CN103424393A

CN103424393A - 基于表面增强拉曼的有机磷检测方法

Info

Publication number: CN103424393A
Application number: CN2013102558323A
Authority: CN
Inventors: 李洁慧; 纪新明; 窦宏雁
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2013-12-04

Abstract

本发明涉及分析化学技术领域，公开了一种基于表面增强拉曼的有机磷检测方法。本发明中，通过在具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底结合样品膜，拉曼光谱采集系统将激光打在带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；对拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。由于具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底对反射光会产生较强的表面增强拉曼效应，使得对有机磷的检测提高了灵敏度，降低了检出限。

Description

基于表面增强拉曼的有机磷检测方法

技术领域

本发明涉及分析化学技术领域，特别涉及基于表面增强拉曼的有机磷检测方法。

背景技术

有机磷农药主要用作农业杀虫剂，少数品种用作杀菌剂、除草剂和脱叶剂。本类农药杀虫效果好，残效期较短，但对温血动物具有一定毒性，毒性与化学结构有关。多数属于中等毒和低毒，少数属于高毒类。有机磷农药在工农业生产中广泛应用，但农药的长期大量使用所带来的农药残留问题却成为影响人类健康与环境安全的重大隐患。

农药残留问题在20世纪60年代初就引起国际社会的高度重视，由联合国粮农组织(FAO)和世界卫生组织(WHO)联合组成的农药残留专家联席会议(JMPR)定期对国际食品法典委员会(CAC)提出最大允许残留量进行评价，CAC基于评价资料制订了最大残留限量标准。这一标准是考验中国农产品质量安全的重要指标，也是国际贸易技术壁垒中的重要内容。

近年来，我国食品中农药残留检测技术发展较快，现行的国标方法采用目前较先进的气相色谱-质谱和液相色谱-串联质谱法，对水果、蔬菜、粮谷、动物肌肉、蜂蜜、果汁和果酒等食品进行了全面的农残控制，涉及农药品种数量达到数百余种。对有机磷农药残留的常规检测方法包含：高效液相色谱、气相色谱法、质谱法、酶联免疫，这类检测方法虽然检测精度高，但需要借助繁杂的前处理过程、技术复杂、成本高、检测周期长，不适合于现场实时、快速检测，而且药剂有毒；还有一类采用试纸条通过酶反应和显色剂实现检测，虽然快速方便，但检测效果不好，只能大约定量，而且只能确定含有有机磷，无法确定具体是哪一种有机磷。

生命科学的发展已经进入到单细胞和单分子水平上的探测与操控时代。由于光学方法可直接成像，且对所研究的对象干扰最小，具有无损、原位测量等优点，已成为生命科学首选的研究手段。拉曼光谱可获得分子的振动能级信息，称为分子的“指纹光谱”，可提供分子的详细结构信息，如化学键的类型、强度、角度、构像变化等。但普通的拉曼散射效率很低，一般情况下分子的拉曼散射截面比荧光散射截面低十几个量级，难以对生物样品直接进行探测，提高激发光强则可能产生样品的光损伤和光漂白等副作用。20世纪70年代研究发现，当吡啶分子靠近粗糙的电极表面时，金属表面等离子体共振产生的局域电场增强可以极大地增强分子所接收到的电场，进而增强远场接收到的拉曼信号，这就是表面增强拉曼散射(surface-enhanced Ramanscattering，，简称为SERS)。SERS方法可以极大的提高分子的拉曼散射截面，化学还原的电极、金属溶胶、蒸镀、冷沉积或溅射的金属膜等多种材料都可以实现SERS，而百纳米尺度的金和银两种金属可以提供最好的拉曼增强效果。SERS光谱技术对液体样品的浓度检测限可以低至10^-13～10^-14M(mol/L)。这对于研究价格高、数量少、浓度低的生物样品是非常合适的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，使得对有机磷的检测提高了灵敏度，降低了检出限。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，包含以下步骤：

S1.提供一表面增强拉曼基底；其中，所述表面增强拉曼基底包含基底以及覆盖在所述基底上的金属层，所述基底上具有周期性点阵结构的孔；

S2.在所述表面增强拉曼基底上制备样品膜；

S3.拉曼光谱采集系统将激光打在所述带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；其中，所述拉曼光谱包含拉曼位移和拉曼强度；

