CN103398995A - 能实现化学分离和光散射的集成设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种集成化学分离设备，包括被设置用来分离样品溶液中的多种物质的一化学分离单元，被设置用来在不同时间接收样品溶液中的多种物质的一混合槽，一化学分离及检测控制器及被设置用来在化学分离和检测控制器的控制下将样品溶液中的多种物质导向混合槽的一多通道阀门。化学分离和检测控制器能够在混合槽中引入纳米颗粒以使多种物质分子中的每一种分子被吸附在纳米颗粒上。拉曼散射光谱仪单元发射激光束以照射吸附在纳米颗粒表面上的分子并获得来自多种物质的拉曼光谱。

Description

能实现化学分离和光散射的集成设备

相关申请的交叉引用

本专利申请是共同转让的未决美国第12/848,893号专利申请（已授权为美国第8,441,631专利）的一个部分延续(CIP)申请并要求其优先权，未决美国第12/848,893号专利申请的名称为“能实现化学分离和光散射的集成设备”，申请日为2010年8月2日，与本申请发明人相同。未决美国第12/848,893号专利申请是共同转让的未决美国第11/761,453号专利申请（已授权为美国第7,812,938专利）和美国第11/678,053号专利申请（已授权为美国第7,790,469号专利）的一个部分延续申请并要求其优先权，未决美国第11/761,453号专利申请的名称为“集成的化学分离光散射设备”，申请日为2007年6月12日，美国第11/678,053号专利申请的名称为“检测痕量化学物质的微结构”，申请日为2007年2月22日，上述两个专利申请共同要求美国第10/852,787号专利申请（已授权为美国第7,384,792号专利）的优先权，美国第10/852,787号专利申请的名称为“制备纳米结构表面和表面增强型光散射探针结构的方法”，申请日为2004年5月24日。上述专利申请的内容通过引用被包含于本申请。

背景技术

本申请涉及化学分离方法和设备。

在许多领域，如环境监测和保护、机场安全、食品安全及疾病检测和诊断，检测及识别一种未知样品的化学组成通常是必需的。这种任务经常通过首先分离样品中的不同化合物，然后将识别技术应用到每种被分离的化合物来执行。最普遍的在气相或液相中分离不同化合物的方法之一被称为气相色谱法（GC），其中，如果未知样品非气态，则需气化后被载气直接载入，气体中各种化合物根据它们不同的气态分子属性如极性，对色谱柱和周围环境的吸附性等被分离。分离液相中未知化合物的标准方法被称为液相色谱法（LC）。

化合物一旦被分离，即可被识别。识别化合物最简单的方法是记录每种化合物通过气相或液相色谱仪的保留时间，因为不同的化合物对应不同的保留时间。但这种方法受限于对成分了解较多的样品并且需要标准品来获得相同工作条件下它们的保留时间。

识别被分离的化合物的更有效的方法是检测该化合物发射、透射、反射或散射光的不同波长强度。如果每种化合物发射、透射、反射或散射不同的光，并且光谱仪具有足够的光谱分辩率来检测这些不同，这种称为光谱学的技术就可以起作用。更特殊地，不同的化学成分发射、透射、反射或散射具有强度差异的不同的光波长。这些数据的曲线图或照片被称作该化合物的光谱。不同的光谱学类型再现一化合物在不同波长和/或在不同条件下的光谱。如果使用的光谱学类型为每种化学成分提供唯一的光谱，一种未知化合物可通过生成光谱（例如，通过照射该化合物并测量从其反射、散射或发射的光）并将它的光谱与已知化合物的光谱相比较被识别。因此，从一种样品中分离化合物的气相或液相层析，与光谱仪一起使用，一旦化合物被分离就能够识别它们。

为提高分析灵敏度可采用富集手段。富集手段有两种主要方式：浓缩、固-液萃取和合并。浓缩是将大体积一是溶液蒸发来提高待测物质浓度、二是利用固-液萃取将大体积溶液通过固体吸附剂吸附待测物然后用小体积溶液洗脱而达到浓缩；合并是在分离待测物质体积太少时可将多次分离物和在一起。层析色谱方法是最好的富集工具选择。

气相或液相层析的一个挑战是提供一种方便灵活还能进行样品物质检测的的设备。气相或液相层析法的另一个挑战是使设备具有高灵敏度以致极微量的痕量化学物质也能被精确的检测。

发明内容

一方面，本发明涉及一种集成化学分离设备，包括：一化学分离单元，能够分离样品溶液中的多种物质并连续输出样品溶液中的多种物质；一个或多个混合槽，能够在不同时间接收样品溶液中的多种物质；一化学分离和检测控制器；一多通道阀门，能够在化学分离和检测控制器控制下，连续将样品溶液中的多种物质导向一个或多个混合槽中，其中化学分离和检测控制器能够在一个或多个混合槽中引进纳米颗粒以允许多种物质中的每一种被吸附到纳米颗粒上；及一拉曼散射光谱单元，能够发射一激光束以照射吸附在纳米颗粒表面的分子并得到来自多种物质的拉曼光谱。

该系统的实施可包括以下所述的一方面或多方面。该集成化学分离设备可进一步包括一计算机，能够根据来自吸附在纳米颗粒上的分子的散射光识别多种物质。该集成化学分离设备进一步包括被加到化学分离单元输出上的化学检测器，其中当多种物质中的每一种离开化学分离单元时，该化学检测器能够检测样品溶液中的多种物质并发送检测信号至化学分离和检测控制器，其中化学分离和检测控制器能够转换多通道阀门以将多种物质中的一种导向一个或多个混合槽中的一个。该化学分离和检测控制器能够控制多通道阀门以将样品溶液中多种物质中的相邻物质导向一个或多个混合槽中的不同槽中。纳米颗粒的平均直径可在2-500纳米(nm)范围内。纳米颗粒的尺寸分布以平均直径da和分布宽度dw为表征，其中dw/da比值在约0.01-3之间。纳米颗粒的材料选自金属、合金、氧化物、碳、硅、聚合材料、磁性的或铁磁性的材料、碳纳米管的材料，或其组合。纳米颗粒包括铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铬（Cr）、锌（Zn）、锡（Sn）、钯（Pd）或铂（Pt）、碳（C）、硅（Si），或其氧化物，或其组合。纳米颗粒能够由两种或更多材料形成核-壳结构。化学分离和检测控制器能够在一个或多个混合槽中引进盐溶液以增强拉曼光谱的强度。该盐溶液包括多价离子。该盐溶液包括Na⁺、K⁺、Li⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Sn²⁺、Sn⁴⁺、F^-、Cl^-、Br^-或I^-。在与盐溶液混合后,样品溶液的离子浓度从约100μM至饱和水平。该集成化学分离设备进一步包括一第一容器，能够存放包含纳米颗粒的纳米颗粒溶液；及与第一容器和一个或多个混合槽之一流通的第一阀门，其中化学分离和检测控制器能控制第一阀门的打开和关闭以控制纳米颗粒释放至一个或多个混合槽中。该集成化学分离设备进一步包括一存放盐溶液的第二容器；及与第二容器和一个或多个混合槽之一流通的第二阀门，其中化学分离和检测控制器能控制第二阀门的打开和关闭以控制盐溶液释放至一个或多个混合槽中。该化学分离单元包括一液相色谱（LC）柱或一高效液相色谱（HPLC）柱。该化学分离和检测控制器能控制化学分离单元中样品溶液的温度或压力。一个或多个混合槽的每一个都包括一透明壁或窗以允许激光束和散射光的透过传输。拉曼散射光谱仪单元包括一激光源，能够发射激光束以照射一个或多个混合槽中的纳米颗粒上吸附的分子，及一拉曼光谱仪，能够产生与来自吸附在纳米颗粒表面上的分子的散射光对应的拉曼光谱。

