CN108169209B - 一种原位表面增强拉曼检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位表面增强拉曼检测方法，包括：将表面增强拉曼基底前驱体材料与待测分子置于可反应环境中；将激光聚焦于该表面增强拉曼基底前驱体材料表面，连续采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼谱图；所述可反应环境，可使所述表面拉曼增强基底前驱体材料转化成表面增强拉曼活性基底。本发明提供了一种原位表面增强拉曼检测方法，将表面增强拉曼活性基底的制备过程和检测过程相融合，同时进行，避免了预先制备的表面增强拉曼活性基底的不稳定性和不易保存等问题，因此实现了即用‑即制‑即测三个过程合而为一，提供了一种全新的表面增强拉曼检测的思路。

Description

一种原位表面增强拉曼检测方法

技术领域

本发明涉及痕量或单分子化学物和生物质检测领域，具体涉及一种原位表面增强拉曼检测方法。

背景技术

拉曼光谱是研究分子结构常用的光谱手段之一，但是分子的拉曼散射信号较弱，一般其光强仅约为入射光强的10^-10。所以拉曼信号都很弱，要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究需要利用增强效应来提高拉曼散射强度。二十世纪七十年代，人们发现了表面增强拉曼光谱(SERS)，从而获得高质量的分子拉曼信号，这使得SERS在研究分子的取向和结构方面发挥了重要的作用，很快在微量分析、表面科学、纳米科学和生物科学等领域得到了广泛的应用。而高性能表面增强拉曼活性基底是获得较高拉曼增强信号的前提条件，不同的活性基底对样品的增强效果差别很大。因此，有关表面增强拉曼活性基底的研究一直以来都是拉曼光谱研究的热点之一。

目前，表面增强拉曼活性基底的制备主要集中在贵金属基和部分过渡金属基底，按照不同的制备方法可以划分为以下8类：金属电极活性基底、金属溶胶活性基底、金属倒模活性基底、化学刻蚀和活性沉积的活性基底、双金属纳米粒子活性基底、富含节点的网络状结构活性基底、平板印刷及有序组装活性基底以及针尖增强拉曼活性基底。而其中，以贵金属为前驱体材料的拉曼活性基底是应用最早也是目前应用最为广泛的一种SERS活性基底材料。

目前，大部分分子通常只在如金、银、铜等少数贵金属表面上可以产生很强的SERS信号。其中，金、银作为贵金属，成本较高，且制备工艺复杂，例如纳米银胶、金纳米颗粒。同时，SERS测试是在制备好的基底上进行检测，如金纳米颗粒，银纳米颗粒、铜纳米颗粒等，但是银抗氧化性差，银基SERS基底不易长时间稳定保存，这大大阻碍了SERS基底的推广应用。

但目前的大部分研究，更多的是通过改良材料的制备工艺来解决上述问题。

发明内容

本发明针对上述问题，通过对检测方法的改良，获得了一种即用-即制-即测三个过程合而为一的表面增强拉曼检测方法，为解决活性基底的稳定性问题提供了一种全新的思路。

具体技术方案如下：

一种原位表面增强拉曼检测方法，包括如下步骤：

(1)将表面增强拉曼基底的前驱体材料与待测分子置于制备环境中；

所述制备环境，可使所述前驱体材料转化成表面增强拉曼活性基底；

(2)将激光聚焦于所述前驱体材料表面，连续采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼散射谱图。

本发明的工作原理为：

采用可稳定存在的金属合金作为前驱体材料，将其置于制备环境中，在该制备环境下，合金前驱体材料经反应后，表面的微观形貌发生变化，形成具有表面增强拉曼散射性能的纳米结构。制备环境中的待测分子在材料反应过程中充分吸附于材料表面，连续采集即可得到待测分子的拉曼信号。可知，本发明将表面增强拉曼活性基底的制备过程和检测过程相融合，同时进行，避免了预先制备的表面增强拉曼活性基底的不稳定性和不易保存等问题，因此实现了即用-即制-即测三个过程合而为一。

作为优选：

所述的前驱体材料为可稳定保存的材料，优选为金属合金，如金银合金、金铝合金、镁铜合金、锰铜合金、锌铜合金或铝铜合金。

进一步优选，所述的前驱体材料选自镁铜合金，化学组成为Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁。

所述前驱体材料的状态不限，可以是薄膜，条带等状态。

作为优选：

所述的待测分子选自对氨基苯硫酚(pATP)、结晶紫(CV)、罗丹明6G(R6G)中的一种。

作为优选：

所述制备环境包括反应溶液或电解质溶液；且所述制备环境不会破坏所述待测分子的结构。

当所述制备环境为反应溶液时，具体为：

将前驱体材料、待测分子与反应溶液混合，再将激光聚焦于所述表面增强拉曼基底前驱体材料表面，连续采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼谱图；