S4.对所述拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。

本发明实施方式相对于现有技术而言，通过在具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底结合样品膜，拉曼光谱采集系统将激光打在带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；对拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。由于具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底对反射光会产生较强的表面增强拉曼效应，使得对有机磷的检测提高了灵敏度，降低了检出限。

另外，所述周期性点阵结构的排列形状为正方形或六边形。孔的周期性点阵结构的排列形状越有规律，使拉曼峰更强，半波宽更窄，从而进一步使信号强度得到增强。。

另外，所述周期性点阵结构的孔的周期为0.8至1.2微米，占空比为1∶4，可以最大程度激发SPR共振，进一步有利于信号强度的增强。

另外，所述表面增强拉曼基底还包含：粘附层；所述粘附层位于所述基底和所述金属层之间。增强金属层的附着力，使金属层在后续使用中不易脱落，保证表面增强拉曼效应的稳定性。

另外，在所述步骤S2中，包含以下子步骤：

通过静电吸附的方法将有机磷样品液结合到所述表面增强拉曼基底的金表面；

晾干或吹干，得到带有样品膜的表面增强拉曼基底。

通过静电吸附的方法进行样品的处理，样品处理方法非常简单，易于操作，而且有利于快速实时的检测。

另外，在所述步骤S3中，包含以下子步骤：

激光源发射的激光垂直入射到所述带有样品膜的表面增强拉曼基底上；

所述垂直入射的激光通过所述表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来；

所述反射回来的光通过所述滤光片进入所述分光仪，得到拉曼光谱。

由于基底上具有周期性点阵结构的孔能出激发表面等离子体SPR波，因此在拉曼光谱采集系统中可以省略棱镜，从而缩小仪器体积，实现仪器小型化。

另外，在所述步骤S4中，包含以下子步骤：

所述拉曼光谱通过所述CCD探测器转化为数字信号；

通过PC对所述数字信号进行图谱解析。

通过PC实现图谱解析，实现自动分析，进一步有利于快速实时的检测。

附图说明

图1是根据本发明一较佳实施方式的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法的流程图；

图2A至图2C是表面增强拉曼基底的结构示意图；

图3是拉曼光谱采集系统的光路示意图；

图4是对几种结构的基底测得的拉曼峰的对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请各权利要求所要求保护的技术方案。

本发明的一较佳实施方式涉及一种基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，具体流程如图1所示，包含以下步骤：

步骤101，提供一表面增强拉曼基底；其中，表面增强拉曼基底包含基底以及覆盖在基底上的金属层，基底上具有周期性点阵结构的孔。如图2A是表面增强拉曼基底的俯视图，如图2B所示是表面增强拉曼基底的剖视图，图中201是基底，202是金属层，203是周期性点阵结构的孔。

可以采用半导体工艺中的光刻工艺在基底上打孔，光刻掩膜上的图案具有周期性点阵结构，经光刻之后，基底就具有了周期性点阵结构的孔。点阵结构的周期是可控的，比如，周期性点阵结构的孔的周期T为0.8至1.2微米，占空比为1∶4。

值得说明的是，周期性结构引起周期性介电常数的变化，对于不同的周期T，引起的周期性势场也会不同，从而导致拉曼峰位置发生相应的变化，通过模拟和实验测量圆孔排列为正方形排列，得出其拉曼峰位置基本与晶格常数(即周期性点阵结构的孔的周期)之比为1∶1，六边形排列基本接近于

此外，占空比是圆孔直径和圆孔间距之比，随着占空比变大，拉曼峰的强度变大。由光学原理可知，光传播分为横电波(TE)和横磁波(TM)两种传播模式，而在占空比较小时，能够制造能带禁带，形成表面等离子体(SPR)共振的主要是TM传播模式，此时TE传播模式影响基本可以忽略，而当占空比变大，TE传播模式也逐渐形成禁带，当占空比达到某一值时，两者禁带完全重合，此时TE和TM传播模式都能制造能带禁带，激发SPR共振，从而可以得到最高强度的SPR共振峰。

