小型一体式TERS仪器光学系统

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针尖增强拉曼光谱(Tip-enhanced Raman Spectroscopy,TERS)巧妙地结合了扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope,SPM)和表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS),通过极尖锐的探针将包含样品表面精细结构信息的近场信号散射到远场接收,并利用在针尖附近形成的极大的局域电磁场增强,获得了突破衍射极限的高空间分辨率和高检测灵敏度的光谱信号;通过逐点扫描实现了表征物体表面形状特点的形貌图与表征分子结构信息的拉曼光谱图在空间上的对应指认。TERS技术的这些优点使其在生物检测、纳米材料和表面科学等领域受到广泛关注并表现出巨大的发展潜力。然而目前大多数商用TERS仪器和实验室自制的TERS测试系统存在着结构复杂、协调性差、光效率低、稳定性不足、体积庞大及成本高等缺点,限制了 TERS技术的广泛应用。因此,研制一种高灵敏度、高空间分辨率和高度协调的小型一体式的TERS仪器具有重要的研究意义和广阔的应用前景。本文从发展仪器的角度出发,设计了一套针对小型一体式TERS仪器的光学系统。主要的创新工作在于TERS仪器光学系统的集成化和小型化,通过采取一系列行之有效的措施解决在小型化过程中面临的检测灵敏度及光谱分辨率下降的问题。通过精简光学元件、缩短光路、将激发与收集光路和拉曼光谱仪光路直接耦合提高光学系统的光通量;通过改进拉曼光谱仪结构,优化各部分光路布局使整个光学系统结构紧凑合理;通过引入白光照明与显微成像光路使激光焦点、白光照明点以及信号收集点三者严格共焦,实现激光焦点、针尖与样品的精确耦合;通过改良实验方法减少远场背景噪声,提高TERS仪器的信噪比。该光学设备结构紧凑,有利于现场实时分析,并且具有较高的检测灵敏度和光谱分辨率。光学系统与商用STM针尖扫描头构成侧向激发与收集模式TERS测试系统,测得了 4-PBT(4’-(pyridine-4-yl)-bipheny l-4-yl)methanethiol)分子的TERS信号。下一步,该光学系统将与自行研制的专用STM扫描头和协同控制电路组成一台小型一体式的TERS仪器,从而推动TERS技术走向实际应用。
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