[发明专利]光波导增强机制的方法及拉曼光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种拉曼光谱增强的新方法，特别是利用毫米尺度双面金属包覆波导结合自由空间耦合技术实现生物样品拉曼光谱增强的新方法。

背景技术

 拉曼光谱属于分子振动光谱,可以用来鉴别物质、定性和定量分析物质的性质，用途十分广泛。但拉曼光谱信号非常微弱，一般仅为入射光强的10^-6～10^-10。目前增强拉曼光谱的方法主要有三种：第一种是表面增强拉曼散射(SERS)，即利用金属表面局域等离子激元激发所引起的电磁增强，使被测定物的拉曼散射产生增强效应，增强因子可达10⁶，甚至更高，SERS使拉曼光谱的应用进入单分子领域，缺点是SERS技术测样前需要对被测样品做预处理，即把被测物吸附或者靠近金属或纳米胶体表面；其次，仅有金、银、铜三种金属和少数极不常用的碱金属(如锂、钠等)和一系列纯过渡金属具有强的SERS 效应。第二种增强方法是利用共振拉曼效应(RR) ，当选择入射激光波长对应于分子的电子吸收能级时，拉曼跃迁的几率大大增加，使得分子的某些振动模式的拉曼散射截面增强，共振增强可以得到10³-10⁵的增强因子，使检测亚单层量的分子成为可能，可用于低浓度和微量样品检测，如生物大分子样品的检测，但是目前只有少数分子的电子吸收能级可与现有激光相匹配。第三种是采用液芯光纤(LCOF)系统进行拉曼光谱增强，这种方法大大增加了光与物质的相互作用距离, 从而显著提高了光谱信号强度和探测极限。但LCOF方法要求液体样品的折射率必须大于光纤包层的折射率，而大部分液体的折射率都比常规光纤包层的折射率小，实际应用中有很大的局限性。

由于拉曼光谱能从分子水平反映组织、细胞在化学成分及分子结构上的差异，能提供大分子如蛋白、核酸、酯类等的构造和结构的指纹信息，拉曼光谱在临床疾病监测和早期诊断上的巨大潜力引起了各国科学家的广泛兴趣和关注。文献报道了采用普通拉曼或拉曼增强的方法研究多种癌变组织如肺癌、乳腺癌、膀胱癌、前列腺癌、子宫癌、喉癌、鼻咽癌和皮肤癌等与正常组织的拉曼光谱的具有明显特征区别的研究结果，多项研究已经建立了拉曼强度与人体代谢物如葡萄糖、乳糖、尿素、胆固醇和甘油三酸酯等的浓度之间的线性关系，除了癌症外，拉曼光谱还用来研究糖尿病、动脉粥样硬化和老年综合症等。这些研究成果表明，将来极有希望通过直接测量人体血液、尿液和细胞等生物样品的拉曼光谱快速地进行疾病监测和诊断，研究生物样品高灵敏高效率拉曼测量的方法意义重大。

 

发明内容

本发明针对传统拉曼光谱和现有增强拉曼光谱方法的不足，利用毫米尺度双面金属包覆波导平台，结合自由空间耦合技术实现生物样品的拉曼增强。基于双面金属包覆波导的拉曼检测装置剖面结构如图1所示，其中上下两层金属膜是波导的覆盖层，作为上层金属膜衬底的玻璃片和样品室构成波导的导波层，样品室中为可以流动的分子样品，激光可直接从自由空间入射于上金属膜表面，满足 矢匹配条件的光束将耦合进入波导，成为波导中的超高阶导模,与样品池中样品分子发生散射,反射光方向的拉曼探头接收前述拉曼散射光。

所述样品池中注入生物样品,化学溶液或者材料，样品的光响应度大的波段确定上层金属薄膜的厚度。

所述样品池是毫米级的空腔,并且两端各连接一个通道,通道两头可以注入样品,实现实时监测。

所述侧面拉曼探头包含一个用于滤掉瑞利散射的陷波滤波片。

所述上层金属薄膜，下层金属薄膜、侧面金属薄膜由银、金或铝制成，厚度范围是30nm-100nm；所述玻璃是厚度0.5mm～2.0mm的玻璃。

 

该方法具有以下几个特点：

(1)样品作为波导的导波层，其中光场以振荡场形式传输，具有极高的能量密度, 为拉曼增强提供了有利的激发光条件；

(2)利用自由空间耦合技术激发的超高阶导模是一种慢波，可有效提高光场与待测物质的相互作用距离，可以显著提高拉曼光谱信号强度；

(3)由于双面金属包覆，超高阶导模的有效折射率可以趋于零，这表明样品折射率可不受限制，对水溶液环境下接近自然状态下的生物样品研究是十分有利的。

该波导拉曼增强方法从原理上具有高灵敏度，高分辨率和结构简单等特点，适用于人体血液、尿液、细胞等生物样品的直接或间接拉曼光谱测量，也适合于与现有SERS手段相结合，实现二次增强，有可能突破现有检测水平和灵敏度。

附图说明

图1 本发明光波导增强机制拉曼原理示意图