[发明专利]使用归一化近场光谱对样品的化学纳米识别

说明书

本发明涉及使用归一化近场光谱对样品的化学纳米识别。实施例涉及对样品进行纳米识别的装置和方法，包括：借助于倏逝波测量在样品与在样品上方的纳米距离处振荡的光学纳米天线之间的近场相互作用的光谱，鉴别对这样近场相互作用不敏感的背景背散射的辐射。鉴别通过在不知道隔开纳米天线与样品的距离的情况下于纳米天线振荡的周期性重复的时刻进行的光学数据采集实现。测量包括对纳米尺度的样品的化学识别，在该测量期间，代表所述相互作用的与近场辐射对应的相位的绝对值被直接测得。装置和测量的校准通过在样品测量之前执行对具有已知的折射率的参考样品的参考测量提供。纳米识别以50nm以内的分辨率来实现，可选地被实现于光谱的中红外部分内。

本分案申请是基于申请号为201480015582.9，申请日为2014年3月14日，发明名称为“使用归一化近场光谱对样品的化学纳米识别”的中国专利申请的分案申请。

相关申请的交叉引用

本申请要求标题为“Chemical Nanoidentificaiton Using Normalized Near-Field Spectroscopy”的且于2013年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/800,165的优先权和权益。该专利申请的公开内容全文并入本文，以作参考。

技术领域

本发明涉及对样品的纳米识别(纳米ID)、对样品性质的纳米识别测量，并且更特别地，涉及在借助于倏逝波来提供样品的光学表征的仪器中于50nm以下的或者甚至是20nm以下的空间尺度上使用光学天线。

背景技术

对在辐射与受到辐射的被测样品(SUT)之间的相互作用的监测被用来在各种情况下提取有关SUT的信息。在光谱学中，例如，SUT的物理性质(例如，温度、质量和材料组成)通常基于对从SUT发射出的光的色散的分析来评定。

常规的红外(IR)光谱分析是广泛使用的技术，用于在例如高分子科学和生物学中(在生物细胞器或更小的高度局部化的尺度上)测量材料的特性，并且基于它们独特的红外特征来识别材料。在许多情况下，红外光谱的独特特征能够被用来识别未知的材料。红外光谱分析对块状样品执行，这会提供组成信息而非结构信息，并且允许收集分辨率为许多微米的尺度的红外光谱，受光的衍射所限。虽然近场扫描光学显微术(NSOM)已经在某种程度上应用于红外光谱分析和成像，但是它仍然需要能够采集常规的红外光谱的灵敏可靠的市场上可购得的仪器，以允许以衍射极限以下的分辨率来采集有关样品组成的信息(例如，例如不同的材料成分或分子结构在整个样品内的位置)。

尽管在空间分辨率超过衍射极限的成像技术的研发上不断进步，用于提供分子水平上的化学特异性和灵敏度的光谱实施方式仍然充满挑战。采用基于点扩散函数的数据重构的远场定位技术的使用能够潜在地使空间分辨率减小到大约20nm，但只是在光谱的可见光部分而非红外部分内，因为这样的技术典型地依靠来自离散分子或量子点发射极的荧光。因此，本领域技术人员应当很容易理解，此类没有使用有利于化学识别(化学ID)的红外光的技术的应用仅提供对有关样品的化学特定信息很有限的访问。

扫描近场光学显微术(SNOM)通过使用锥形光纤或中空的波导尖端(hollowwaveguide tips)来提供亚衍射极限的分辨率。虽然这种方法实现了高达在光谱的可见光部分内的操作波长的1/30的空间分辨率，但是在将该方法扩展到光谱的红外部分时存在严重的现实问题。在这些现实问题当中有：例如，1)缺少适合于传输在例如红外光谱的从大约3微米至大约12微米的中间范围的宽波段内的红外光的光纤，以及2)在红外光内的受波长所限的分辨率，通常为所感兴趣的波长的大约1/10。结果，SNOM的灵敏度和分辨率受到损失，从而一般地使得基于孔径的SNOM不适合于在光谱的红外部分内的光谱技术。