CN103487426B - 高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法及装置，采用多次检测取平均值的方法，避免现有技术的检测方法离散性较高的问题，具有高重现性和超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测，还能够准确的获得检测结果，而且操作简单、检测周期短；本方法采用微调装置实现基底的移动而进行多点检测，该装置结构简单，成本较低，操作简单方便；上述方法及装置为进一步促进SERS技术在国土安全，环境监测，食品安全及医疗卫生等领域得到更广泛的应用提供条件。

Description

高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及分子光谱分析检测领域，具体涉及一种高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法及装置。

背景技术

为解决现有技术中拉曼效应在检测分析领域灵敏度不高的问题，出现了表面增强拉曼光谱分析技术。表面增强拉曼光谱（SERS）是一种在20世纪90年代随着纳米技术发展而发展起来的高灵敏度光谱分析技术。与拉曼光谱一样，SERS可以用于准确定性鉴别样品。SERS具有超高的分析灵敏度，较普通拉曼分析灵敏度提高约6-10个数量级，可分析小到单分子，大到细胞水平的研究对象。

实际应用中，SERS基底上直接滴加样品溶液属于较为普遍采用的方式，该方式中，SERS基底一般采用硬质载玻片、硅片等固体基础物质，表面生长具有一定粗糙度的物质，再通过蒸镀贵金属形成基底；或直接在硬质载体上附着贵金属纳米材料，能够达到较好的增强效果。但是现有技术的上述结构需要在固体基础物质表面刻蚀而形成基础层，其后生长基质，具有成本高，制作周期长，难以适应批量生产的缺点；并且固体基础物质较硬且脆，易于损坏，使用时不具有根据环境条件适应方位的特点。

为解决上述问题，出现了一种SERS基底，采用在具有微米数量级粗糙度的磨砂玻璃、砂纸或者滤纸等表面上直接形成贵金属表面增强层，不需要在基础层上形成刻蚀表面，且不需将贵金属层粗糙化，形成的基底同样具有极好的增强效果和超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测；该结构的SERS基底的制作简单、生产周期短、成本较低，适用于批量化生产。但是，由于该基底的基础层具有粗糙度，SERS照射并反射后会出现在一定范围内的不规则突变，因而在进行检测时具有一定的离散性，重现性较差，导致检测结果重复精度不高，影响了该基底的应用。

为了克服上述缺陷，本发明提出对粗糙表面的SERS基底，采用多次测量，取平均的方法，以获得高重现性和高精度的拉曼检测方法和系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种高性能和廉价的表面增强拉曼光谱分析方法及装置，方法不但具有超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测，还具有高重现性，准确的获得检测结果，而且操作简单、检测周期短，装置结构简单，成本较低，为进一步促进SERS技术在国土安全，环境监测，食品安全及医疗卫生等领域得到更广泛的应用提供条件。

本发明的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，包括下列步骤：

a.SERS基底上均匀涂敷待检测样品；

b.利用光源经照明系统照射SERS基底上其中一点待检测样品并获取其拉曼光谱；

c.在SERS基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测并重复步骤b；

d.利用获取的多点待测样品的光谱信息，去背景后求平均值，根据该平均值将测得的多点待测样品的光谱信息去除最小值和最大值，将去除最小值和最大值的多点待测样品的光谱信息再求平均值，获取被测样品的拉曼光谱信息，对照已有拉曼光谱数据库，定性或/和定量的得出被测样品的信息。

进一步，步骤a中，所述待检测样品在SERS基底上呈面状均匀分布于SERS基底表面；

进一步，步骤c中，在SERS基底上具有样品的范围内对样品进行多点检测通过在同一平面内移动SERS基底实现；

进一步，所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸或滤纸，所述表面增强附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸的工作表面、滤纸的表面或镜头纸。

本发明还公开了一种用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，包括用于放置SERS基底的SERS基底架和用于驱动SERS基底架使基底在检测平面内移动的驱动组件。

进一步，SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘，所述基座组件包括拖板和基座，所述基底托盘以可绕自身轴线转动的方式设置于拖板，所述拖板以可在检测平面往复运动的方式设置于基座；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘绕自身轴线转动的转动驱动组件和用于驱动拖板在检测平面往复运动的往复驱动组件；