在基底上打孔的结构构成了光子晶体结构，光子晶体是指具有光子带隙(Photonic Band-Gap，简称为PBG)特性的人造周期性电介质结构，有时也称为PBG光子晶体结构。光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中。光子晶体中是折射率的周期性变化产生了光带隙结构，从而由光带隙结构控制着光在光子晶体中的运动。本实施方式是在高折射率材料(如金属层)的某些位置周期性的出现低折射率(如周期性点阵结构的孔)的材料。在本发明中，由于在这种光子晶体结构之上还覆盖了金属层，在有光照射到金属层上时，会发生反射，即表面增强拉曼散射，而由于表面不是平滑的，周期性孔的存在，使某些波长的光不能反射回来，起到分光的作用，形成波长分辨率极高而体积极小的超棱镜，可以省略拉曼光谱采集系统中的棱镜，不用棱镜进行分光，从而缩小仪器体积，实现仪器小型化。在此，值得说明的是，孔的深度不宜过深，过深会导致光入射进去之后，无法反射出来；孔的深度不宜过浅，过浅会达不到分光的目的。此外，随着孔的深度的增加，信号增强效果越明显，但到达12微米左右之后，信号增强效果会减弱，因此，周期性点阵结构的孔的深度在1至15微米之间较为适宜，进一步有利于信号强度的增强。

值得一提的是，图2A中周期性点阵结构的排列形状为正方形，还可以排成六边形，如图2C所示，但是，本发明并不以此为限，任意周期性点阵结构的排列形状都在本发明的保护范围之内。周期性点阵结构的排列形状越有规律，则拉曼峰越强，半波宽越窄。在实际实验中，可以看出六边形排列比正方形排列有着更强的共振峰和更窄的半波宽。这是由两种排列所具有的不同周期性程度引起，六边形排列比正方形排列有着更好的周期性，其在六个方向上的周期都相等，而正方形排列只在两个方向的周期相等，这使得光波在六边形排列基底传输过程中更少的受到传输方向的影响，所以其能激发更强和更窄的拉曼峰。

此外，值得说明的是，基底可以使用的材料为硅、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、玻璃、聚酰亚胺PI、光刻胶SU-8，金属层可以使用金、银、铝等金属，可以采用半导体工艺中的镀金工艺将金属层覆盖在硅基底上，镀金工艺非常成熟，比如直流溅射，在此不再赘述。在硅表面镀金之后，金的附着力不够强是经常遇到的问题，后续使用中金属层容易脱落，因此，可以在硅表面先镀一层铬做粘附层，然后再镀金。也就是说，表面增强拉曼基底还包含：粘附层；该粘附层位于基底和金属层之间，增加金属层的附着力，使金属层在后续使用中不易脱落。金属薄膜的厚度是影响共振峰强度的重要因素，当膜厚度达到一定程度后，随着膜厚度的增加，共振峰强度变小，由于光信号在金属薄膜中传播时会发生衰减，因此，对于光滑表面的表面增强拉曼基底，当膜厚度超过一定值时，共振峰将消失，而对于具有周期性点阵结构的孔的表面增强拉曼基底，虽然膜厚的增加会使得共振峰强度变小，但由于金属层两表面之间可以通过圆孔传导表面等离子体，故不会发生表面光滑的表面增强拉曼基底的共振峰完全消失，当膜厚在某一数值时，反射光强度近似为零，共振深度达最大，这一深度称为趋肤深度。因此，金属层的厚度选在趋肤深度附近。一般，粘附层的厚度为5纳米，金属层的厚度为50纳米，比如说，以铬做粘附层，金做金属层，那么，铬的厚度为5纳米，金的厚度为50纳米。

步骤102，在表面增强拉曼基底上制备样品膜。

具体地说，在需要对有机磷样品液进行检测时，通过静电吸附的方法将有机磷样品液结合到表面增强拉曼基底的金表面，室温晾干或氮气(N₂)吹干，得到带有样品膜的表面增强拉曼基底，这样处理样品的方法非常简单，易于操作，而且有利于快速实时的检测。简单地说，将有机磷样品液，比如，蔬菜水果的水洗液，滴到表面增强拉曼基底的金表面，晾干或吹干之后，在金表面之上会形成样品膜。此外，在表面增强拉曼基底上制备样品膜时，所需的样品量极少，一般50μL即可完成样品膜的制备。因此，本实施方式对数量少、浓度低的有机磷样品进行检测也是非常合适的。