另一方面，本发明涉及一集成化学分离设备，包括一单一的设备本体；一化学分离单元，能够分离样品溶液中的多种物质并连续输出样品溶液中的多种物质；一个或多个混合槽，能够在不同时间接收样品溶液中的多种物质；一化学分离和检测控制器；一多通道阀门，能够在化学分离和检测控制器控制下，将样品溶液中的多种物质连续导向一个或多个混合槽，其中化学分离和检测控制器能够将纳米颗粒引入一个或多个混合槽中，以使多种物质中的每一种被吸附到纳米颗粒上；及一拉曼散射光谱单元，能够发射一激光束，照射吸附到纳米颗粒表面的分子并得到来自多种物质的拉曼光谱，其中化学分离单元、一个或多个混合槽、多通道阀门、化学分离和检测控制器及拉曼散射光谱单元包含在或安装到单一的设备本体上。

另一方面，本发明涉及一集成化学分离设备，包括一单一的设备本体；一化学分离单元，能够从流体中分离化学物质，一拉曼检测基底，包含多个位于拉曼检测基底上的纳米柱体或位于拉曼检测基底内部的纳米孔隙，其中纳米柱体或纳米孔隙的表面包含一种能够从流体中吸附化学分子的金属材料；及一拉曼散射光谱仪单元，能够发射激光束以照射吸附在位于拉曼检测基底中的多个纳米柱体或纳米孔隙表面上的分子，并根据来自吸附在位于拉曼检测基底中的多个纳米柱体或纳米孔隙表面上的分子散射光检测化学物质，其中化学分离单元、拉曼检测基底和拉曼散射光谱单元包含在或安装于单一的设备本体上。

该系统的实施还包括以下所述的一方面或多方面。金属材料包括贵金属。拉曼检测基底包括：硅质或玻璃基底；及位于硅质基底上的导电层，其中纳米柱体竖直置于导电层上。该导电层包括钛或镍。多个纳米柱体的直径在1-300nm范围内。多个纳米柱体的高度在1-1000nm范围内。多个纳米孔隙的直径在1-300nm范围内。多个纳米孔隙的深度在1-1000nm范围内。拉曼检测基底上的多个纳米柱体或纳米孔隙中心至中心的间距在1-1000nm范围内。化学分离单元能够从气体中分离化学物质。化学分离单元包含一毛细管柱或一分子筛，其中的每一种被配置用来从气体或液体中分离化学物质。集成化学分离设备进一步包括一注射器，能够将气体或液体注射到毛细管柱中。化学分离单元能够从气体或液体中分离化学物质。该化学分离单元包括一液相色谱（LC）分离柱，或气相色谱（GC）分离柱或一分子筛，其中的每一种被配置用来从气体或液体中分离化学物质。该集成化学分离设备进一步包括一第一泵，能够将化学分离单元的液体或气体泵入拉曼检测基底。该集成化学分离设备进一步包括一第二泵，能够将流出的液体或气体泵出拉曼检测基底或检测试剂并排出集成化学分离设备;及一溶剂存储器，能够提供与将要泵出集成化学分离设备的流动的液体或气体混合的溶剂。该拉曼检测基底包括一流体导管，能够将流体输送到多个纳米柱体或纳米孔隙表面或检测试剂的附近，以使化学分子吸附到纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中的纳米颗粒的表面。该集成化学分离设备进一步包括一检测控制器，能够生成一温度偏差、一电场或一磁场至拉曼检测基底或检测试剂，以辅助来自纳米柱体或纳米孔隙表面或检测试剂中流体的化学分子的吸附。该集成化学分离设备进一步包括一化学分离控制器，能够控制化学分离单元从流体中分离化学物质。该化学分离控制器能够控制化学分离单元中流体的温度或压力以辅助化学物质从流体中分离。该拉曼散射光谱单元包括一激光源，能够发射激光束以照射吸附在拉曼检测基底中纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中纳米颗粒表面上的分子；及一拉曼光谱仪，能够产生与来自吸附在拉曼检测基底中多个纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中纳米颗粒表面上的分子的散射光对应的拉曼光谱。该集成化学分离设备进一步包括一检测控制器，能够控制拉曼基底的温度或为其提供一电场或磁场，以辅助来自纳米柱体或纳米孔隙表面上流体的化学分子的吸附；一化学分离控制器，能够控制化学分离单元中流体的温度或压强；及一计算机处理器，能够控制检测控制器或化学分离控制器，其中检测控制器、化学分离控制器及计算机处理器包含在或安装于单一的设备本体上。

另一方面，本发明涉及集成化学分离设备，包括一单一的设备本体；一化学分离单元，能够从流体中分离化学物质；一拉曼检测基底，包括拉曼检测基底上的多个纳米颗粒，含有纳米颗粒的检测试剂，其中纳米颗粒的表面能够吸附来自流体的化学分子；以及一拉曼散射光谱单元，能够发射一激光束以照射吸附在拉曼检测基底表面上的分子并根据吸附在拉曼检测基底上多个纳米颗粒上的散射光检测化学物质，其中化学分离单元、拉曼检测基底和拉曼散射光谱仪单元包含在或安装于单一的设备本体上。

该系统的实施还包括以下所述的一方面或多方面。纳米颗粒可以通过在拉曼检测基底表面引入溶液，随后蒸发溶液中溶剂而沉积到拉曼检测基底的表面上。纳米颗粒的材料选自包括金属、合金、氧化物材料、硅、复合材料、磁性的或铁磁性的材料及其组合。纳米颗粒的材料选自铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铬（Cr）、锌（Zn）、锡（Sn）、钯（Pd）或铂（Pt）、碳（C）、硅（Si），及其金属氧化物，及其组合，或其纳米颗粒多层或多壳结构。纳米颗粒可包括碳纳米管。纳米颗粒可以是溶胶液相。