进一步，所述转动驱动组件包括安装于拖板的转动驱动电机、由转动驱动电机驱动的转动主动齿轮和位于基底托盘外圆并与转动主动齿轮啮合传动的转动从动齿轮；

往复驱动组件包括安装于基座的往复驱动电机、由往复驱动电机驱动的滚珠丝杠和与滚珠丝杠驱动配合并设置于拖板的螺母；

进一步，所述微调装置还包括壳体，所述壳体设有用于取放样品的取放口，取放口以可开合的方式设有用于遮光的密封盖；所述基座固定设置于密封盖，并使基底托盘位于拉曼光谱仪的检测平面内；或者，所述基座固定设置于壳体内，并使基底托盘位于拉曼光谱仪的检测平面内；

进一步，所述基座为框形，且框形其中相对应的两边形成两条并列的轨道，拖板形成两条与轨道对应且与其滑动配合的拖板分支，所述螺母横向延伸且分别固定连接于两个拖板分支；所述基底托盘底部与其同轴设有圆形凸起且两个拖板分支上分别设有用于与圆形凸起转动配合的滑槽；

进一步，SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘，所述基底托盘上放置有SERS基底，所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸；所述基座组件包括y轴拖板和基座，所述基底托盘以可在检测平面内沿x轴往复运动的方式设置于y轴拖板，所述y轴拖板以可在检测平面内沿y轴往复运动的方式设置于基座；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘沿x轴往复运动的x轴驱动组件和用于驱动拖板沿y轴往复运动的的y轴驱动组件。

本发明的有益效果：本发明的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法及装置，采用多次检测取平均值的方法，避免现有技术的检测方法离散性较高的问题，具有高重现性和超高的分析灵敏度，适用于超痕量样品的检测，还能够准确的获得检测结果，而且操作简单、检测周期短；本方法采用微调装置实现基底的移动而进行多点检测，该装置结构简单，成本较低，操作简单方便；上述方法及装置为进一步促进SERS技术在国土安全，环境监测，食品安全及医疗卫生等领域得到更广泛的应用提供条件。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为本发明微调装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为带有壳体的微调装置；

图4为图3沿A-A向剖视图；

图5为图4B处放大图；

图6为本发明微调装置另一结构示意图。

具体实施方式

本实施例的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，包括下列步骤：

a.SERS基底上均匀涂敷待检测样品；涂覆方式可呈点状多点分布或呈面状分布；

b.利用光源经照明系统照射SERS基底上其中一点待检测样品并获取其拉曼光谱；利用表面增强拉曼光谱获取样品的含量，属于现有技术中，在此不再赘述；

c.在SERS基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测并重复步骤b；

d.利用获取的多点待测样品的光谱信息，去背景后求平均值，根据该平均值将测得的多点待测样品的光谱信息去除最小值和最大值，将去除最小值和最大值的多点待测样品的光谱信息再求平均值，获取被测样品的拉曼光谱信息，对照已有拉曼光谱数据库，定性或/和定量的得出被测样品的信息；平均值根据所得数据进行计算获得。

本实施例中，步骤a中，所述待检测样品在SERS基底上呈面状分布于SERS基底表面；该结构溶液分布形式利于随机选择监测点，操作相对方便。

本实施例中，步骤c中，在SERS基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测通过在同一平面内移动SERS基底实现；操作方便简单，避免重新对焦，提高工作效率。

本实施例中，所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸或滤纸，所述表面增强附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸的工作表面、滤纸的表面或镜头纸等；本实施例采用磨砂玻璃基底层。

图1为本发明微调装置的结构示意图，图2为图1的俯视图，图3为带有壳体的微调装置，图4为图3沿A-A向剖视图，图5为图4B处放大图；如图所示：本发明还公开了一种用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，包括用于放置SERS基底的SERS基底架和用于驱动SERS基底架使基底在检测平面内移动的驱动组件，检测平面指的是SERS光极聚焦点所在的平面，通过该点的平面有较多个，只是驱动SERS基底架使基底在其中任意一个平面内移动即可。

本实施例中，SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘3，所述基底托盘3用于放置基底；所述基座组件包括拖板2和基座1，所述基底托盘3以可绕自身轴线转动的方式设置于拖板2，所述拖板2以可在检测平面往复运动的方式设置于基座1；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘3绕自身轴线转动的转动驱动组件和用于驱动拖板2在检测平面往复运动的往复驱动组件；利用基座组件以及驱动组件驱动基底托盘3实现转动和往复运动，使整个基底无检测盲点。

