CN109596598A

CN109596598A - 一种基于sers的便携式单波长拉曼光度计

Info

Publication number: CN109596598A
Application number: CN201910013195.6A
Authority: CN
Inventors: 沈爱国; 麦家铭; 吕前辉
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2019-01-07
Filing date: 2019-01-07
Publication date: 2019-04-09

Abstract

本发明公开了一种基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，包括信号激发光路系统、信号收集光路系统、机械控制系统和电路系统，信号收集光路系统依次包括二向色镜、消色差双胶合透镜、针孔滤波结构、消色差双胶合透镜、长通滤波片、窄带滤波片以及光电倍增管；单色光激发样品所产生的SERS信号透过二向色镜时被滤除瑞利散射，透过窄带滤波片时被精准筛选出目标波段内的散射光，最终被光电倍增管探测到目标物质的信号。通过切换专门设计的窄带滤光片，可以实现三种物质的精确定量分析，且其具有装置体积小、灵敏度高、相应快速等特点。本发明非常适用于在短时间内需要进行大量重复性测试工作的分析领域。

Description

一种基于SERS的便携式单波长拉曼光度计

技术领域

本发明属于光电领域，涉及一种基于SERS的便携式单波长拉曼光度计。

背景技术

拉曼散射是基于光与物质作用后产生的对称分布在瑞利散射光两侧的非弹性光散射效应，其散射光与入射光频率的位移对应于所散射分子的组成和结构；可对被散射分子的组成与结构进行有效地“指纹”识别。基于高化学特异性的光学效应，拉曼光谱技术应运而生，它无需对样品进行前处理，具有无损、快速、需样量少的特点，适合含水体系；既能对多组分进行无分离、直接检测，又能通过衍生或传感的原理进行间接检测；尤其是可利用光纤探头对样品进行原位、远距离探测，加上便携式和手持式拉曼光谱仪的相继诞生，使得这种技术在快检分析领域内大放异彩。基于此，表面增强拉曼散射(SERS,SurfaceEnhanced Raman Scattering)技术以其高灵敏特性进一步拓宽了传统拉曼检测技术的应用范围。

遗憾的是，与上述分析方法相匹配的实验室研究级拉曼光谱仪，虽功能完备，性能强悍，却受限于自身体积庞大，维护条件苛刻等因素，很难应用于现场快速检测领域。再者，SERS技术用于定量检测分析时，分析人员往往只关注某个或某几个特征峰的强度变化。然而，其他光谱信息则成为了“多余的”部分。完整的光谱信息不仅无助于SERS传感分析效能的提升，而且还会使仪器微型化难度增加，测试时间延长。另外，市场上的便携式或手持式拉曼光谱仪虽可满足现场快检领域内对分析仪器小型化的要求，但其采集的仍然是全谱信息，且为了实现装置的高度集成化，其成本一直居高不下。

发明内容

为了满足现场快检分析领域对装置小型化的需求，同时避免因扫描SERS全谱带来的分析效能的下降，本发明提供一种基于SERS的以窄带滤光片为核心的便携式单波长拉曼光度计，既满足了现场快检领域对装置小型化的需求，又保证了检测结果的准确性、灵敏度以及时效性。

本发明提供的技术方案具体如下：

一种基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，包括：

信号激发光路系统，其依次包括用于提供高功率单色光的光纤激光器、用于减小激光发散角的准直器、用于引导激光到达聚焦透镜的二向色镜以及物镜；光纤激光器激发出单色光，单色光经准直器整理光束后到达二向色镜，然后由二向色镜以90°角反射，最后经物镜聚焦到样品池中心；和

信号收集光路系统，其依次包括用于滤除瑞利散射的二向色镜、用于消色差的消色差双胶合透镜、用于屏蔽环境杂散光的针孔、用于消色差的消色差双胶合透镜、长通滤波片、用于精准筛选特定谱带内SERS信号光的窄带滤波片以及光电倍增管；样品所产生的SERS信号透过二向色镜时被滤除瑞利散射，透过窄带滤波片时被精准筛选出目标波段内的散射光，最终被光电倍增管探测到。

进一步地，准直器和二向色镜之间还设有伽利略扩束器。

进一步地，所述的窄带滤波片为干涉型滤波片。

进一步地，本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计还包括用于调节信号激发系统和信号收集系统的机械控制系统，所述激发光路和信号收集通路分别固定在机械结构上。所述机械控制系统包括用于固定光学元件的安装孔板、用于提供二维调节余量的平移台、用于调节光轴高度的支撑杆、用于固定安装孔板的笼式系统和用于固定支撑杆的底座。具体地，消色差双胶合透镜与窄带滤波片均安装于相应的标准笼式安装板与滤光片转轮上，二向色镜安装于矩形光学元件适用的笼式立方体内，反射镜安装于直角安装座上，准直器和激光扩束器安装于笼式安装板，然后整合入笼式系统中。