另一方面，本发明涉及从流体中分离一种物质及确定该物质属性的方法。该方法包括利用集成的物质分离和分析设备中的物质分离单元从流体中分离一种物质；从流体中将该物质的分子吸附到安装于集成化学分离和分析设备中的拉曼检测基底上的纳米柱体、纳米孔隙或检测试剂中的纳米颗粒表面上的金属材料上；通过集成化学分离和分析设备中的拉曼散射光谱仪单元发射激光束以照射吸附在拉曼检测基底或检测试剂中的多个纳米柱体、纳米孔隙或纳米颗粒表面上的分子，以及根据吸附在拉曼检测基底上的多个纳米柱体、纳米孔隙或检测试剂中的纳米颗粒表面上的分子的散射光确定该物质的属性。

该系统的实施还包括以下所述的一方面或多方面。该拉曼散射光谱单元包括一激光源，能够发射激光束以照射吸附在拉曼检测基底上多个纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中的纳米颗粒表面上的分子；以及一拉曼光谱仪，能够产生与来自吸附在拉曼检测基底上多个纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中的纳米颗粒表面上的分子的散射光对应的拉曼光谱。该方法进一步包括控制温度或通过检测控制器施加电场或磁场到拉曼检测基底或检测试剂上，以辅助来自流体的分子被吸附在检测基底上纳米柱体或纳米孔隙或检测试剂中纳米颗粒的表面上。从流体中分离一物质的步骤包括控制化学分离单元中流体的温度或压力。该方法进一步包括引入含有纳米颗粒的溶液或溶胶至基底表面；以及使溶液或溶胶中的溶剂在该物质分子被吸附到纳米颗粒表面之前蒸发。该流体可以是气体或液体，其中气体或液体中的物质分子被引入到纳米柱体、纳米孔隙或检测试剂中纳米颗粒的表面。

采用固-液萃取方法可有效富集超低浓度的待测物。使用大体积的超低浓度的待测物通过固体吸附剂而被吸附在固体相上，其他高浓度化合物未被吸附而流出。最后，用小体积洗脱液将被测物洗脱达到浓缩富集。此技术还有分离功能，又称作分离富集。

本发明的优点可具体体现在下列一个或多个方面。本发明公开的系统和方法提供了一种能够进行化学分离和拉曼散射以检测和分析痕量化学物质的集成设备。本发明公开的集成设备利用可替换的纳米级表面结构，能够通过吸附待测化学分子的拉曼检测基底或检测试剂而显著提高检测敏感度。检测灵敏度也能通过优化入射激光束以及散射光相对于拉曼检测基底或检测试剂中纳米级表面结构的方向而得到增强。

本发明公开的系统和方法也提供了一种组件数量减少，占用空间减少的便携式集成化学分离、样品富集和拉曼散射设备，从而减少了系统的花费。集成化学分离、样品富集和拉曼散射设备可在便于样品采集的位置方便地输送及使用，从而允许快速测量周转。本发明公开的系统及方法也能灵活地运用于或结合于多种化学分离技术如液相色谱法(LC)、高效液相色谱法(HPLC)及气相色谱法(GC)等等。

附图说明

图1A是本发明集成拉曼化学分离设备的系统框图。

图1B是一示例用的集成拉曼散射气体化学分离设备的示意图。

图1C是一示例用的集成拉曼散射液体化学分离设备的示意图。

图1D是适用于图1B示例的集成拉曼散射气体化学分离设备及图1C示例的集成拉曼散射液体化学分离设备的一示例用的集成拉曼光谱仪单元的示意图。

图2是用于制作纳米级表面结构的多层结构的剖视图。

图2A是图2中多层结构阳极氧化后的前剖视图。

图2B是图2A多层结构的俯视图。

图2C是图2B沿水平线的侧剖视图。

图3是化学腐蚀或化学机械抛光后的纳米级表面结构的剖视图。

图4是蚀刻至导电层后的纳米级表面结构的剖视图。

图5A显示纳米孔隙及纳米级表面结构上的贵金属沉积。

图5B显示移除了贵金属材料后的纳米结构。

图6是由移除了氧化物材料的贵金属材料构成的纳米柱的前剖视图。

图7A-7D是由交替过程形成的纳米结构的前剖视图。

图7E和7F是图7D纳米结构的顶视图。

图7G是图7E沿A-A线的剖视图。

图8是本发明另一集成拉曼散射化学分离设备的系统框图。

图9是图8中集成拉曼散射化学分离设备的示意图。

图10显示一示例用的通过液相色谱法或高效液相色谱法分离的物质的光谱信号曲线。

图11A是一示例用的适用于图8中集成拉曼散射化学分离设备的纳米颗粒的扫描电子显微照片示意图。

图11B是一示例用的适用于图8中集成拉曼散射化学分离设备的纳米颗粒的尺寸分布。

图12显示一些示例用的物质的拉曼光谱数据。

图13是通过图8中集成拉曼散射化学分离设备得到的示例的拉曼光谱数据图。

具体实施方式

一个或多个实施例的细节在附图及以下的描述中有详细的说明。本发明的其他特征、目的及优点在所述描述、附图及权利要求中是显而易见的。

本发明的一种集成拉曼散射化学分离设备10，参考图1A，包含一样品采集单元11，一化学分离单元12，一化学分离控制器13，一拉曼检测基底或检测试剂14，一拉曼光谱仪单元15及一检测控制器16，可包含在或安装到设备本体上，如以下描述的实施例所示。设备本体包含一刚性底座、一仓室、一刚性固定装置或能固定附件的框架。样品采集单元11能够采集来自气体、液体、固体或气溶胶。样品包括要通过集成拉曼散射化学分离设备10检测及识别的微痕量化学物质。化学分离单元12能够在化学分离控制器13的控制下分离包含在样品中的一种或多种化学物质。如以下更多细节的描述，化学分离控制器13能够控制化学分离单元12中的流体（液体或气体）或气溶胶的压力和温度以产生更明显的化学物质分离。经化学分离单元12分离的化学物质被拉曼检测基底或检测试剂14接收。

拉曼检测基底或检测试剂14包含微米或纳米结构，如基底上的一阵列柱体或基底中的一阵列孔隙或检测试剂中的纳米颗粒。柱体或孔隙的直径范围在0.5-1000nm。拉曼检测基底或检测试剂14接收的化学物质能够被微米或纳米结构的表面吸附。如图1B-1D所示，拉曼光谱单元15包含一激光源51，能够发射一激光束52。该激光束52能够穿过分光器53及一光学系统54以照射拉曼检测基底或检测试剂14。来自拉曼检测基底或检测试剂14的散射光能够被光学系统54采集并被分光器53导向拉曼光谱仪55。拉曼检测基底或检测试剂14上的微米或纳米级表面结构吸附的化学物质的拉曼光谱可通过拉曼光谱仪55获得。拉曼光谱仪55及激光源51能被计算机处理器17控制。