当制备环境为反应溶液时，作为前驱体材料的金属合金与反应溶液发生反应，合金表面随反应进行产生具有表面增强拉曼散射活性的纳米结构。

所述反应溶液，需要迅速与所述前驱体材料反应，并在其表面产生具有表面增强拉曼活性的纳米结构。作为优选，所述的反应溶液为常见的酸性溶液、碱性溶液等。具体根据前驱体材料的种类进行调整。所述酸性溶液或碱性溶液浓度的确定，具体也可根据不同前驱体材料的特性进行调整。

进一步优选，所述酸性溶液选自盐酸溶液、硝酸溶液、醋酸溶液中的至少一种，碱性溶液选自氢氧化钠溶液、氢氧化钾溶液、氨水溶液中的至少一种。

再优选，以Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带为前驱体，以0.024M盐酸溶液为反应溶液，所述盐酸溶液以乙醇为溶剂。

当制备环境为电解质溶液时，具体为：

将待测分子与电解质溶液混合，对前驱体材料进行电化学去合金化反应，同时，将激光聚焦于所述前驱体材料表面，连续采集拉曼信号，得到待测分子的拉曼信号。

例如前驱体为Mg₆₇Cu₃₃,Mg₆₀Cu₄₀,Mg₅₀Cu₅₀和Mg₄₀Cu₆₀合金时，所述电解质溶液为0.2M NaCl水溶液¹；前驱体为Cu_52.5Hf₄₀Al_7.5非晶合金条带时，所述电解质溶液为0.5MHF水溶液²；前驱体为Cu₃₀Mn₇₀合金条带时，所述电解质溶液为0.025-0.1M HCl水溶液³；当前驱体为Al_80/70Au_20/30合金条带时，所述电解质溶液为20wt％NaOH或5wt％HCl水溶液⁴。

所述“对前驱体材料进行电化学去合金化反应”的具体工艺过程可以参考如下文献。

1.Zhao,C.；Wang,X.；Qi,Z.；Ji,H.；Zhang,Z.,On the electrochemicaldealloying of Mg–Cu alloys in a NaCl aqueous solution.Corrosion Science 2010,52(12),3962-3972.

2.Wang,Z.；Liu,J.；Qin,C.；Liu,L.；Zhao,W.；Inoue,A.,Fabrication and newelectrochemical properties of nanoporous Cu by dealloying amorphous Cu–Hf–Alalloys.Intermetallics 2015,56,48-55.

3.Chen,L.Y.,Yu,J.S.,Fujita,T.,Chen,M.W.,Nanoporous Copper withTunable Nanoporosity for SERS Applications.Adv.Funct.Mater.2009,19,1221-1226.

4.Zhonghua Zhang,Y.W.,Zhen Qi,Jikui Lin,Xiufang Bian,Nanoporous GoldRibbons with Bimodal Channel Size Distributions by Chemical Dealloying of Al-Au Alloys.J.Phys.Chem.C 2009,113,1308–1314.

5.Zhang,Z.,Wang,Y.,Qi,Z.,Lin,J.,Bian,X.,Nanoporous gold ribbons withbimodal channel size distributions by chemical dealloying of Al-Aualloys.J.Phys.Chem.C 2009,113,1308-1314.

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明提供了一种原位表面增强拉曼检测方法，该“原位”包括两个含义，一方面是表面增强拉曼活性基底的原位制备，另一方面就是表面增强拉曼光谱的原位检测；本发明将表面增强拉曼活性基底的制备过程和检测过程相融合，同时进行，避免了预先制备的表面增强拉曼活性基底的不稳定性和不易保存等问题，因此实现了即用-即制-即测三个过程合而为一，提供了一种全新的表面增强拉曼检测的思路；

2、本发明提供的原位表面增强拉曼检测方法可以有效解决SERS不能稳定保存的问题。另外，所选择的前驱体材料有比较大的可选范围，例如Chen等人³利用电化学去合金法制备的SERS基底所用的Cu₃₀Mn₇₀金属条带，在进行电化学去合金的过程当中进行原位拉曼检测。Zhang等人⁵的AlAu合金利用电化学方法得到的双尺寸分布纳米多孔金也适用于原位拉曼检测。