进一步地，本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计还包括电路系统，其包括用于采集电压模拟信号的数据采集模块、用于运行软件的控制器、用于为光电倍增管供能的光电倍增管基座和用于调节电压增幅的信号放大器；光电倍增管的信号输出端口与数据采集模块的数据输入端口相连，数据采集模块的输出端口与控制器的输入端口相连。

本发明的原理如下：光纤激光器激发出单色光，单色光经准直器整理光束后到达二向色镜，然后由二向色镜以90°角反射，最后经物镜聚焦到样品池中心；样品所产生的SERS信号经由二向色镜时被滤除瑞利散射，经由长通滤波片时激发光(实施例中激发光波长为785nm)以下波段全部被截止，经由窄带滤波片时被精准筛选出目标波段内的散射光，最终被光电倍增管探测到目标物质的信号。只需测得不同浓度的样品在对应信号通路中的响应值，绘制出标准曲线，即可实现对目标物质的传感定量检测，可以通过切换窄带滤波片实现三种不同物质的定量检测。

本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明系统数据记录格式灵活多样，滤波器的平滑半宽和数据采样率可灵活调整；且数据传输高速、连续、稳定、实时。

(2)本发明可在复杂的室外环境下实现对硫氰根离子、对巯基苯腈等物质的精确定量分析。

(3)本发明让拉曼检测装置具有了应用于现场快速检测的能力，保证了在仪器小型化的基础上，准确、快速地给出目标物质的浓度信息，极大地提高了检测效率，降低测试成本，对于食品安全、医药管理、环境监测、刑事侦查等诸多应用领域具有重要意义。

附图说明

图1为本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的结构示意图；

图2为本发明实施例的光电倍增管基座和信号放大器的供电需求图；

图3为本发明实施例的光电倍增管及其相关附件接线电路图；

图4为本发明数据采集模块的工作原理图；

图5为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的波长准确性测试结果；

图6为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的光度准确性测试结果；

图7为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的稳定性测试结果；

图8为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的信噪比测试结果；

图9为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的各通道线性响应对比结果；

图10为本发明基于SERS的便携式单波长拉曼光度计用于硫氰根离子定量检测的实验结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其包括用于激发单色光的信号激发光路系统、用于收集样品SERS信号的信号收集光路系统、用于固定光学元件和增设调节余量的机械控制系统、用于提供高额增益效应的电路系统以及用于数据采集、处理的配套软件。

如图1所示，整体来看，本发明提供的基于SERS的单波长拉曼光度计的光学系统呈“T”型分布，激发光路与信号收集光路呈相互垂直的“正交结构”。由光纤激光器激发的激光光束依次经准直器准直、伽利略扩束器扩束、二向色镜以90°角反射、物镜聚焦，最终到达样品池中心；样品所产生的SERS信号先由二向色镜滤除瑞利散射，再由窄带滤波片精准筛选出目标波段内的散射光，最终被光电倍增管探测到，SERS信号经光电倍增管的增益系统放大后，由光能转化为电能，以电压这一模拟信号传输到数据板卡的物理采集端口。

本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其信号收集光路系统通过优化金属膜表面的反射率、电介质材料与膜的厚度等参数，利用多光束干涉原理设计出分辨率极高的法布里-珀罗干涉仪(即干涉型窄带滤波片)作为单色器对目标信号进行精准筛选，由于其体积远远小于传统的色散型单色器(如：光栅)，加上用于引导激光到达聚焦透镜的二向色镜和用于滤除瑞利散射的二向色镜为同一二向色镜，保证了拉曼光度计的小型化。

基于SERS的单波长拉曼光度计的机械结构由用于固定各种光学元件的安装孔板、用于提供二维调节余量的平移台、用于调节光轴高度的支撑杆、用于固定安装孔板的笼式系统和用于固定支撑杆的底座等零部件组成；消色差双胶合透镜与窄带滤波片均安装在相应的标准笼式安装板与滤光片转轮上，二向色镜将安装在矩形光学元件适用的笼式立方体内，反射镜将安装在直角安装座上，而准直器和激光扩束器将安装在一个其专用的笼式安装板上，然后整合入笼式系统中。