重新参考图1A，拉曼光谱可通过计算机处理器17分析，其中化学物质通过识别拉曼光谱中一个或多个化学物质的信号被确定。计算机处理器17也可被包含在相同的设备本体中。化学分离控制器及检测控制器16可被计算机处理器17控制。激光源51也可以被计算机处理器17控制。拉曼光谱仪55可被计算机处理器17控制并发送测量的拉曼光谱数据到计算机处理器17进行分析并辨识确定化学物质。

微结构表面可包含导电材料，能够增强拉曼光谱的信号强度。拉曼散射信号的强度能通过检测控制器16控制基底温度或施加电场或磁场到基底上被进一步增强。拉曼检测基底包括多个直径在0.5-1000nm范围内的孔隙。拉曼检测基底包括多个中心到中心间距在0.5-1000nm及高度或深度在0.5-1000nm的柱体或孔隙。结构的细节及拉曼检测基底或检测试剂14和检测控制器16的操作已被以上提及的共同转让的名称为“制备纳米结构表面和表面增强型光散射探针结构的方法”，申请日为2004年5月24日的美国第10/852,787号专利申请（已授权为美国第7,384,792号专利）及名称为“表面增强型拉曼散射纳米结构阵列”，申请日为2006年11月21日的美国第11/562,409号专利申请（已授权为美国第7,460,224号专利）及名称为“改进的检测化学及生物物质的系统和方法”，申请日为2009年3月13日的美国第12/403,522号专利申请（已授权为美国第8,102,525号专利)所公开，上述专利申请的内容通过引用被包含于此。

在一实施例中，参考图1B，一集成拉曼散射气体化学分离设备20包括一设备本体21、一注射器22及一安装在设备本体21上的入口23、与注射器22联通的一个或多个毛细管柱24、一气室28及一入口25和一联通气室28与设备本体21外部的出口26。设备本体21可以是能够放置毛细管柱24、气室28、注射器22、入口23、入口25和出口26的一刚性底座、一刚性框架或一刚性圆筒。设备本体21可由金属、玻璃或其他刚性材料或不同类型刚性材料的组合构成。毛细管柱24可由不锈钢、聚四氟乙烯、塑料和硅玻璃制成。可以根据待测化学物质选择不同的材料。毛细管柱24的末端可旋入安装到入口25和注射器22。注射器22能够将气体注射进毛细管柱24并提供不同的压力差以推进气流穿过毛细管柱24。

拉曼检测基底14可置于气室中。气室28可由封入气体样品至合适的浓度的不锈钢制成，以使化学物质被吸附在拉曼检测基底或检测试剂14的微米或纳米表面。气室28包括一允许在拉曼光谱仪单元15和拉曼检测基底或检测试剂14之间光传输的窗口。拉曼光谱单元15可位于设备本体21的里面或上方。集成拉曼散射气体化学分离设备20进一步包括一与毛细管柱24进行热交换的温度控制器29。计算机处理器17也可以被包含在集成拉曼散射气体化学分离设备20中。计算机处理器17也可位于设备本体21的里面或上方。计算机处理器17能生成温度控制信号并分析拉曼光谱仪单元15中的拉曼光谱仪55输出的拉曼光谱信号。与传统的气体化学分离系统和拉曼散射光谱系统的集合相比，集成拉曼散射气体化学分离设备20可建构成紧凑小巧的尺寸。例如，公开的集成拉曼散射气体化学分离设备20可具有紧凑的占用空间，例如，约100cm×80cm，高度100cm。另一例子中，集成拉曼散射气体化学分离设备的设备本体21可具有4吋（″）×6″×4″（宽×长×高）的尺寸。

由于其小巧的尺寸，集成拉曼散射气体化学分离设备20可方便地传送或放置在易于采集气体样品的位置。例如，集成拉曼散射气体化学分离设备20可放在机场或港口安全检查点相邻位置，用来检测有害物质如爆炸物、化学或生化物样品、毒品、毒物、核物质及易燃物。气相样品可通过入口23利用注射器22进行采集。注射器22包括一空气泵，能够在计算机处理器17的控制下从周围环境中抽取气相样品。采集的气相样品被压入毛细管柱24。压力被施加到流动相样品，从而气体分子的平均速度能够通过计算机处理器17进行控制。气相样品可包括每种都具有不同分子属性的化学物质的混合物。毛细管柱24能够在不同种类的分子流上生成不同大小的摩擦力，从而使它们能够通过毛细管柱24长度被分离，以生成相位分离的气体27。例如，较轻质量的分子与较重的分子相比移动的更快。对毛细管柱24侧壁的吸附作用也能够影响气体分子的移动。快速移动的气相分子能够首先离开毛细管柱24并进入气室28，随后是缓慢移动的分子。相位分离的气体27中的分子能够被吸附到拉曼检测基底或检测试剂14的微结构表面。拉曼光谱仪单元15能够测量吸附在拉曼检测基底或检测试剂14的微结构表面的分子的拉曼光谱。当不同分子进入气室28并吸附到拉曼检测基底或检测试剂14的微结构表面上时，拉曼光谱在不同时间被测量。废气19从出口26离开。

在一实施例中，相同的检测基底14可用来吸附不同的气相分子。后来的分子至少能部分替代较早吸附在拉曼检测基底或检测试剂14的微结构表面上的一些分子。选择性地，拉曼检测基底或检测试剂14可随着时间推移进行更换，以在新种类的分子进入气室28时提供新的微米或纳米级表面结构来吸附分子。

在一实施例中，毛细管柱24的温度可被温度控制器29控制以提高分子的分离。例如，毛细管柱24的温度在气相分离的最初阶段可被控制在相对高的温度以加快快速移动的气体分子的移动。毛细管柱24的温度可随着时间降低以减缓缓慢移动的气相分子。温度的梯度因此能加长快速移动与缓慢移动的分子间的分离时间，其能增加光谱数据的采集时间，从而增加拉曼光谱中的信噪比。

在另一列举的实施例中，参考图1C，一集成拉曼散射液体化学分离设备30包括一设备本体31、一安装在设备本体31上的入口33、一液体泵32、一通过一送料管34与液体泵32流通的液相色谱分离柱35、一具有液体导管36-37的基底45、一通过一回料管39与液体导管37流通的液体泵41及一安装在设备本体31上与液体泵41流通的出口40。液体导管36-37与拉曼散射基底或检测试剂14相联通并能够将液体或气溶胶带到拉曼检测基底或检测试剂14的微米或纳米表面附近。液相色谱分离柱35可例如通过毛细管柱24来实施（图1B）。设备本体31是一能够包含、容纳或安装于上述各种组件的刚性附件。例如，设备本体可以是由一种或多种刚性材料制成的一底座、一隔间或一仓室。