步骤103，拉曼光谱采集系统将激光打在带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；其中，拉曼光谱包含拉曼位移和拉曼强度。

如图3所示是拉曼光谱采集系统的光路示意图，具体地说，激光源发射的激光垂直入射到带有样品膜的表面增强拉曼基底上；可以选用514纳米激发光作为激光源发射的激光。在图3所示拉曼光谱采集系统中，带有样品膜的表面增强拉曼基底放置在载物台上，光源发射的激光经反射镜反射之后，垂直入射到载物台的基底上。垂直入射的激光通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来，一般样品分子的拉曼光谱很弱，而周期性点阵结构的孔能增强信号强度，因此可以提高灵敏度，降低检出限。反射回来的光通过滤光片进入分光仪，得到拉曼光谱。由于基底上具有周期性点阵结构的孔能出激发表面等离子体SPR波，因此在拉曼光谱采集系统中可以省略棱镜，从而缩小仪器体积，实现仪器小型化。

步骤104，对拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。图谱分析等数字信号处理可有由PC机完成，如图3所示，具体地说，拉曼光谱通过CCD探测器转化为数字信号，通过PC对数字信号进行图谱解析。

不同的物质具有不同的特征光谱，因此可以根据测量得到的拉曼光谱定性分析出有机磷的种类。此外，根据特征峰的强度和事先标定有机磷浓度和拉曼峰强度之间的关系，确定有机磷的浓度。具体地说，事先标定可以通过检测已知浓度的有机磷样品液的拉曼光谱，进行图谱分析，得到拉曼峰的强度，得到有机磷浓度和拉曼峰强度之间的对应关系，比如说，有机磷OPs的浓度与峰强度在一定范围内成线性关系，比如可以在10^-4-10^-7M之间成线性关系。

为了直观地反映本实施方式的效果，对几种结构的基底测得的拉曼峰进行了对比，如图4所示，401是只有硅结构，402是没有镀金的点阵结构，403是硅上镀金(没有点阵结构)，404是镀金的点阵结构。由图可以看出，在基底表面不镀金，不管打不打孔，基本看不到拉曼峰(如401和402所示1000cm^-1附近)，镀金之后，具有点阵结构的基底的拉曼峰非常尖锐(如404所示1000cm^-1附近)，很容易就能检测出来，也就是说，提高了检测灵敏度，降低了检出限。

与现有技术相比，通过在具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底结合样品膜，拉曼光谱采集系统将激光打在带有样品膜的表面增强拉曼基底上，检测通过表面增强拉曼基底上周期性点阵结构的孔反射回来的光，获得拉曼光谱；对拉曼光谱进行图谱解析，根据拉曼峰位的变化，确定有机磷的种类；根据拉曼峰强度，确定有机磷的浓度。由于具有周期性点阵结构的表面增强拉曼基底对反射光会产生较强的表面增强拉曼效应，使得对有机磷的检测提高了灵敏度，降低了检出限。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包含相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，包含以下步骤：

S2.在所述表面增强拉曼基底上制备样品膜；

2.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述周期性点阵结构的排列形状为正方形或六边形。

3.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述周期性点阵结构的孔的周期为0.8至1.2微米，占空比为1：4。

4.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述周期性点阵结构的孔的深度在10至20微米之间。

5.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述表面增强拉曼基底还包含：粘附层；所述粘附层位于所述基底和所述金属层之间。

6.根据权利要求5所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述粘附层的厚度为5纳米，所述金属层的厚度为50纳米。

7.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，在所述步骤S2中，包含以下子步骤：

晾干或吹干，得到带有样品膜的表面增强拉曼基底。

8.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，在所述步骤S3中，包含以下子步骤：

9.根据权利要求7所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，所述激光为514纳米激发光。

10.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼的有机磷检测方法，其特征在于，在所述步骤S4中，包含以下子步骤：

所述拉曼光谱通过所述CCD探测器转化为数字信号；

通过PC对所述数字信号进行图谱解析。