一种基于SPP热电光镊的多光束拉曼成像系统

一种基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统
技术领域
1.本实用新型涉及成像技术领域，具体涉及一种基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统。


背景技术：

2.光镊技术作为一种成熟的光学操控技术已经广泛应用于各种小尺寸材料乃至生物细胞的操控与研究当中。同时，随着光镊技术的不断发展，出现了一种新型光镊技术，即热电光镊技术。热电纳米光镊利用的是光生热电场对带电纳米材料实现光学束缚，实为光
‑
热
‑
电
‑
机械多场耦合的光镊系统。
3.同时，采用光镊技术可以实现对各种小尺寸材料乃至生物细胞的拉曼成像，但是采用现有的光镊装置通常是能实现单点或小面积的成像，对于多点或大面积的成像则无能为力。此外，采用现有光镊装置进行拉曼成像时检测得到的拉曼信号较弱，无法实现清晰的拉曼光谱。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型实施例提供一种基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，以解决现有技术中采用现有的光镊装置无法实现多点拉曼成像以及清晰拉曼光谱的技术问题。
5.本实用新型提出的技术方案如下：
6.本实用新型实施例提供一种基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，该系统包括：发光单元、分光单元、表面等离激发单元以及成像单元，所述发光单元用于输出激发光至所述分光单元；所述分光单元用于将接收的激发光进行分束得到多束激发光，将多束激发光照射至所述表面等离激发单元；所述表面等离激发单元包括待测样品，所述表面等离激发单元用于在多束激发光的激发下形成热电光镊及局域表面等离激元场，所述热电光镊及局域表面等离激元场用于增强待测样品的拉曼信号，得到多个增强后的拉曼信号；所述成像单元用于接收多个增强后的拉曼信号，进行处理得到多点的拉曼成像。
7.可选地，所述发光单元包括：光源、偏振模块以及扩束模块，所述光源用于输出激光；所述偏振模块用于接收所述激光，将所述激光转变为径向偏振光；所述扩束模块用于接收所述径向偏振光，将所述径向偏振光扩束并准直得到激发光。
8.可选地，所述偏振模块包括：依次设置的起偏器、一阶螺旋相位片以及二分之一波片；所述扩束模块包括：第一透镜和第二透镜。
9.可选地，所述表面等离激发单元还包括：分束器、显微镜以及载物台，待测样品设置在所述载物台上，所述分束器用于将每束激发光分为第一光束和第二光束，将所述第一光束反射至所述成像单元，将所述第二光束透射至所述显微镜；所述显微镜用于将所述第二光束入射至载物台。
10.可选地，待测样品包括：待测样品溶液和玻片，所述玻片的第一表面设置有金属
膜；待测样品溶液中包含金属纳米颗粒和表面活性剂，待测样品溶液设置在所述玻片的第一表面；多束激发光从所述玻片的第二表面入射至待测样品中，在所述金属膜激发局域表面等离激元，表面活性剂使得金属颗粒包裹与金属膜表面相吸的电荷，金属颗粒被稳定捕获，在金属膜和金属颗粒gap区域产生电场。
11.可选地，所述分光单元包括：液晶空间光调制器或者数字微镜阵列。
12.可选地，所述显微镜还用于将待测样品反射的多个增强后的拉曼信号进行耦合，耦合之后的耦合光经过所述分束器入射至所述成像单元；所述成像单元用于接收所述耦合光与所述第二光束进行处理，得到多点的拉曼成像。
13.可选地，所述成像单元包括：光谱仪和信号处理系统，所述光谱仪用于采集多个增强后的拉曼信号以及第二光束，并输入至所述信号处理系统；所述信号处理系统用于对接收的信息进行处理，得到多点的拉曼成像。
14.可选地，该基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统还包括：观察装置，所述观察装置用于对激发光对待测样品的扫描区域进行观察确定。
15.可选地，该基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统还包括：反射镜，用于将分束得到的多束激发光照射至所述表面等离激发单元。
16.本实用新型技术方案，具有如下优点：
17.本实用新型实施例提供的基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，通过分光单元对发光单元产生的激发光进行分束得到多个激发光照射在待测样品上，由此，通过分光单元实现同时采集多点的拉曼信号并进行扫描成像。同时局域表面等离激元场与热电光镊的结合可对金属粒子稳定捕获以实现拉曼增强效果。最终实现大面积快速拉曼成像。本实用新型实施例提供的基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，利用spp热电光镊将金属纳米颗粒捕获，并作为扫描探针，同时金属纳米颗粒与金属膜表面形成极强的局域场增强，这可以对拉曼信号进行放大增强，从而可以提高拉曼成像的信噪比。而spp热电光镊可以将金属颗粒更稳定的捕获，以获得更准确的拉曼信号分布。并且，通过分光单元将光束分为多个光束，以捕获多个颗粒，在多点同时成像，最后通过多点拼接，可以实现多光束，大面积的成像。
