[发明专利]一种基于传导表面等离激元的拉曼散射基底及其应用方法

说明书

技术领域

本发明属于光谱分析检测技术领域，具体涉及一种拉曼物质检测的基底结构及其应用方法。

背景技术

拉曼散射效应起源于分子的振动与转动，从其散射光谱中可以得到分子振动与转动能级结构，由于不同的分子具有其独特的能级结构，因此，拉曼散射效应可以实现对物质的高准确度识别。然而，通常情况下，物质产生的拉曼谱线极其微弱，一般来说，其强度仅约为入射激励光强的10^-10倍。这样就极大的限制了其应用范围。

之后的研究发现，吸附在粗糙金属表面上的物质在同样的照射条件下能产生高强度的拉曼信号，这一现象被称为表面增强拉曼散射现象。而且，表面增强拉曼散射通常只发生在金、银、铜等贵重金属的粗糙化表面。目前，人们普遍认为表面增强拉曼散射的物理机理是表面电磁场增强，粗糙金属表面的自由电子在入射光作用下产生集体运动，在特定的频率下形成表面等离子激元共振。表面等离子激元共振可以使金属表面的电场增强。当被检测分子处于局域增强电场的作用范围内，分子就会被增强的电场激发出强的拉曼散射。

传统的表面增强拉曼散射的激励主要采用直接照射的方式，通过透镜等空间光学耦合器件将光束聚集到基底上。由于传统光学系统的尺寸较大，结构复杂，所以无法实现微型化和集成化。为了改善传统激励方式中光学系统复杂的问题，有研究者提出利用介质波导结构激励拉曼散射的方法。其中，Eunjung Jung等人在微流道芯片中植入SU-8波导，聚集在波导周围的银纳米颗粒收到波导中传输光的作用，激发被检测物质的拉曼信号，最后，拉曼信号与入射光信号共同输出到检测设备。利用光纤实现拉曼光谱技术也得到了长足的发展。目前，已有的光纤拉曼探针主要基于D型光纤、活性液芯光波导、空心光波导以及微纳结构光纤等。该类结构通过将金属活性拉曼激励结构附着在光纤端面或纤芯周围，利用出射光或倏逝场来激励拉曼信号。但是由于传统介质波导结构的倏逝场占总光场能量的一小部分，所以能够作用于拉曼散射的光能量使用率很低。

此外，由于入射激励光与产生的拉曼散射光在空间位置和空间角度都会发生交叠，然而入射激励光与拉曼散射光的强度之间存在着较大的差异，使得收集系统的信噪比下降，这一不足在波导激励拉曼的方式中同样存在。

表面等离子激元是光与金属表面自由电子相互作用引起的一种电磁波模式，这种模式存在于金属与介质分界面附近，可沿着分界面传播，形成表面等离子极化波。其电场强度在分界面处达到最大，且在分界面两侧眼垂直分界面方向呈指数衰减。表面等离子激元具有很强的场约束特性，可以将场能量约束在空间尺度小于其自由空间传输波长的范围，这一特性使得在一定区域内形成强电场分布。在这一研究基础上，Yingzhou Huang等人提出利用金纳米线作为表面等离子极化波的导引结构，利用传输在纳米线上的表面等离子极化波作用于被检测分子，激励拉曼散射信号。Hon gxing Xu等通过产生在银纳米线端点附近的表面等离子极化波实现的拉曼散射，他们通过在银纳米线端点激励表面等离子极化波，其沿着银纳米线传播，然后与靠近纳米线的纳米金颗粒发生耦合作用，在其间隙处出现明显的场增强效果，实现了拉曼信号的增强。这类结构中，为了实现表面等离子极化波的激发，需要将光束聚焦到纳米线的端点，以垂直纳米线方向照射，这需要较复杂的装置和操作，很难实现高稳定性和高可重复性。同时，金属纳米线上的表面等离子极化波的传输长度通常在几个微米，限制了样品检测的工作区域范围。

利用表面等离子体共振效应，徐蔚青等人提出一种通过长程表面等离子体方式激励表面增强拉曼散射光谱的方法。该方法首先通过构筑多层长程表面等离子共振装置，利用棱镜将入射激光光源耦合到该装置，产生长程表面等离子体共振，使得金属表面的电磁场增强，金属表面的电场与被测物质相互作用，从而完成对样品层内被检测物的拉曼激励过程。该方法通过调整入射光束相对棱镜与长程表面等离子共振装置层的夹角实现波矢匹配，达到激励长程表面等离子波的作用。由于长程表明等离子体共振对入射角度比较敏感，需要精确调整入射角大小，限制了装置的灵活性。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于传导表面等离激元的拉曼散射基底结构及其应用方法。