基于SERS的单波长拉曼光度计的电路结构由用于高效采集电压这一模拟信号的高精度数据采集模块、用于运行软件的控制器、用于为光电倍增管供能的光电倍增管基座和用于调节电压增幅的信号放大器组成；光电倍增管的信号输出端口与数据采集卡的数据输入端口相连，数据采集卡的输出端口与控制器的输入端口相连。

实施例1

实施例1以中心波长为785nm的光纤激光器作为光源，由于光纤探头发出的激光具有很大的发散角，本发明通过准直器来使光束接近于一束平行光；进一步地，在准直器下游光路中引入一个伽利略扩束器，除了进一步优化了激光光束的发散角之外，还扩大了光束直径，使样品对焦过程中获得更大的数值孔径。激光光束经以上“整形”后，由二向色镜以90°角反射，经透镜聚焦到样品池中心；SERS信号由同一个透镜收集，透过用于滤除瑞利散射的二向色镜，经用于屏蔽环境杂散光的针孔，再由干涉型滤波片筛选出特定波长的散射光，最后到达光电倍增管的光敏面上。

实施例1采用稳压直流电源来为光电倍增管(滨松R5108)搭配的光电倍增管基座(C12597-01)和信号放大器(C7319)供电。图2展示了光电倍增管基座和信号放大器的供电指标，其中光电倍增管基座采用一个+15V的直流电源供电以及一个+0.8V～+5V直流电源作为控制电压输入；信号放大器采用一个(低于)±15V直流电压供电，电源应保证较高稳定性，±15V与+5V的直流电源初步选型方案分别为朝阳4NIC-X30/151和鸿宾HB-102可调直流电源。图3为光电倍增管电路部分的设计图，此设计要求正确的接线与合理的空间布局。

准备电源线叉和BNC接头若干以完成电线与信号线的焊接工作。焊接时要求线材与接头连接紧密，焊点光滑无毛刺，BNC接头无短路。接线完成后，应在通电前检查线路连接是否正确，以及接地的情况。如电路图所示，虚线为电路中电压参考接地的情况，它们之间是连通的。电源线则不与信号线共地，但可以使用同样的方法来检查接地效果。

实施例1使用LabVIEW8.5(Laboratory Virtual Instrument EngineeringWorkbench)作为电压信号的处理软件。LabVIEW8.5可完成信号采集、运算以及结果的显示与存储等工作。在本发明中，光电倍增管的输出电压经采集卡模数转换后变为数字信号，可以实时呈现在软件界面。具体的执行步骤为：启动PXI控制器，双击计算机桌面图标打开LabVIEW8.5软件。初始化后，在LabVIEW程序框图中选择插入采集卡的I/O部件DAQAssistant，打开DAQ Assistant，设置采集数据为直流电压，以及采用率和采样数量为4000。将电压数据连线与波形图的输入端口相接。这样当光电倍增管有电压输出时，LabVIEW8.5程序上的电压波形图就会产生跳动。

由于装置和环境的多种干扰，如光电倍增管的暗电流、微弱的环境光、装置的电学噪声等，采集后的信号中会出现多种噪声，表现为电压基线上升和宽幅随机振动。这些噪声影响到信号读取的准确度，本发明通过求电压差的方式消除基线的上升，使用滤波器抑制随机振动。

本发明采用平均平滑滤波器进行降噪处理的原理为：把采样数据看作一个长度固定为N的队列，每次新测量后将队首数据去掉，其余数据依次前移并插入新数据作为队列的尾，将队列求平均值作为本次测量的结果。另外，采样半宽M的选择对滤波器的滤波效果有一定影响。半宽M决定了滤波器滤波时的采样数据量，因此半宽M的大小决定了滤波器抗干扰的能力。采样数越大，滤波器对随机干扰的压制就越强。但是，采样数不是可以无限增加的。随着采样数量的增加，滤波后的曲线对信号的变化的响应将越来越迟钝，这是因为信号的变化被前面较为平缓的测量结果所摊平，表现在图表上则是曲线被“拉长”，信号变化时滤波后的曲线变化的斜率会比原始信号变化的斜率低。而且，当半宽M到达一定数值后，增大半宽M所带来的平滑效果开始变得不明显。对于相对稳定的信号而言，当采样范围足够时，其范围内的均值将趋于平稳，足以抵抗随机噪声的干扰。

(1)波长准确性测试

实施例1通过引入一台HORIBA iHR320光谱仪来辅助完成这一参数的测试工作。依次将光路结构、机械结构、电路结构和配套软件整合安装完成后，采集并确认系统的信号输出。聚苯乙烯因其拉曼散射强烈而稳定，常用于拉曼光谱仪的准直和波长校准。实施例使用聚苯乙烯标准样作为测试样，聚苯乙烯的主峰的位置为1001.4cm^-1，测试时将光栅范围锁定在1000cm^-1(852nm)。

