光波导中生物样品拉曼光谱增强的研究

拉曼增强光谱是研究水溶液环境中生物样品的有力手段，已在蛋白质二级结构的研究、DNA和分子间的作用等领域显示了重要的作用。但现有各种增强的手段又有明显的不足，例表面增强技术中样品需要预处理，共振拉曼增强因激光波长有限适用性差，而采用液芯光纤的拉曼增强要求样品的折射率比光纤包层高，应用范围受到严重限制。本项目在前期工作基础上，提出一种利用毫米尺度双面金属包覆波导结合自由空间耦合技术实现生物样品拉曼光谱增强的新方法，该方法不仅适用于水溶液样品、活性状态下生物大分子的结构及其变化的研究，而且样品不需要复杂的预处理，不受激光波长和样品折射率的限制。另外，该方法又易于与现有表面增强方法和显微拉曼技术连用，有望取得优于现有技术的结果。预计该方法在疾病的的早期诊断与监测和生物大分子相互作用研究领域获得广泛的应用。

针对拉曼光谱技术与生物医学检测应用相结合的研究热点，在前期实验和理论预研究的基础上，本项目探讨了一种利用双面金属包覆波导结合自由空间耦合技术实现增强拉曼光谱的新机制和方法，创新性地将双面金属包覆波导结构拉曼增强机制与表面拉曼增强机制有机地相结合，从物理内涵解析以及实验的角度论证了这种方法的可行性以及局限性。同时，进一步深入研究了增强拉曼光谱技术和方法在疾病筛查诊断应用上的可行性，研究了癌细胞等生物样本对金属纳米颗粒的吸收行为。此外，建立了实现高精度拉曼光谱检测的创新技术方法和装置系统，为课题后续深入的研究提供了实验条件和技术保障，具有重要的研究意义和实用价值。结题报告正文主要分为以下四个方面：.第一部分，从理论上计算、模拟双面金属包覆波导结构的电场增强效果；在理论指导下优化了双面金属包覆波导结构设计；实验研究了增强的效果以及降低波导损耗、提高耦合效率和拉曼信号收集效率的方法。.第二部分，从理论计算以及实验两方面，对双面金属包覆波导结构拉曼增强机制与表面拉曼增强机制的结合进行探讨，采用此方法进行生物样本的拉曼光谱测量和研究。.第三部分，通过对患者以及正常人体液的增强拉曼光谱的对照测量，结合主成分分析和线性判别分析等化学计量学方法，论证了增强拉曼光谱技术在疾病筛选应用上的可能性、可靠性。研究了癌细胞等生物样本对金属纳米颗粒的吸收行为。.第四部分，建立并优化了拉曼光谱信号测量系统的性能，创新提出了如何精确对准样品获得最佳拉曼光谱的方法和快速的波数定标方法等。.在基金的支持下，累计发表论文共18篇（其中SCI收录15篇），申请发明专利5项，授权1项。