物鏡位于第二顯微物鏡的上方，所述樣品微位移臺處于第一、第二顯微物鏡之間，所述金屬掃描探針為一對且均朝向樣品微位移臺的中心伸出以便接觸在由樣品臺承托的樣品上。
[0012]實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、操作方便，可在現(xiàn)有的掃描探針顯微鏡上改進得到，改造成本較低，進而降低了總體成本。
[0013]本發(fā)明所述拉曼光譜單元還包括傾斜設(shè)置的第一反射鏡和第二反射鏡，所述第一反射鏡與拉曼光譜儀的信號接收端口相對，所述第一反射鏡位于所述第一顯微物鏡的上方且相配合使耦合拉曼信號通過濾光片進入拉曼光譜儀的信號接收端口 ；所述第二反射鏡與激光器的發(fā)射端口相對，所述第二反射鏡位于第二顯微物鏡的下方且相配合將拉曼光源耦合到樣品。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下顯著的效果:
⑴本發(fā)明可用于物體表面單分子拉曼光譜檢測，具體是采用金屬掃描探針之間產(chǎn)生的等離子雜化效應(yīng)代替現(xiàn)有技術(shù)中金屬掃描探針和金屬基底之間的等離子增強效應(yīng)，繼而實現(xiàn)單分子的拉曼信號的檢測，能夠?qū)⒗盘栐鰪娭猎瓉淼?0 11倍，理論上可以達(dá)到單針尖增強拉曼光譜掃描成像技術(shù)的100倍以上。因此能夠適用于細(xì)胞膜的表面的分子檢測與成像，與現(xiàn)有的單針尖增強拉曼光譜技術(shù)相比，本發(fā)明具有更高的拉曼信號的信噪比。
[0015]⑵實現(xiàn)本發(fā)明的系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、操作方便，可在現(xiàn)有的掃描探針顯微鏡上改進獲得，改造成本較低，進而降低了總體成本。
[0016]⑶本發(fā)明的操作過程簡單方便，可實現(xiàn)物質(zhì)表面單分子拉曼光譜檢測，尤其適用于具有一定高度的物體的表面的分子檢測，也可適用于其它與之類似的場合。
【附圖說明】
[0017]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)說明。
圖1是本發(fā)明實施例1的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實施例1安裝有金屬掃描探針的探針微位移調(diào)節(jié)臺和樣品微位移臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是雙針之間角度和距離的示意圖；
圖4是本發(fā)明實施例2的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
圖5是本發(fā)明實施例2安裝有金屬掃描探針的探針微位移調(diào)節(jié)臺和樣品微位移臺的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0018]實施例1
如圖1~3所示，一種并列雙針尖增強的拉曼光譜掃描成像方法，具體包括以下步驟:
⑴采用掃描探針顯微鏡單元和拉曼光譜單元，安裝在掃描探針顯微鏡單元的探針微位移調(diào)節(jié)臺上的金屬掃描探針為一對，該對金屬掃描探針分別與水平面呈夾角設(shè)置組成并列雙針尖探針，調(diào)節(jié)探針微位移調(diào)節(jié)臺使并列雙針尖探針的針尖接觸樣品，兩個金屬掃描探針針尖之間的距離d=0~3 nm，且兩個金屬掃描探針與水平面的夾角是45~60°。
[0019]在實施例中，探針微位移調(diào)節(jié)臺包括水平的環(huán)形安裝板4-7和沿著環(huán)形安裝板上板面的圓周分布的一對探針微位移臺4-1、4-3，探針微位移臺4-1、4-3和金屬掃描探針4-2,4-4均為一對，金屬掃描探針4-2、4-4分別安裝在探針微位移臺4_1、4_3上，樣品臺4-6位于樣品微位移臺4-5的中心；利用掃描探針顯微鏡單元的控制裝置，打開照明光源1，并利用CCD成像系統(tǒng)的輔助，配合掃描探針顯微鏡的電腦控件，控制掃描探針顯微鏡的探針微位移臺4-1、4-3，分別把金屬掃描探針4-2、4-4從兩個方向控制接觸樣品，具體是在掃描探針顯微鏡單元的第一顯微物鏡2-1、分光鏡9和成像裝置3的協(xié)同配合下，先控制微位移臺4-1以調(diào)整其上的金屬掃描探針4-2的針尖接觸樣品，再控制微位移臺4-3以調(diào)整其上的金屬掃描探針4-4，使兩個金屬掃描探針的針尖重合，然后通過反復(fù)檢測拉曼信號的強度來調(diào)整金屬掃描探針4-2的位置，直至拉曼信號達(dá)到最大值，從而完成金屬掃描探針位置的調(diào)整。如圖3所示，本實施例中，金屬掃描探針4-2、4-4之間的夾角Ψ=60°。
[0020]⑵開啟拉曼光譜單元的激光器，使激光器發(fā)出的激光束由反射鏡8-2反射到第二顯微物鏡上，激光束通過第二顯微物鏡的