本实施例中，所述转动驱动组件包括安装于拖板2的转动驱动电机、由转动驱动电机6驱动的转动主动齿轮5和位于基底托盘3外圆并与转动主动齿轮5啮合传动的转动从动齿轮4，本实施例中，基底托盘3和转动从动齿轮4一体成形，结构简单，制作容易；

往复驱动组件包括安装于基座1的往复驱动电机9、由往复驱动电机9驱动的滚珠丝杠8和与滚珠丝杠8驱动配合并设置于拖板2的螺母7；

采用齿轮啮合副以及滚珠丝杠的驱动结构，精密且可控，配合以驱动过程设定刻度的方式，使得检测点可控。

本实施例中，所述微调装置还包括壳体10，所述壳体10设有用于取放样品的取放口10a，取放口10a以可开合的方式设有用于遮光的密封盖12；所述基座1固定设置于密封盖12，实际上，基座1固定于密封盖12且密封盖12关闭后，SERS基底架a整体都位于壳体10内，并使基底托盘3位于拉曼光谱仪的检测平面内；所述基底托盘3固定连接于密封盖12可随密封盖12开合而移出或放入，如图所示，基底托盘3通过连接架14固定连接于密封盖12；方便样品的取出和放入，操作简单，同时，利用密封盖12的方位实现托盘或托架的固定定位；

当然，所述基座1也可以固定设置于壳体10内并与壳体10固定连接，同时，使基底托盘3位于拉曼光谱仪的检测平面内，也能实现发明目的。

本实施例中，所述密封盖12以铰接的方式设置于壳体10形成门形结构，如图所示，密封盖12一侧端部铰接于壳体10，灵一侧端部通过卡扣11扣接，形成遮光密封；密封盖12的封盖尺寸大于取放口10a且与取放口10a的边缘径向外表面之间设有遮光垫13，如图所示，遮光垫13可采用橡胶等柔性材料；结构简单，操作容易，并且易于定位，且通过遮光垫与外界遮光隔绝，利于检测结果的的精确性。

本实施例中，所述基座1为框形，且框形其中相对应的两边形成两条并列的轨道，拖板2形成两条与轨道对应且与其滑动配合的拖板分支，如图所示，两个拖板分支分别形成滑槽并通过该滑槽直接与轨道滑动配合；所述螺母横向延伸形成延长段且分别固定连接于两个拖板分支；采用框形结构，利于激光的通过，特别适用于双光程的拉曼光谱仪，进一步提高灵敏度，以适应于痕量样品的检测；如图所示，往复驱动电机9以及滚珠丝杠8位于两个轨道之间用于驱动螺母7以及两个拖板分支；所述基底托盘底部与其同轴设有圆形凸起且两个拖板分支上分别设有用于与圆形凸起转动配合的滑槽，也就是基底托盘底部形成类似于轴状的圆形凸起，而该圆形凸起担在两个拖板分支上，拖板分支设有容纳该圆形凸起的滑槽，形成滑动配合并能限制基底托盘的径向位移；使基底托盘只能相对于拖板转动，以保证检测点的可控性；如图所示，转动驱动电机固定于其中一个拖板分支，结构简单紧凑；如图所示，基座1通过沿其纵向的两个连接架14连接于密封盖12。

本实施例中，所述基底托盘3透明或中部托空；以适应双光程拉曼光谱仪（申请号：201210358471），以获得更高灵敏度的检测结果。

本发明的微调装置在使用时，通过驱动转动驱动电机以及往复驱动电机带动基底托盘进行往复运动、转动及其结合，实现基底托盘以及基底的微调，实现对分布于基底上的样品进行检测；往复驱动电机和转动驱动电机均采用伺服电机，通过自动控制系统根据输入的外部命令进行自动控制并驱动转动，已获得设定的位置的样品检测，在此不再赘述。

图6为本发明微调装置另一结构示意图，如图所示，本机构与上述实施例的结构区别仅在于对基底托盘的驱动方式不同，基底托盘不再转动，而是在x轴和y轴上往复运动，实现微调，而满足本发明的需要，具体区别如下：

SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘，所述基底托盘上放置有SERS基底，所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸；所述基座组件包括y轴拖板和基座，y轴拖板和基座的结构与上述实施例的拖板和基座相同；所述基底托盘以可在检测平面内沿x轴往复运动的方式设置于y轴拖板，所述y轴拖板以可在检测平面内沿y轴往复运动的方式设置于基座；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘沿x轴往复运动的x轴驱动组件和用于驱动拖板沿y轴往复运动的的y轴驱动组件，y轴驱动组件与上述实施例的往复驱动组件完全相同，也就是y轴拖板的驱动完全与上述实施例的拖板驱动相同，在此不再赘述；y轴拖板上设有两条x轴轨道15，基底托盘与两条x轴轨道15配合沿两条x轴轨道15在x轴上往复运动，且y轴拖板上设有x轴驱动电机6a，x轴驱动电机6a驱动x轴滚珠丝杠5a转动，带动基底托盘上的x轴螺母4a沿x轴往复运动，从而带动基底托盘沿x轴往复运动。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，其特征在于：包括下列步骤：

a.SERS基底上均匀涂敷待检测样品；

b.利用光源经照明系统照射SERS基底上其中一点待检测样品并获取其拉曼光谱；

c.在SERS基底上具有样品的范围内对的样品进行多点检测并重复步骤b；

d.利用获取的多点待测样品的光谱信息，去背景后求平均值，根据该平均值将测得的多点待测样品的光谱信息去除最小值和最大值，将去除最小值和最大值的多点待测样品的光谱信息再求平均值，获取被测样品的拉曼光谱信息，对照已有拉曼光谱数据库，定性或/和定量的得出被测样品的信息。

2.根据权利要求1所述的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，其特征在于：步骤a中，所述待检测样品在SERS基底上呈面状均匀分布于SERS基底表面。

3.根据权利要求2所述的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，其特征在于：步骤c中，在SERS基底上具有样品的范围内对样品进行多点检测通过在同一平面内移动SERS基底实现。

4.根据权利要求3所述的高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的检测方法，其特征在于：所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸，所述表面增强附着在磨砂玻璃的磨砂表面、砂纸的工作表面或滤纸的表面。

5.一种用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，其特征在于：包括用于放置SERS基底的SERS基底架和用于驱动SERS基底架使基底在检测平面内移动的驱动组件；SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘，所述基座组件包括拖板和基座，所述基底托盘以可绕自身轴线转动的方式设置于拖板，所述拖板以可在检测平面往复运动的方式设置于基座；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘绕自身轴线转动的转动驱动组件和用于驱动拖板在检测平面往复运动的往复驱动组件。

6.根据权利要求5所述的用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，其特征在于：所述转动驱动组件包括安装于拖板的转动驱动电机、由转动驱动电机驱动的转动主动齿轮和位于基底托盘外圆并与转动主动齿轮啮合传动的转动从动齿轮；往复驱动组件包括安装于基座的往复驱动电机、由往复驱动电机驱动的滚珠丝杠和与滚珠丝杠驱动配合并设置于拖板的螺母。

7.根据权利要求6所述的用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，其特征在于：所述微调装置还包括壳体，所述壳体设有用于取放样品的取放口，取放口以可开合的方式设有用于遮光的密封盖；所述基座固定设置于密封盖内，并使基底托盘位于拉曼光谱仪的检测平面内；或者，所述基座固定设置于壳体内，并使基底托盘位于拉曼光谱仪的检测平面内。

8.根据权利要求7所述的用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，其特征在于：所述基座为框形，且框形其中相对应的两边形成两条并列的轨道，拖板形成两条与轨道对应且与其滑动配合的拖板分支，所述螺母横向延伸且分别固定连接于两个拖板分支；所述基底托盘底部与其同轴设有圆形凸起且两个拖板分支上分别设有用于与圆形凸起转动配合的滑槽。

9.根据权利要求8所述的用于高灵敏、高重现性表面增强拉曼光谱的微调装置，其特征在于：SERS基底架包括基座组件和位于基座组件上的基底托盘，所述基底托盘上放置有SERS基底，所述SERS基底包括基础层和表面增强层，所述基础层为磨砂玻璃、砂纸、滤纸或镜头纸；所述基座组件包括y轴拖板和基座，所述基底托盘以可在检测平面内沿x轴往复运动的方式设置于y轴拖板，所述y轴拖板以可在检测平面内沿y轴往复运动的方式设置于基座；所述驱动组件包括用于驱动基底托盘沿x轴往复运动的x轴驱动组件和用于驱动拖板沿y轴往复运动的的y轴驱动组件。