3、经验证，本发明的原位表面增强拉曼检测方法已经成功运用于原位检测pATP、CV、R6G分子。

附图说明

图1为实现本发明的原位表面增强拉曼检测方法的两种检测装置的示意图，图中：

1-拉曼光谱仪，2-探测激光，3-散射光，4-样品溶液，5-表面增强拉曼基底前驱体，6-石英器皿；

图2为实施例1-4中采用的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带前驱体材料的照片；

图3为实施例1中获得的10^-6M pATP的拉曼光谱图；

图4为实施例1中所用前驱体材料在测试进行1h后的表面形貌图；

图5为实施例2获得的10^-10M pATP的拉曼光谱图；

图6为实施例3获得的10^-4M CV的拉曼光谱图；

图7为实施例4获得的10^-4M R6G的拉曼光谱图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示为本发明中原位表面增强拉曼检测方法的实验装置示意图，其中拉曼光谱仪可以是便携拉曼光谱仪，显微拉曼光谱仪，共聚焦拉曼光谱仪等。

由于不同的分子具有不同的吸收波长，为了尽可能获得强的拉曼谱峰强度，针对不同的待测分子，优先选择与该待测分子吸收波长相近的激光作为激光光源。图1中拉曼光谱仪中标注的数字即为激发波长，以下各实施例中采用的激发波长均为785nm，该波长与pATP的最大吸收波长相近。但针对不同的待测分子，若要进一步提高检测精度，可将该激发波长替换为与待测分子的最大吸收波长相近的激发波长。例如结晶紫(CV)的最大吸收波长为590nm，因此选择633nm的激光作为激光光源；罗丹明6G(R6G)的最大吸收波长为548nm，因此选择532nm的激光作为激光光源；对巯基苯胺(pATP)的最大吸收波长为647nm，因此选择633nm的激光作为激光光源。对激光波长的优选可以得到更强的拉曼信号。

图2中给出了以下各实施例中采用的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带前驱体材料的照片，本发明中采用的合金条带利用单辊熔炼法得到的金属条带，合金成分为Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁，该条带可以稳定保存，待进行测试时按需裁得需要的尺寸，进行使用。

实施例1

本实施例采用图1所示的检测装置进行原位表面增强拉曼检测，其步骤如下：

将pATP(对巯基苯氨)分子加至浓度为0.024M的盐酸/乙醇溶液中，得到的混合溶液中pATP的浓度为10^-6M；

将上一步骤的溶液置于比色皿中；

以条带状的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带(如图2所示)作为前驱体材料，置于比色皿中；

将便携式拉曼测试仪激光光斑聚焦于前驱体材料表面，激光波长为785nm，功率为30mW；

不间断采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼谱图。

图3中给出了本实施例进行原位拉曼检测的实验结果，其中a图表示随时间进行连续采集得到的pATP分子的拉曼谱图；b图表示随时间进行pATP拉曼峰强度的变化。

a图中的pATP分子的拉曼谱图是在连续监测下得到的拉曼谱图，随着时间的推移，pATP的拉曼峰强度会发生变化。其中的小图为检测过程中典型的pATP的拉曼谱图。

b图中选取了pATP的几个特征峰(b图中出现的pATP1594代表待测分子对应的拉曼位移，图中其它的标记也做相同解释。其中，1594cm^-1代表CC伸缩振动峰，1488cm^-1代表CH弯曲振动峰和CC伸缩振动峰，1177cm^-1代表CH弯曲振动峰，1072cm^-1代表CS伸缩振动峰，1004cm^-1代表CC和CCC弯曲振动峰，637cm^-1代表CCC弯曲振动峰,389cm^-1代表CC扭转振动峰)，观察峰强度随监测时间的推移发生变化，这是由于随着时间的推移，合金条带在溶液中发生反应，条带表面结构发生变化，逐渐形成具有表面增强拉曼散射的纳米结构，从而增强拉曼散射，使得谱峰强度增大，从而得到待测分子的拉曼谱图。这个强度变化过程是从无到有，从强到弱的过程，在实际应用当中在分子信号完全衰减消失这段时间已经可以满足检测需要。观察图b还可以发现，当激发光源为785nm，在峰位不发生改变的情况下，pATP分子的峰强度随着时间的推移会发生变化。

图4中给出了本实施例中所用前驱体材料在测试进行1h后的表面扫描电镜(SEM)图像，如图4所示，a图、b图为不同放大倍数下的扫描电镜图，从图4中a图中可以看出材料表面一层(～5μm)结构发生变化，b图中可以看出表面形成束状纳米纤维阵列，且纤维表面密布颗粒状物质使得纤维表面粗糙不平。根据表面选择原理，粗糙表面，尤其是具有尖端的位置，容易导致电场极化，在极化电场下可以吸附更多的待测分子，提高拉曼检测的灵敏度。另一方面，在材料表面尖端以及纳米间隙处电磁场增强产生拉曼散射热点(电磁场最强的拉曼活性位点)，在该位置待测分子的拉曼信号大大增强，从而最大程度提高拉曼检测的灵敏度。在本发明中即利用反应得到这种具有表面增强拉曼散射活性的纳米结构，实现原位、快速、灵敏检测。