拉曼散射液体化学分离设备30也可包括一溶剂存储器42，通过送料管38提供溶剂至液体导管37及一个或多个阀门43-45，用于打开或关闭经过导管和泵的液体流。拉曼散射液体化学分离设备30也可包括一拉曼光谱仪单元15和一计算机处理器17。计算机处理器17能够控制液体泵32和41，并选择地控制阀门43-45。基底45可以安装在设备本体31的底部。送料管38、入口33、出口40及拉曼光谱仪单元15可安装在设备本体31上。拉曼散射液体化学分离设备30可被设置成一件易于传送至部署位置的小巧单一的设备。

操作时，阀门43-45打开。包含化学混合物的液体通过液体泵32沿送料管34泵至液相色谱分离柱35。液相色谱分离柱35能分离化学成分，以使不同类型的分子在不同时间（称为每种化学物质的保留时间）流出液相色谱分离柱35进入液体导管36。载有分离的分子的液体被输送至拉曼检测基底或检测试剂14的微米或纳米表面，其中分子能吸附到微米或纳米表面。如以上所述，拉曼检测基底或检测试剂14包括如孔隙或柱体或检测试剂中的纳米颗粒结构，直径在1nm至几百nm范围内。结构表面可被对待测分子具有高亲和性的材料覆盖。流动的液体离开拉曼检测基底,或化学物质被检测的管道及含有纳米颗粒的检测试剂14并流入液体导管37及回料管39，最终通过液体泵41泵出出口40。溶剂存储器42能为液体导管37及回料管39提供溶剂，以平衡由液体泵32和41产生的流速与压力。

在一实施例中，拉曼散射气体化学分离设备20或拉曼散射液体化学分离设备30包括一检测控制器16（图1A），能施加温度偏差、电场或磁场到拉曼检测基底或检测试剂14。例如，检测控制器16能冷却拉曼检测基底或检测试剂14，增强微米或纳米表面的分子吸附，从而增强拉曼光谱信号。考虑到微结构中通过激光源51发射激光束52产生的热量，冷却就特别重要。检测控制器16能被计算机处理器17控制。拉曼散射液体化学分离设备可制作的小巧紧凑。例如，拉曼散射液体化学分离设备的设备本体31可具有小巧的尺寸如6″×8″×6″（宽×长×高）。

本发明可具有以下一个或多个优点。本发明公开的系统和方法提供了一种能够进行化学分离及拉曼散射来检测和分析微痕量化学物质的集成设备。本发明公开的集成设备能够通过使用可替换的拉曼检测基底或含有纳米颗粒的检测试剂显著提高检测灵敏度，该拉曼检测基底或含有纳米颗粒的检测试剂具有能够吸附待测化学物质的分子的纳米级表面结构。检测灵敏度也可以通过优化与拉曼检测基底或含有纳米颗粒的检测试剂中的纳米结构的方向相对的偏振入射激光束和散射激光的方向，或向激光入射形态结构施以更大的立体角来接受更多的散射信号而得到提高。

本发明公开的系统和方法也提供了一种具有组件减少、占用空间减小的小巧的集成化学分离和拉曼散射设备，从而减少了系统花费。集成化学分离和拉曼散射设备能够方便地传送和部署到易于采集样品的位置，使现场检测具有快速测量能力。

本发明公开的系统和方法也可以灵活地应用到各种化学分离技术如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）及离子色谱法等等。在另一个例子中，本发明公开的系统和方法也适用于使用分子筛的化学分离。典型的分子筛具有能捕捉被分析化学物质以使不需要的其他化学物质被分离。例如，一种分子筛材料是包含从气体或液体中捕捉目标化学物质的孔隙的沸石。特别地，由聚合物、金属珠、化学珠及其他合成化合物制成的纳米颗粒可排列在筛孔表面。纳米颗粒可被设置以增强被分析的化学物质的分离及增强拉曼散射信号。分子筛可用来从公开的集成拉曼散射液体化学分离设备或集成拉曼散射气体化学分离设备中的液体或气体中分离化学物质。

可以理解的是，本发明公开的系统和方法适用于除液相色谱法（LC）、高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱法（GC）和离子色谱法（IC）之外的不同类型的化学分离技术。本发明公开的系统和方法适用于不同类型的化学分离技术。计算机处理器包含有线的或无线的通信设备以使拉曼散射流体化学分离设备与远程计算机相联通或被远程计算机控制。化学物质从而能被远程拉曼散射流体化学分离设备监控及检测并将测量结果实时输入计算机。光学系统存在不同的排列以促进激光照射和散射光采集。

值得注意的是，检测化学物质的传统方法首先包含化学分离方法，随后是检测器，例如，紫外线传感器或质谱仪。目前公开的纳米增强拉曼光谱检测方法上的系统和方法可与化学分离方法（LC、HPLC、GC或IC）一起应用。在目前公开的系统和方法中,拉曼光谱检测可在单一系统中与化学分离集成。

拉曼检测基底14中纳米结构的制作细节如以下描述。拉曼检测基底14包含纳米级表面结构及顶部感应层。在一些实施例中，图2-6显示制作适用于目前公开的集成拉曼散射化学分离设备的纳米结构（纳米柱或纳米孔隙）过程中处于不同步骤的结构。图2显示了具有硅基底105（如n-型硅芯片或氧化的p-型硅芯片）及沉积在硅基底105导电导热层110的双层结构。导电层110可由金属材料如钛和镍构成。导电层110可行使几个功能：能最好地粘着连续沉积的贵金属材料，如银或金。导电层110也能在实施时将电偏压施加于感应表面或作为利用感应层较低温度的导热层。这种金属薄膜的厚度能被控制在

范围内。

铝层115被沉积在导电层110的顶部。铝层115具有99.999%纯度的Al及1.0-10.0μm的厚度范围。在阳极氧化之前，具有钛导电层和铝层的硅芯片在氮气反应炉中400℃-500℃退火2-5小时以使铝层115再结晶。实施阳极氧化过程以将铝层115转换成含有铝氧化物的多孔结构，如图2A-2C所示。多孔结构包含由孔壁114围绕的多个孔112。然后进行图3的湿法氧化刻蚀以移除多孔结构中的铝氧化物。进行第二次阳极氧化以消耗掉导电层110上的所有铝材料。

然后进行氧化刻蚀以拓宽孔隙直径，如图4所示。湿法刻蚀过程完成后，孔隙112被向下延伸到导电层。产生的多孔氧化层的厚度可以通过铝物理气相沉积（PVD）、阳极氧化以及连续湿法刻蚀的加工参数进行控制。纳米孔隙可以自组装形成六边形阵列。孔直径（d）取决于施加的阳极氧化电压（V），电流密度（i）、电解液及连续的孔拓宽湿法刻蚀过程，而内孔间距（D）取决于施加的阳极氧化电压（V）、电流密度（i）和电解液。

贵金属120，层厚度范围为1-500nm，如3-200nm，被引入到孔隙112，如图5A所示。贵金属120包括银或金。贵金属120可通过物理气相沉积（PVD），原子层沉积（ALD）进行沉积或通过电镀或湿法化学工艺形成。