(2)采用Syner JY作为光谱采集软件，使用前对软件进行参数设置：

1.将光谱图x轴的单位设置为波数差(Delta Wavenumbers/cm^-1)，将基准波长“Laser Line”设置为光纤激光器的输出波长。从光纤激光器的技术资料可知，光纤激光器的激光输出波长为784.9nm。

2.硬件配置文件的建立：光谱仪和CCD传感器都是单独的部件，在Syner JY中需要在硬件配置中登记这两个光谱仪配件的硬件信息，包括光谱仪安装的光栅、两个配件的数据传输途径等。

参数设置完成后打开实验方法设定界面，设定检测区间为800-1200cm^-1，选择即时检测控制(Real Time Control,RTC)，选择曝光时间为1s，并启用连续检测。将聚苯乙烯标准样放置在样品台并调整好显微镜焦距，启动检测连续采集聚苯乙烯的拉曼光谱。在软件上方的光谱监控图表内观察聚苯乙烯的主峰强度并移动光谱仪调节信号强弱。具体而言，左右移动光谱仪使信号光直接照射在入射狭缝上。然后前后移动光谱仪使狭缝位于信号光焦点，信号光将全部进入光谱仪；最后调节光谱仪朝向信号光的角度确保信号光在光谱仪内的检测效率。

通过在光谱仪入射狭缝前安装与拆卸窄带滤波片，测试结果如图5所示，可以观察得到：有窄带滤波片时，长通滤光片将OPE3的拉曼散射信号中的2210cm^-1的谱峰单独提取出来，而阻挡了其他拉曼位移的光信号；反之，光谱仪则可以采集到OPE3的全谱信号。因此，在使用长通滤光片和光电倍增管作为传感器检测OPE3时，可以直接以电压信号作为OPE3浓度的依据。

(3)光度准确性测试

本实施例测试了不同浓度的OPE3溶液在PMT通道和iHR320光谱仪中的响应值。经过干涉型窄带滤波片可以滤过2210cm^-1附近20～40个波数内的光信号，同时防止其他波数的信号通过。结果(图6，R²值为0.99872)表明光电倍增管与光谱仪的响应二者之间存在高度的相关性，也证明了本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计光度测量准确性是合格的。

光电倍增管(PMT)是一种真空光电子器件，具有极高的灵敏度与超快的响应速度。在运行条件并未改变的情况下，长时间连续运行PMT，其阳极输出电流可能会随时间轻微变化(这种变化被称为漂移)。因此，在规定的条件下测试PMT的输出电压如何变化(在一定的时间段内)对于评估设备的性能是非常必要的。结果(图7)显示：本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计在开机初始化15分钟之后，仪器基线逐渐趋于平稳。在这种情况下，光电倍增管的暗电流会降至较低水平。

为了获得足够分辨的信号，仪器的信噪比(S/N)必须大于1。本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计所用的光学元件，均经过严谨的理论推算与光学仿真等过程，能够将杂散光的干扰抑制到较低水平。在此，我们使用添加了SERS基底(单分散AuNRs胶体)的3μM OPE3溶液作为标准试剂，用于测试单波长拉曼光度计的信噪比。根据结果(图8)来看，其S/N值约为5。故而本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计可以实现样品信号与背景噪声的较好分辨。

实施例1中设计的单波长拉曼光度计，包含三个精确设计的干涉型滤光片，即三个通道。通过转动滤光片转轮，可以自由切换这些窄带滤光片，从而可以检测三种不同的信标分子。图9说明：在一定浓度范围内，各通道的响应值与待测物质的浓度呈正相关。含有三键的三种不同SERS信标分子是OPE1、OPE3和MBN，分别用以验证通道1、通道2、通道3的线性响应情况。每个通道的R²值分别为0.99802、0.98302、0.99734。为增强SERS信号的强度，向所有样品中加入相同适量的氯化钠溶液进行微聚。

此外，从图9中可以看出：通道1和通道2的斜率大于通道3，这是因为通道1与通道2中使用的窄带滤波片在对应光谱波段内的透光率更佳，约75％；而通道3中所使用的窄带滤光片在目标光谱范围内的透光率则仅有50％左右。故而，通道1与通道2对样品的浓度变化更为敏感。

实施例2：定量检测性能测试

准备AgNO₃(10mM)、OPE3(2mM)、L-抗坏血酸(10mM)、柠檬酸三钠、纳米金棒溶胶、硫氰化钾、本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计。