实施例2

本实施例采用图1所示的检测装置进行原位表面增强拉曼检测，其步骤如下：

将pATP(对巯基苯氨)分子加至浓度为0.024M的稀盐酸溶液中，得到的混合溶液中pATP的浓度为10^-10M；

将上一步骤的溶液置于比色皿中；

将条带状的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带作为前驱体材料，置于比色皿中；

将便携式拉曼测试仪激光光斑聚焦于前驱体材料表面，激光波长为785nm，功率30mW；

不间断采集拉曼信号，测试进行40min后可得到清晰的pATP拉曼谱图，如图5所示。

为了实现便捷的灵敏检测，在本实施例中将pATP的浓度降低至10^-10M，利用激发波长785nm的便携式拉曼光谱仪通过原位检测依然得到了pATP的拉曼谱图，如图5所示，说明本发明中的原位检测方法可以实现低浓度的痕量分子灵敏检测。

本实施例中所用前驱体材料在测试进行1h后的表面扫描电镜(SEM)图像与图4中类似。

实施例3

本实施例采用图1所示的检测装置进行原位表面增强拉曼检测，其步骤如下：

将CV(结晶紫)分子加至浓度为0.024M的稀盐酸溶液中，得到的混合溶液中CV的浓度为10^-4M；

将上一步骤的溶液置于比色皿中；

将条带状的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带作为前驱体材料，置于比色皿中；

将便携式拉曼测试仪激光光斑聚焦于前驱体材料表面，激光波长为785nm，功率30mW；

不间断采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼谱图，如图6所示。

在本实施例中，将待测分子更换为10^-4M的CV分子，所用的激发波长依然是785nm，所得CV分子的拉曼谱图如图6所示。同样的CV拉曼谱图的谱峰强度随着时间的推移会发生变化，虽然未使用待测分子的最大吸收波长附近的激光进行激发但是依然得到了待测分子的拉曼谱图，已经满足了原位探测的探测需求。若要利用原位检测方法实现痕量分子的灵敏检测，将激光的激发波长更换为633nm即可实现。

本实施例中所用前驱体材料在测试进行1h后的表面扫描电镜(SEM)图像与图4中类似。

实施例4

本实施例采用图1所示的检测装置进行原位表面增强拉曼检测，其步骤如下：

将R6G(罗丹明6G)分子加至浓度为0.024M的稀盐酸溶液中，得到的混合溶液中R6G的浓度为10^-4M；

将上一步骤的溶液置于比色皿中；

将条带状的Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁合金条带作为前驱体材料，置于比色皿中；

将便携式拉曼测试仪激光光斑聚焦于前驱体材料表面，激光波长为785nm，功率30mW；

不间断采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼谱图，如图7所示。

本实施例中，将待测分子更换为10^-4M的R6G分子，激发波长依然是785nm，所得R6G分子的拉曼谱图如图7所示。同样的R6G拉曼谱图的谱峰强度随着时间的推移会发生变化，虽然未使用待测分子的最大吸收波长附近的激光进行激发但是依然得到了待测分子的拉曼谱图，已经满足了原位探测的探测需求。若要利用原位检测方法实现痕量分子的灵敏检测，将激光的激发波长更换为532nm即可实现。

本实施例中所用前驱体材料在测试进行1h后的表面扫描电镜(SEM)图像与图4中类似。

Claims (2)

1.一种即用-即制-即测三个过程合而为一的原位表面增强拉曼检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将表面增强拉曼基底的前驱体材料、待测分子与反应溶液混合；

所述反应溶液，可使所述前驱体材料转化成表面增强拉曼活性基底；

反应溶液中的待测分子在材料反应过程中充分吸附于材料表面；

所述前驱体材料为Mg₆₁Cu₂₈Gd₁₁；

所述反应溶液为盐酸溶液，所述盐酸溶液以乙醇为溶剂；

(2)将激光聚焦于所述前驱体材料表面，连续采集拉曼信号，获得一系列原位表面增强拉曼散射谱图。

2.根据权利要求1所述的原位表面增强拉曼检测方法，其特征在于，所述待测分子选自对氨基苯硫酚、结晶紫或罗丹明6G。

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