贵金属120的顶层与填充孔隙112的贵金属120-N一起被移除，如图5B所示。然后进行湿法金属刻蚀或化学机械抛光（CMP）以顶面平面化并调整填充孔隙112的贵金属120-N的高度。铝氧化物及纳米柱120-N之间的残余铝层115被移除，如图6所示，从而形成包含一阵列由贵金属材料形成的纳米柱120-N的纳米结构100。纳米柱具有可控高度（H）及相邻纳米柱体之间具有确定的距离（D）。纳米结构100的尺寸可通过铝层物理气相沉积、铝材料的阳极氧化及湿法刻蚀和/或阳极氧化结构的化学机械抛光（CMP）的工艺参数进行控制及定制。

本发明因而提供了在硅（100）基底上通过这些新的工艺步骤制作的纳米结构表面。通过使用纳米结构表面，硅基底520cm^-1附近的拉曼散射峰被用作实时校准光谱频率和强度的内参。电压可通过导电层110被施加到纳米结构感应表面，以吸附带电分子簇，例如取决于检测应用的或带负电或正电的颗粒形式的带电荷微痕量化学物质。此外，导电层110也可被冷却到低于室温的较低温度以进一步提高相关分子的表面吸附。

在一些实施例中，参考图7A-7F，显示了制作适合于本发明的纳米结构的另一过程。图7A显示包含导电导热层135及硅晶片基底130的双层结构。导电层135包含钛（Ti）或镍（Ni）层。基底130可以是n-型硅（100）平面薄晶片（3-8Ω-cm）或氧化的（30-50nmSiO₂）p-型硅（100）平面薄晶片（5-10mΩ-cm）。此导电金属薄膜135的厚度可被控制在

范围内，以吸附可被连续沉积其上的贵金属层。贵金属层包括银或金。金属层135的厚度可加以优化，从而对微痕量化学物质检测感应面施加电偏压，进一步地，为增应痕量化学物质检测的敏感性而降低感应面的温度。

图7B中，贵金属层140被沉积到导电层135的顶部。贵金属层140包括银且厚度为10-200nm。图7C中，第二金属层145，例如，纯度99.999%厚度在1.0-10.0μm的铝层被沉积在贵金属层140的顶部。然后第二金属层145在氮气反应炉中400℃-500℃退火2-5小时以使铝膜重结晶。

如图7D所示，进行阳极氧化以产生多孔铝氧化物形式的多孔结构。图7E中的顶视图显示了由自然地自组装六边形纳米孔隙阵列构成的多孔结构，该纳米孔隙阵列包括被六边形孔壁149环绕的多个孔隙148。在通过湿法化学工艺移除了顶部氧化层后，进行二次阳极氧化过程以消耗掉贵金属层140上的铝材料。然后进行湿法刻蚀过程以拓宽孔隙148。如图7F所示，随着湿法刻蚀过程的进行，孔隙148被拓宽且环绕着孔隙的壁149变薄。可控制刻蚀过程以至形成由壁149环绕的多个纳米孔隙148或孔隙148被拓宽至孔148切向接触到彼此。穿过六边形阵列中的孔隙的刻蚀产生了一阵列准三角形柱149’（例如，图1中一个适用于拉曼检测基底14的纳米柱体的例子）。

在图7F和7G中，贵金属层140被刻蚀掉，孔隙148向下延伸至导电的钛金属层135。在上述图1–6所示实施例中，本方法的优点在于i)钛金属层135和银金属层140之间更好的薄膜吸附；ii)相邻纳米孔隙之间更短的距离，例如，图7F所示的D，在其他所有工艺条件相同的情况下与D_B相比减少了约40%；iii)纳米柱体149’的高度可通过银物理气相沉积（PVD）被很好地控制，以至于其通过整体硅晶片级工艺的薄膜厚度变化在±2%以内。

通过以上描述，银、金或铜的三角形纳米柱阵列149’或六边形纳米孔隙阵列148’形成自组装纳米感应表面，其中每个银、金或铜纳米柱或纳米孔隙阵列在空间上彼此分离。

纳米柱阵列的尺寸大小可通过以上提到的工艺被很好地控制。特别地，阵列的尺寸和大小被很好地控制在以下设定的范围内：

1）钛金属薄膜厚度：10-1000nm

2）纳米柱体直径，d：5-300nm

3）纳米柱体颗粒间距，D：10-1000nm

4）纳米柱体高度，H：10-1000nm

另一方面，纳米孔隙阵列的尺寸和大小可通过上述工艺被很好地控制。特别地：

1）钛金属薄膜厚度：10-1000nm

2）纳米孔隙直径，d：5-300nm

3）纳米孔隙间距，D：10-1000nm

4）纳米孔隙深度：10-1000nm

在一些实施例中，拉曼检测基底或检测试剂14包括利用纳米颗粒的胶体悬浮溶液，溶胶，覆盖感应表面制备的纳米级表面结构。在溶液被转移到表面后，溶液被蒸发以将纳米颗粒留在表面上。纳米颗粒的尺寸至少要在一个维度上小于1,000nm。纳米颗粒被用来吸附待测物质的分子。

在一些实施例中，拉曼检测基底或检测试剂14包括，例如，含有纳米颗粒的溶胶。纳米颗粒的尺寸至少要在一个维度上小于1,000nm。纳米颗粒被用来吸附待测物质的分子。

在一些实施例中，包含待测物质的样品溶液可以引入纳米颗粒。纳米颗粒能够吸附待测物质的分子。激光束照射光学透明的样品容器，如试管，比色皿等等。一光学组件采集散射信号，然后将信号转移到分析仪。纳米颗粒的尺寸至少要在一个维度上小于1,000nm。纳米颗粒表面能显著增强来自纳米颗粒吸附的分子的拉曼散射信号。样品溶液中的待测物质包括化学物质、生化物物质及医学相关物质。

参考图8和9，一集成拉曼散射化学分离设备800包括一样品采集单元810、一用于分离样品溶液中的物质的化学分离单元820、一化学检测器830、一化学分离和检测控制器840、一多通道阀门850、一个或多个混合槽860，860A，860B、一盛放含有纳米颗粒872的溶液的容器870、一盛放盐溶液877的容器875及阀门871，876，分别控制释放纳米颗粒及盐溶液进入混合槽860，860A，860B中的一个。集成拉曼散射化学分离设备800还包括一拉曼光谱仪单元880，用来获得来自样品溶液中的物质的拉曼信号及一计算机890，用来分析拉曼光谱。以上引用的集成拉曼散射化学分离设备800中的组件可被集成及包含在或容纳于类似设备本体21，31（图2和图3）的单一设备本体中。设备本体包括一刚性底座、一仓室及能够固定附件的一刚性固定装置或框架。类似于图2和图3所示，集成拉曼散射化学分离设备800可以制作在方便携带的小巧的设备本体内。