附图说明
18.为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.图1为本实用新型实施例中基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统的结构框图；
20.图2为本实用新型实施例中基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统的结构原理图。
具体实施方式
21.下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本
领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
22.在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
23.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
24.此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
25.本实用新型实施例提供一种基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，如图1所示，该系统包括：发光单元100、分光单元200、表面等离激发单元300以及成像单元400，发光单元100用于输出激发光至分光单元200；分光单元200用于将接收的激发光进行分束得到多束激发光，将多束激发光照射至表面等离激发单元300；表面等离激发单元300包括待测样品，表面等离激发单元300用于在多束激发光的激发下形成热电光镊及局域表面等离激元场，热电光镊及局域表面等离激元场用于增强待测样品的拉曼信号，得到多个增强后的拉曼信号；成像单元400用于接收多个增强后的拉曼信号，进行处理得到多点的拉曼成像光谱。在一实施例中，在得到多点的拉曼成像之后，还可以采用现有的拼接算法，将多点的拉曼成像拼接在一起，最终能够得到多区域大面积的成像。
26.本实用新型实施例提供的基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，通过分光单元200对发光单元100产生的激发光进行分束得到多个激发光照射在待测样品上，由此，通过分光单元实现同时采集多点的拉曼信号并进行扫描成像。同时局域表面等离激元场与热电光镊的结合可对金属粒子稳定捕获以实现拉曼增强效果。最终实现大面积快速拉曼成像。
27.在一实施例中，发光单元100包括：光源1、偏振模块以及扩束模块，光源1用于输出激光；偏振模块用于接收激光，将激光转变为径向偏振光；扩束模块用于接收径向偏振光，将径向偏振光扩束并准直得到激发光。在一具体实施方式中，如图2所示，光源1可以选择激光光源。偏振模块包括：依次设置的起偏器2、一阶螺旋相位片3以及二分之一波片4；扩束模块包括：第一透镜5和第二透镜6。其中光源1产生的激光通过起偏器2变为线偏振光，之后再通过一阶螺旋相位片3以及二分之一波片4转换为径向偏振光；第一透镜5和第二透镜6共同组成扩束镜组，可以将得到的径向偏振光进行扩束准直后输出。
28.在一实施例中，如图2所示，表面等离激发单元300还包括：分束器14、显微镜13以及载物台9，待测样品设置在载物台9上，分束器14用于将每束激发光分为第一光束和第二光束，将第一光束反射至成像单元400，将第二光束透射至显微镜13；显微镜13用于将第二光束入射至载物台9。在一具体实施方式中，显微镜13采用高数值孔径显微镜，也可以采用
其他类型的显微镜，载物台9采用二维平移载物台，由此可以便于载物台9在水平方向和垂直方向的移动，从而使得激发光能够照射在载物台9的待测样品以及激发光的动态扫描。
29.在一实施例中，待测样品包括：待测样品溶液和玻片，玻片的第一表面设置有金属膜；待测样品溶液中包含金属纳米颗粒和表面活性剂，待测样品溶液设置在玻片的第一表面；多束激发光从玻片的第二表面入射至待测样品中，在金属膜激发局域表面等离激元，表面活性剂使得金属颗粒包裹与金属膜表面相吸的电荷，金属颗粒被稳定捕获，在金属膜和金属颗粒gap区域产生电场。在一具体实施方式中，金属膜可以采用贵金属的金属膜，例如金等材料，该金属膜可以采用蒸镀的工艺形成在玻片的第一表面上。金属纳米颗粒可以是纳米金颗粒。待测样品溶液能够提供金属纳米颗粒的捕获环境，能够让金属纳米颗粒与表面活性剂自由移动，完成表面活性剂对颗粒的包覆以及在溶液中重新分布的过程。
