[发明专利]一种用于近场光学探测的介质探针及近场显微镜

说明书

本发明公开了一种用于近场光学探测的介质探针及近场显微镜。探针包括采用微米级光导介质制备的探针柱，所述探针柱的一端为半球形，在半球形的顶部设置金属纳米颗粒或金属纳米颗粒阵列。用微米级光纤作为光导介质，将一端制备为半球形作为探针基座，再将金属纳米颗粒制备到探针柱顶端作为局域增强电场的产生点“热点”，热点位置可以在纳米尺度的空间范围内产生极强的电场增强。光导介质可以作为入射激发光的有效光导，也可以作为散射和反射光的有效收集光导。得益于近场激发和收集的同时增强，由这种探针构建的近场显微镜，其光谱扫描的综合效率较远场收集的针尖增强拉曼光谱设备至少提高2个数量级。

技术领域

本发明涉及主动扫描探测的针尖增强拉曼光谱技术领域，具体是一种以光学光谱技术为基础，并涉及精密加工，自动化技术，信息处理技术的多学科交叉领域。

背景技术

拉曼光谱技术作为一种具有分子级特征识别能力的光学技术，不但对样本的损伤小，且可以在常温常压条件下操作，但是拉曼光谱的空间分辨率受到光学衍射极限的限制，常规拉曼显微镜(如共聚焦拉曼显微镜)无法做到纳米级(10纳米及以下尺寸)分子识别。

2000年以后，由于微纳加工技术的进一步发展，利用化学合成、光学光刻、粒子束直写等技术，可以方便地在不同基底上制备出不同材料、形状、构造的规则形状金属纳米颗粒。这些规则金属颗粒在激光照射下，将会在其表面产生电场增强现象。通常情况，金属纳米颗粒表面的某些“热点”位置能够产生1-2个数量级的电场增强，金属颗粒阵列之间的表面等离子激元共振时，能够产生3个数量级的增强。由于拉曼光谱强度和电场强度的四次方成正比，所以理想情况下可以得到13个数量级的拉曼散射增强。因此金属颗粒表面附近的散射截面极小的样本单分子能够产生满足信噪比分辨的拉曼光谱，从而使得纳米级的单分子拉曼光谱识别成为可能。

当前纳米级的分子拉曼光谱识别技术可以根据是否使用探针进行扫描工作分为两类，分别为不使用扫描方式探测的表面增强拉曼光谱(SERS)和主动扫描探测的针尖增强拉曼光谱(TERS)。相较于SERS，TERS需要使用探针在样本表面进行扫描动作，因此需要更复杂的空间位置控制辅助系统，但也因此能得到更加准确的样本分子的空间信息。TERS系统中的金属探针可以和原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)的探针复用，因此可以把TERS很好的结合到目前较为成熟的AFM和STM系统中。AFM和STM系统已经是较为成熟的具有原子尺度分辨率的检测设备，加入拉曼光学系统后就可以基于AFM或STM形成TERS设备，使整套设备能够同时得到分子形貌和分子拉曼特征光谱，使得整体设备的分子级识别能力大大提高。

TERS的发展极大地增强了拉曼光谱的能力，使得拉曼技术有望在单分子、纳米科学等领域发挥更加突出的作用。

目前使用的TERS技术是一种主动扫描探测的光谱技术，有效探测距离远小于入射光波长，在离被测对象表面10纳米范围左右，是一种近场的探测方式，包括同样在近场范围探测的AFM和STM，这些具有纳米级分辨率的显微镜都可统称为近场显微镜(NFM)。而那些探针或者镜头距离被测对象大于入射波长的显微镜则可统称为远场显微镜(FFM)。

光本质是具有波粒二象性的特殊物质，在远场传播情况下主要表现为电磁场的波动特性，而在微观的纳米尺度则更多的表现粒子性，即在远小于波长的空间尺度范围内，单光子或者少数光子和物质间的相互作用更多表现为量子的能量交换，其能量大小由波长表示，交换几率可由散射截面大小决定，量子特性大于表现出波动特性。在激发拉曼光谱时，斯托克斯和反斯托克斯散射几率和强度主要由单位体积内光量子的密度和被测分子的各能态量子跃迁几率决定，与入射光波长为间接关系。将光子限制到纳米尺度的近场范围，可以有效的避免波动效应带来的衍射问题，因此近场技术是拉曼显微镜得到纳米尺度分辨率的关键技术。