样品采集单元810能够从气体、液体、固体或气溶胶中采集样品。样品包含需要集成拉曼散射化学分离设备800检测并识别的微痕量化学物质。样品被制备成样品溶液。样品采集单元810能进行初步过滤以除去固体颗粒、物质碎片及不需要的化学成分和杂质等等。例如，为了分析从河水中获得的环境样品，沙子、碎片、树叶及植物可通过样品采集单元810去除。固-液萃取富集超低浓度的待测物可将大体积的超低浓度的待测物通过固体吸附剂而被吸附在固体相上，然后，用小体积洗脱液将被测物洗脱达到浓缩分离富集。利用此方法即除去其他干扰成分又能富集待测物而大大提高检测灵敏度。

化学分离单元820被设置用来在化学分离和检测控制器840的控制下分离包含在样品中的物质。化学分离和检测控制器840能够控制化学分离单元820中流体（液体或气体）或气溶胶的压力和温度以产生更明显的化学物质分离。化学分离单元820以化学分离方法（LC、HPLC、GC或IC）为基础。在液相色谱法（LC）及高效液相色谱法（HPLC）中，样品被制备成溶液并通过流动相载入柱中。不同的化学成分以其化学属性根据不同时间，称作保留时间（Retention time），也就是流出柱子花费的时间，被分离。在一些实施例中，化学分离和检测控制器840能够控制化学分离单元820中样品溶液的压力和温度，以使样品溶液在保留时间阶段在柱中流动。

当不同的物质在不同时间流出化学分离单元820时，化学检测器830能够进行检测。例如，化学检测器830包括一紫外(UV)光谱仪，用来检测不同化学物质的光谱峰，如图10所示。根据溶液流动相的低光谱背景1020，不同化学物质的光谱峰1010被暂时分开。每当一个光谱峰被检测，化学检测器830发送检测信号至化学分离和检测控制器840。

与检测信号相对应，样品溶液流出化学检测器830一个时间间隔后，化学分离和检测控制器840转换多通道阀门850将化学分离单元820的样品溶液引入混合槽860，860A，860B中的一个。例如，样品溶液可被引入混合槽860（如图9所示）。阀门871与容器870和混合槽860相流通。阀门876与容器875和混合槽860相流通。化学分离和检测控制器840控制阀门871，876各自释放纳米颗粒溶液873及盐溶液877与样品溶液在混合槽860中混合。待测物质的分子被吸附在纳米颗粒872上（图11A）。

当光谱峰1010（图10）代表的物质经过后，多通道阀门850可被转换将样品溶液的流动相（与图10中光谱峰之间的光谱背景相一致的清澈的样品溶液）导向废液出口（未示出）。而且，流动相溶液可在每次光谱测量后，被用来清洗混合槽860，860A，860B及柱中的物质。混合槽860，860A，860B每个可包括一废液出口以在每次光谱测量后将样品溶液移弃到废液缸865。

需要注意的是，其他混合槽860A，860B每个可在阀门控制下与容器870，875流通（图9未示出），以在样品溶液到达各自的混合槽860A，860B时接收纳米颗粒及盐溶液与样品溶液混合。

纳米颗粒872，如图9和11A所示，可以圆形或不规则形状存在。纳米颗粒在溶液873中可各自分离及聚集成簇。纳米颗粒872具有一大小分布，如图11B所示，颗粒大小分布以平均颗粒直径da及分布宽度dw为表征。平均颗粒直径da范围为约1-10,000nm或2-500nm。dw/da比值的范围在约0.01-3，定义了完全单分散分布到多分散颗粒分布。dw/da比值通常范围在约0.03-1。

纳米颗粒872可由金属材料如铝（Al）、银（Ag）、金（Au）、铜（Cu）、铁（Fe）、钴（Co）、镍（Ni）、铬（Cr）、锌（Zn）、锡（Sn）、钯（Pd）、铂（Pt）及其合金，氧化物材料如钛氧化物、硅氧化物、氧化锌等，硅及其复合物材料制成。纳米颗粒872可由单一相材料或核-壳结构中两种或多种材料构成。纳米颗粒872可在样品溶液中带电以辅助纳米颗粒872间的分离及胶体悬浮的形成。纳米颗粒872也包括在颗粒表面附着聚合物帮助在样品溶液中排斥彼此。

目前公开的另一个方面，纳米颗粒872可由磁性的或铁磁性的材料如铁（Fe）、钴（Co）及镍（Ni）或包含Fe、Co、Ni的化合物，如铁（Fe）、钴（Co）及镍（Ni）的合金或氧化物构成。纳米颗粒872可由单一相材料或核-壳结构中两个或多种相的材料构成。电容或电磁铁（未示出）可通过施加电场、磁场或电磁场到混合槽860，860A，860B中的样品溶液来增强拉曼光谱信号。电场、磁场或电磁场可为不变的或交替的。

目前公开的另一个方面,溶液873可携带不同材料组成的纳米颗粒872的混合物。例如，纳米颗粒872包含硅纳米或微米颗粒与金属纳米颗粒的混合物或硅纳米或微米颗粒与聚合纳米颗粒的混合物或硅纳米或微米颗粒、金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒及复合纳米颗粒的混合物。拉曼信号强度可通过混合物组成来增强。

在一些实施例中，纳米颗粒872包括碳纳米管。碳纳米管的直径小于1,000nm。例如，碳纳米管的直径可从0.3nm到100nm。它们的长度可从5nm到几mm。碳纳米管的长度与直径的比值可高达5千万。碳纳米管可具有单壁或多壁。碳纳米管可以是富勒体、圆环面、纳米粒及纳米花。

盐溶液877也被制备用以增强来自纳米颗粒872的散射光的强度。盐溶液877包括离子特别是发明人发现的能显著增强来自微痕量化学物质的信号强度的多价离子。盐溶液877中的离子的例子，包括Na⁺、K⁺、Li⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Sn²⁺、Sn⁴⁺、F^-、Cl^-、Br^-和I^-等等。离子具有单电荷或优选双电荷或高电荷，阳性或阴性电荷。盐溶液877可包含离子化合物，包括但不限于LiF、NaF、NaCl、KCl、KI等。样品溶液在引入盐溶液877后，其离子浓度在0.1mM至饱和水平范围内。

拉曼光谱单元880包括一光源（如激光器）及一拉曼光谱仪。混合槽860，860A，860B包括一完全透明的壁或窗以接收一来自光源的入射光881并使散射光882离开并被拉曼光谱仪单元880中的拉曼光谱仪采集。混合槽860，860A，860B可被用作穿流光学室。拉曼光谱仪单元880中的光源能够接收当多通道阀门850被转向混合槽860及纳米颗粒溶液873与盐溶液877通过阀门871，876被各自释放时的时间信号。当样品溶液与纳米颗粒溶液873和盐溶液877在混合槽860中混合时，光源能够发射入射光881。来自散射光882的拉曼光谱由计算机890获得。微痕量化学物质可利用上述光谱信号进行识别。

