拉曼光谱及非线性光学成像仪器的研制与应用探索
先进仪器方法的开发能够为研究人员提供全新的工具来探索未知世界，帮助理解物质的许多特殊性质，从而开创更多的应用领域，是推动科技发展的重要因素之一。而光学仪器是较为常见的一类设备，在众多领域的科学研究中应用广泛。现有的光学仪器包括不同种类的光源、适用于从宏观到微观不同尺度观察的成像设备、光学操纵与加工设备等。由于光的能量与分子的能级处于同一数量级，光与物质相互作用时，能够产生能量交换，并携带分子的组成结构信息，通过对光的成分进行分析，能够达到对物质组分、状态识别的目的，因此光学仪器在分析检测领域也是最为常用的仪器种类之一，尤其是光谱类仪器，在人们认识世界的过程中占据着举足轻重的地位。目前常见的商品化光谱仪器包括：紫外可见吸收光谱仪、荧光光谱仪、红外吸收光谱仪、拉曼光谱仪等，除此之外还有许多基于光谱效应的成像仪器，如荧光显微镜、多光谱相机等。研究人员基于不同种类的光谱仪器开发了许多分析方法，适用于不同类别的样品检测。虽然这些仪器已经能够为科学研究提供大量的数据，但依然难以满足许多特定应用场景下的适用性与功能需求，因此，利用新的物理原理、结合技术创新设计和开发针对特殊体系或具有探索功能的光谱仪器具有非常重要的意义。 本论文中将以光谱检测及成像仪器作为主线，对现有仪器设备的功能结构进行分析总结，并开发了三台不同种类的仪器设备，其着眼点分别为：面向特殊应用场景的小型化拉曼光谱仪、通过仪器的联用对现有拉曼光谱仪进行功能拓展，以及基于非线性效应的多模式光谱成像仪器。论文中将针对仪器的基本原理、工程设计与设备的搭建过程进行详细介绍，最终通过实际样品的测试对仪器的基本功能进行验证。主要包含以下几个方面： 1)集成化微流控芯片拉曼光谱分析仪的研制。生活中的真实样品通常成分极为复杂，其分析检测往往无法直接利用现有仪器实现，常需要借助一定的前处理步骤，如分离、富集、反应等才能完成。微流控芯片是一种集化学实验室各种常规操作于一体的化学芯片，能够极大的提高样品的前处理效率，而拉曼光谱则是一种快速、非接触的检测方法，能够对样品的指纹光谱进行采集，特别是表面增强拉曼光谱技术的出现使其具有极高的检测灵敏度，更加适合于痕量样品的检测。因此，论文中充分考虑了这两种技术的特点，通过开发具有倒置探头、集成化显微成像光谱采集模块、样品固定而探头可移动的专用于微流控芯片检测的拉曼光谱仪实现这两种技术的优势结合。新型仪器具有集成度高，集样品处理与检测于一体的特点，并且在仪器的设计中通过采用一块二向色镜回避了传统仪器中的成像切换结构，极大提高了系统的稳定性，其研制将有助于推动复杂体系现场快速检测技术的进步与发展。 2)拉曼光谱和相位型表面等离子体共振联合传感仪器的研制。表面等离子体共振技术对于样品折射率的变化极为敏感，常被应用于表面吸附物质的检测，但这一技术只能反映出物质的吸附状态，对于所吸附样品的精细结构变化却无从得知，拉曼光谱作为指纹光谱能够准确的反映出物质的分子结构变化，然而其效率较低，信号极弱。在表面等离子体共振现象发生时，传感表面由于电磁场的增强会使样品的拉曼信号极大增强，使表面吸附的痕量样品得以检测，为此人们将这两种技术相结合，实现联合传感。本文中对现有的联用仪器进行了改进，传统方法中多采用角度扫描配合光强检测的方式实现吸附样品的传感，而本文中引入了相移干涉成像检测技术，以相位作为传感依据，当表面等离子体共振现象发生时，反射光的相位改变与样品的拉曼光谱均能够达到极高的灵敏度，从而避免传统方法中角度反复扫描所带来的光路不稳定问题，同时相移干涉成像技术能够获得传感界面处不同位置的相位变化信息，配合增强后的拉曼光谱，能够同时实现痕量样品的成像监测与光谱采集，对于表面反应这一特殊体系具有一定的应用潜力。 3)非线性光学成像系统的搭建及其生物学应用。提高待观察样品的对比度是各种成像技术追求的重要指标，而许多样品自身具有体系复杂，对比度较低的问题，使其难以通过传统光学成像方法进行清晰观察。光谱成像技术利用样品自身微观结构的不同以及对不同光谱效应响应的差异使待观察样品能够从周围复杂的环境中凸显出来，达到对样品进行区分的目的。在强激光激发下，许多样品还会对不同的非线性效应产生影响，使其光谱发生改变，或使一些在弱光照射下存在的效应灵敏度大幅度增强，对于传统线性光学成像具有一定的补充作用。本论文中对非线性光学成像仪器进行了深入研究，分析总结了几种非线性光学效应的激发与检测条件，通过合理选取硬件设备，开发了具有单/双光束激发、脉冲延迟调节、振镜扫描、光强和光强变化量检测于一体的非线性光学成像系统，在一台机器上实现多种不同模式的非线性光学成像功能，并选取了其中一种非线性光学效应——四波混频作为研究手段，利用银纳米粒子对细胞表面进行标记，实现对细胞表面唾液酸含量及分布的检测，证明了仪器在生物体系中的应用能力。
拉曼光谱仪器;光学成像仪器;结构设计;生物检测
吉林大学
博士
物理化学
徐蔚青
2020
中文
TH74;TH702
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）