30.具体地，当激发光照射在待测样品上时，能够实现对待测样品溶液中金属纳米颗粒的捕获，即实现spp热电光镊捕获，并在金属膜激发局域表面等离激元，待测样品溶液中的表面活性剂使得金属颗粒包裹与金属膜表面相吸的电荷，金属颗粒被稳定捕获，同时在金属膜和金属颗粒gap区域产生电场。其中，局域表面等离激元场与热电光镊的结合可对金属粒子稳定捕获以实现拉曼增强效果。最终实现大面积快速拉曼成像。其中，产生拉曼信号的待测样品溶液为置于金属纳米颗粒与金属膜之间的待测样品溶液。
31.在一实施例中，分光单元200包括：空间光调制器7或者数字微镜阵列。在一具体实施方式中，分光单元200将激发光分为多个同功率的光束，例如，可以设置将激发光分为一字型平行等距同功率的五束激发光，此外，也可以分为更多束的激发光，本实用新型对此不做限定。
32.在一实施例中，显微镜13还用于将待测样品反射的多个增强后的拉曼信号进行耦合，耦合之后的耦合光经过分束器14入射至成像单元400；成像单元400用于接收耦合光与第二光束进行处理，得到多点的拉曼成像。在一具体实施方式中，成像单元400包括：光谱仪10和信号处理系统11，光谱仪10用于采集多个增强后的拉曼信号以及第二光束，并输入至信号处理系统11；信号处理系统11用于对接收的信息进行处理，得到多点的拉曼成像。其中，由分束器14透射至成像单元400中的第二光束可以作为参考光，而待测样品反射的多个增强后的拉曼信号可以作为信号光，光谱仪10采集这两束光输入至信号处理系统11中后，信号处理系统11对这两束光信号进行处理，抓取其中的特征峰进行拉曼成像，同时还可以对多点的拉曼成像进行拼接，最终得到多区域大面积的成像。
33.在一实施例中，如图2所示，该基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统还包括：观察装置12和反射镜8，观察装置12用于对激发光对待测样品的扫描区域进行观察确定；反射镜8用于将分束得到的多束激发光照射至表面等离激发单元300。在一具体实施方式中，观察装置12采用图像传感器ccd，通过观察装置12确认激发光是否照射在待测样品的相应区域，同时还可以对金属纳米颗粒的捕获情况进行实时观测。反射镜8的设置在可以使得光路发生转折，当需要将拉曼成像系统中的元件集中放置时，可以在系统中设置反射镜8，改变光束传输的光路。具体地，反射镜8可以设置在分光单元200和表面等离激发单元300之间。
34.在一实施例中，如图2所示，该基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统可以按照以下流程进行工作：光源1发出的激发光经过起偏器2变为线偏振光，通过一阶螺旋相位片33和一个二分之一波片44转换为径向偏振光，再经过第一透镜5和第二透镜6组成的扩束镜
组对入射的径向偏振光进行扩束准直，将准直得到的平行光入射至空间光调制器7进行分光，再经过一个反射镜8将水平面的光束转置垂直方向入射至分束器14分为第一光束和第二光束，将第一光束反射至成像单元400，将第二光束透射至显微镜13；显微镜13将第二光束入射至二维平移载物台9，照射在待测样品上，能够实现对待测样品溶液中金属纳米颗粒的捕获，即实现spp热电光镊捕获，并在金属膜激发局域表面等离激元，待测样品溶液中的表面活性剂使得金属颗粒包裹与金属膜表面相吸的电荷，金属颗粒被稳定捕获，同时在金属膜和金属颗粒gap区域产生电场。其中，局域表面等离激元场与热电光镊的结合可对金属粒子稳定捕获以实现拉曼增强效果。最终实现大面积快速拉曼成像。待测样品产生的增强的拉曼信号会反射至显微镜13中，再经过分束器14由光谱仪10采集；同时光谱仪10采集分束器14反射的第二光束，将采集的光束均输入至信号处理系统11，信号处理系统11对这两束光信号进行处理，抓取其中的特征峰进行拉曼成像，同时还可以对多点的拉曼成像进行拼接，最终得到多区域大面积的成像。
35.本实用新型实施例提供的基于spp热电光镊的多光束拉曼成像系统，利用spp热电光镊将金属纳米颗粒捕获，并作为扫描探针，同时金属纳米颗粒与金属膜表面形成极强的局域场增强，这可以对拉曼信号进行放大增强，从而可以提高拉曼成像的信噪比。而spp热电光镊可以将金属颗粒更稳定的捕获，以获得更准确的拉曼信号分布。并且，通过空间光调制器7将光束分为多个光束，以捕获多个颗粒，在多点同时成像，最后通过多点拼接，可以实现多光束，大面积的成像。
36.虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本实用新型保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。
37.此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。