在一些实施例中，参考图9，混合槽860，860A，860B为从化学分离单元820连续流出的不同物质提供平行物质检测通道。连续光谱峰1010（见图10）表示的物质可被导向不同的混合槽860，860A，860B（图9）以允许每种物质有足够的时间进行信号采集。这种多重检测通道的特征对检测及识别具有相近光谱峰的化学物质是非常有益的。

图12显示通过集成拉曼散射化学分离设备800（图8）获得的二甲苯异构体的拉曼光谱数据。二甲苯异构体包括间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯及不同类型二甲苯的混合物。每种物质以各自不同的可用于识别其物质的信号的光谱峰的设定来表征。

集成拉曼散射化学分离设备800（图8）可通过高效的方式为分析样品溶液中的一组物质提供丰富的光谱数据。参考图13，计算机890（图8和9）能采集在LC或HPLC一个样本中的大量光谱数据。以物质检测为基础的拉曼散射，光谱峰1010表示的每种物质，如图10所示，通过绘制光谱强度（纵轴）与拉曼位移（横轴）得到拉曼光谱曲线。当不同物质离开化学分离单元820超过一段保留时间，可获得在相同的样品溶液中不同物质的拉曼光谱曲线。不同物质的一些拉曼光谱峰会出现或消失。拉曼光谱峰的强度也因不同物质或不同物质浓度而不同。拉曼光谱峰及其拉曼位移，还有峰的形状及相对强度，可使用集成测量设备用来有效地识别连续工作流中（一个样本）样品溶液中微量的化学物质的化学名称和其含量浓度。

尽管本发明的特定实施例已在附图及之前的具体实施方式中进行阐明，可以理解的是，本发明并不限于这里描述的特定实施例，而是可以在不脱离本发明的精神下，做不同的重组、修饰及替代。例如，本发明公开的系统适用于能联网的不同的计算机设备、不同的设计和计算机设备上的不同形式的互联网web用户界面。

Claims (20)

1.一种集成化学分离设备，包括：

一化学分离单元，被设置用来分离样品溶液中的多种物质并连续输出样品溶液中的多种物质；

一个或多个混合槽，被设置用来在不同时间接收样品溶液中的多种物质；

一化学分离和检测控制器；

一多通道阀门，被设置用来在化学分离和检测控制器的控制下将样品溶液中的多种物质导向一个或多个混合槽，其中化学分离和检测控制器被设置用来将纳米颗粒引入一个或多个混合槽以使多种物质中的每一种被吸附在纳米颗粒上；及

一拉曼散射光谱仪单元，被设置用来发射激光束以照射吸附在纳米颗粒表面上的分子并获得来自多种物质的拉曼光谱。

2.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，还包括：

一计算机，被设置用来根据来自吸附在纳米颗粒上的分子的散射光识别多种物质。

3.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，还包括：

一化学检测器，被加到化学分离单元的输出上，其中化学检测器被设置用来在多种物质中的每种离开化学分离单元时，检测样品溶液中的多种物质并发送检测信号至化学分离和检测控制器，其中化学分离和检测控制器被设置用来转换多通道阀门以导向多种物质中的一种至一个或多个混合槽中的一个。

4.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述化学分离和检测控制器被设置用来控制多通道阀门以导向样品溶液中多种物质中的相邻物质至多个混合槽中不同的槽。

5.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述纳米颗粒的平均直径为2-500nm。

6.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述纳米颗粒的大小分布以平均直径da与分布宽度dw为表征，其中dw/da的比值为0.01-3。

7.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述纳米颗粒包含的材料选自金属、金属合金、氧化物材料、硅、聚合物材料、磁性的或铁磁性材料、碳纳米管或其组合。

8.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述纳米颗粒包含铝、银、金、铜、铁、钴、镍、铬、锌、锡、钯、铂、碳或硅，或其氧化物，或其组合。

9.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述纳米颗粒由核-壳结构中的两种或多种材料形成。

10.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述化学分离和检测控制器被设置用来在一个或多个混合槽中引入盐溶液以提高拉曼光谱的强度。

11.如权利要求10所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述盐溶液包含多价离子。

12.如权利要求10所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述盐溶液包含Na⁺、K⁺、Li⁺、Ca²⁺、Ba²⁺、Sr²⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Al³⁺、Zn²⁺、Sn²⁺、Sn⁴⁺、F^-、Cl^-、Br^-或I^-。

13.如权利要求10所述的集成化学分离设备，其特征在于，在与盐溶液混合后，样品溶液的离子浓度为0.1mM至饱和浓度。

14.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，还包括：

一第一容器，被设置用来存放包含纳米颗粒的纳米颗粒溶液；及

一第一阀门，与第一容器及一个或多个混合槽联通，其中化学分离和检测控制器被设置用来控制第一阀门的打开及关闭，以控制进入一个或多个混合槽的纳米颗粒释放。

15.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，还包括：

一第二溶液容器，被设置用来存放盐溶液；及

一第二阀门，与第二容器及一个或多个混合槽联通，其中化学分离和检测控制器被设置用来控制第二阀门的打开及关闭以控制进入一个或多个混合槽的盐溶液的释放。

16.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述化学分离单元包括一液相色谱柱或高效液相色谱柱。

17.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述化学分离和检测控制器被设置用来控制化学分离单元中样品溶液的温度或压力。

18.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述一个或多个混合槽中的每个均包含一透明壁或窗以传输激光束和散射光。

19.如权利要求1所述的集成化学分离设备，其特征在于，所述拉曼散射光谱仪单元包括：

一激光源，被设置用来发射激光束以照射吸附在一个或多个混合槽之一中的纳米颗粒上的分子；及

一拉曼光谱仪，被设置用来产生与来自吸附在纳米颗粒表面上的分子的散射光对应的拉曼光谱。

20.一种集成化学分离设备，包括：

一单一的设备本体；

一化学分离单元，被设置用来分离样品溶液中的多种物质并连续输出样品溶液中的多种物质；

一个或多个混合槽，被设置用来在不同时间接收样品溶液中的多种物质；

一化学分离和检测控制器；

一多通道阀门，被设置用来在化学分离和检测控制器的控制下连续地将样品溶液中的多种物质导向一个或多个混合槽，其中化学分离和检测控制器被设置用来将纳米颗粒引入一个或多个混合槽中，以使多种物质中的每种被吸附在纳米颗粒上；及

一拉曼散射光谱仪单元，被设置用来发射激光束以照射吸附在纳米颗粒表面上的分子并获得来自多种物质的拉曼光谱，其中化学分离单元、一个或多个混合槽、多通道阀门、化学分离和检测控制器及拉曼散射光谱仪单元被包含在或安装到单一的设备本体上。

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