(1)金纳米棒溶胶的制备：

①种子的制备

取10mL的0.1M CTAB水溶液，加入250μL 10mM HAuCl₄，搅拌两分钟。然后，加入600μL 10mMNaBH₄，剧烈搅拌1分钟。静置两小时，使NaBH₄完全分解。

②生长液配制

取10mL的0.1M CTAB水溶液，加入500μL 10mM HAuCl₄，再加入200μL 1M HCl溶液与100μL 10mMAgNO₃，搅拌2分钟。

③生长反应

向生长液中加入100μL抗坏血酸引发反应，搅拌一分钟后停止。取50μL种子加入生长液，静置24h(恒温25℃)。

(2)AuNRs@OPE3@Ag纳米溶胶的制备：

将10μL 2mM的OPE3溶液与5mL的AuNRs纳米溶胶混合，于室温下静置3个小时(通过Au-S共价键的方式将OPE3分子修饰在AuNRs的表面上)。接下来，通过离心(6000rpm，20分钟)除去未结合的化学物质，然后重悬于5mL的去离子水中。分别将50μL10mM的L-抗坏血酸和200μL10mM的柠檬酸三钠加入到溶液中，并在搅拌下缓慢滴加100μL10mM的硝酸银溶液，继续搅拌15分钟，得到AuNRs@OPE3@Ag纳米溶胶，将其低温避光保存，备用。

(3)SCN^-标准溶液的配制：

将硫氰酸钾溶于去离子水中，以制备不同浓度(1μM，2μM，4μM，8μM，16μM，32μM，64μM，128μM，256μM)的硫氰酸盐标准溶液。

在使用SERS传感器进行定量分析任务时，我们往往只关心某个或某几个特征峰的强度信息(谱峰面积或高度与信标分子的浓度呈正相关)。类似地，SERS强度信息在本实验室自行研制的拉曼光度计中被转换为了电压值，即SERS信号强度与PMT的输出电压呈正相关。

我们选择硫氰酸盐(SCN^-)标准溶液来评估本发明提供的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计的定量检测性能。SCN^-含有三键官能团-C≡N，其在拉曼光谱的“静默区”内2100cm^-1附近有单个窄带振动峰。我们将BPF₁窄带滤波片作为单色器，可以确保只有2100±20cm^-1范围内的信号透过，并被PMT检测到。为获得可靠的结果，需要将OPE3作为内标分子(相应的窄带滤波片为BPF₂)，采用AuNRs@OPE3@Ag作为SERS基底，测得最低检出限为1μM。图10给出了SCN^-与OPE3响应值之比与SCN^-浓度之间的关系。

本发明所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本领域技术人员可以对所描述的具体实施例做各种的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims

1.一种基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于，包括：

信号收集光路系统，其依次包括用于滤除瑞利散射的二向色镜、用于消色差的消色差双胶合透镜、用于屏蔽环境杂散光的针孔、用于消色差的消色差双胶合透镜、长通滤波片、用于精准筛选特定谱带内SERS信号光的窄带滤波片以及光电倍增管；样品所产生的SERS信号透过二向色镜时被滤除瑞利散射，透过窄带滤波片时被精准筛选出目标波段内的散射光，最终被光电倍增管探测到目标物质的信号。

2.根据权利要求1所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：准直器和二向色镜之间设有伽利略扩束器。

3.根据权利要求1所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：所述的窄带滤波片为干涉型窄带滤波片。

4.根据权利要求1所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：还包括用于调节信号激发系统和信号收集系统的机械控制系统，所述激发光路和信号收集通路分别固定在机械结构上。

5.根据权利要求4所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：所述机械控制系统包括用于固定光学元件的安装孔板、用于提供二维调节余量的平移台、用于调节光轴高度的支撑杆、用于固定安装孔板的笼式系统和用于固定支撑杆的底座。

6.根据权利要求5所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：消色差双胶合透镜与窄带滤波片均安装于相应的标准笼式安装板与滤光片转轮上，二向色镜安装于矩形光学元件适用的笼式立方体内，反射镜安装于直角安装座上，准直器和激光扩束器安装于笼式安装板，然后整合入笼式系统中。

7.根据权利要求1所述的基于SERS的便携式单波长拉曼光度计，其特征在于：还包括电路系统，其包括用于采集电压模拟信号的数据采集模块、用于运行软件的控制器、用于为光电倍增管供能的光电倍增管基座和用于调节电压增幅的信号放大器；光电倍增管的信号输出端口与数据采集模块的数据输入端口相连，数据采集模块的输出端口与控制器的输入端口相连。