CN110646397A - 提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法、装置和系统，该方法为：先将待测样本放置在金属基底或镀有金属膜的基底上，再将壳层隔绝纳米粒子铺设在所述待测样本上，然后在所述壳层隔绝纳米粒子上设置与所述基底固定的压板，以使所述壳层隔绝纳米粒子被挤压而单层平铺在所述待测样本上，最后进行拉曼光谱检测。本发明通过镀膜压板的设计，使壳层隔绝纳米粒子水平分布更加均匀，并紧贴被测样本，解决了拉曼光谱检测时壳层隔绝纳米粒子聚集的问题，提高了与待测样本发生有效电磁相互作用的壳层隔绝纳米粒子的数量，提高了拉曼信号的强度。该方案具有结构紧凑、效率高、易于施行等特点。

Description

提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法、装置和系统
技术领域
本发明涉及光谱分析技术领域，特别涉及一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法、装置和系统。
背景技术
拉曼光谱技术是由C.V.Raman于1928年首先提出的。拉曼光谱具有信息丰富、拉曼频移与入射光频率无关、分析效率高及无损伤探测等特点，因此拉曼光谱已被广泛应用于化学、生物医学、食品安全、航空航天、环境保护等领域。
但是普通拉曼光谱技术具有信号弱的缺点，对于小剂量样品有时测不到拉曼信号，在此情况下SERS(Surface-enhanced Raman Spectroscopy)和SHINERS(Shell-isolated nanoparticle enhanced Raman spectroscopy)技术应运而生。
SERS产生机理认为，若激发光源的波长满足金属导带电子的共振频率的要求，则在具有一定纳米结构的金属表面可以激发表面等离激元共振，金属表面周围由于谐振相互作用会产生较强的局域光电场，进而增强处于局域光电场中的分子的拉曼信号。该技术把拉曼信号提高了1至3个数量级，但仍有不足之处，由于金、银、铜等纳米粒子与被测样本直接接触，会导致电荷转移、发生光催化反应、吸附临近分子产生干扰信号，因此重复性很差。为了克服这一缺点，2010年，李剑锋教授发明了SHINERS技术，即在金纳米粒子表面包裹一层极薄且致密的惰性二氧化硅壳层，得到Au@SiO2壳层隔绝结构的纳米粒子，当激光照射Au@SiO2时，利用内核金纳米粒子增强的电磁场作用于被测样本，使基底材料上的待测分子的拉曼信号增强。可参照其专利：101832933B用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法。实验虽然取得了成功，但是纳米粒子的分布存在空间密度低、分布不均匀等特点，有时会产生聚集现象，如图1所示。由于电磁相互作用随间距的增大会急剧减小，纳米粒子的聚集会造成上层纳米粒子与测试样本间的距离过大，导致在激发状态下，上层纳米粒子与测试样本的间距超出发生电磁相互作用的范围，同时上层纳米粒子也阻止了部分激光能量向底层的传输，从而导致拉曼信号的减弱。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法、装置和系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，该方法为：先将待测样本放置在基底上，再将壳层隔绝纳米粒子铺设在所述待测样本上，然后在所述壳层隔绝纳米粒子上设置与所述基底固定的压板，以使所述壳层隔绝纳米粒子被挤压而单层平铺在所述待测样本上，最后进行拉曼光谱检测。
优选的是，所述基底为金属基底。
优选的是，所述基底为镀有金属膜的基底，且所述基底上镀有金属膜的一侧与所述待测样本接触。
优选的是，所述压板选用透明材料制作。
优选的是，所述压板选用光学玻璃或透明塑料制作；所述压板通过螺钉固定在所述基底上。
优选的是，所述压板两面抛光，均镀制激发光源及对应的拉曼散射光的高透膜。
优选的是，其中，拉曼散射光的波长范围根据公式
Figure BDA0002186421670000021
算出，公式中λ0为激发光源的波长，λi为激发样本后的输出波长。
优选的是，所述壳层隔绝纳米粒子中的纳米粒子的核为金、银或铜；壳层为SiO2或其他透明绝缘材料，壳层的厚度为2nm-5nm。
一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的样本处理装置，其采用如上所述的方法对待测样本进行处理，该装置包括用于放置待测样本的所述基底、设置在待测样本上的所述壳层隔绝纳米粒子以及用于挤压所述壳层隔绝纳米粒子以单层平铺在所述待测样本上的所述压板，且所述压板与所述基底固定。
一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的拉曼光谱检测系统，其包括如上所述的样本处理装置、光源和探测器，将待测样本设置在所述样本处理装置中后，光源发出的激发光照射样本，产生的拉曼散射光由所述探测器捕获，实现拉曼光谱检测。
本发明的有益效果是：本发明通过镀膜压板的设计，使壳层隔绝纳米粒子水平分布更加均匀，并紧贴被测样本，解决了拉曼光谱检测时壳层隔绝纳米粒子聚集的问题，提高了与待测样本发生有效电磁相互作用的壳层隔绝纳米粒子的数量，提高了拉曼信号的强度。该方案具有结构紧凑、效率高、易于施行等特点。
附图说明
图1为现有技术中壳层隔绝纳米粒子聚集的示意图；
图2为本发明的一种实施例中的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的样本处理装置的结构示意图；
图3为本发明的一种实施例中的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的拉曼光谱检测系统的结构示意图。
附图标记说明：
1—基底；2—待测样本；3—壳层隔绝纳米粒子；4—压板；5—螺钉。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，该方法为：先将待测样本放置在基底上，再将壳层隔绝纳米粒子铺设在所述待测样本上，然后在所述壳层隔绝纳米粒子上设置与所述基底固定的压板，以使所述壳层隔绝纳米粒子被挤压而单层平铺在所述待测样本上，最后进行拉曼光谱检测。
由于金属不产生拉曼光谱,为避免其他材质基底产生干扰信号，在进一步优选的实施例中，所述基底为金属基底。实验时,将金属基底固定在拉曼光谱仪载物台上,基底也可使用镀有金属膜的基底，且所述基底上镀有金属膜的一侧与所述待测样本接触。
其中，所述压板选用透明材料制作，如光学玻璃、石英或透明塑料制作，本实施例中采用光学玻璃；所述压板通过螺钉固定在所述基底上，也可采用其他方式固定，如卡扣等。压板给纳米粒子向下的压力，使聚集的壳层隔绝纳米粒子在水平方向上展开，趋于均匀分布。
其中，所述壳层隔绝纳米粒子中的纳米粒子的核为金、银或铜；壳层为SiO2或其他透明绝缘材料，壳层的厚度为2nm-5nm。由于纳米粒子很难铺设均匀，常常造成纳米粒子的聚集，又由于电磁相互作用随间距的增大会急剧减小，纳米粒子的聚集会造成上层纳米粒子与测试样本2的间距过大，导致在激光激发下，上层纳米粒子与测试样本2的间距超出发生电磁相互作用的范围，同时也阻止了部分激光能量向底层的传输，从而导致拉曼信号的减弱。为了提高效率引入了压板4，其作用是给壳层隔绝纳米粒子3一个向下的力，使堆积的壳层隔绝纳米粒子水平分布更为均匀，并紧贴测试样本2。
进一步优选的，所述压板两面抛光，均镀制激发光源及对应的拉曼散射光的高透膜，以增加激发光源的利用效率和产生的拉曼信号的透过率。其中，拉曼散射光的波长范围根据公式
Figure BDA0002186421670000041
算出，公式中λ0为激发光源的波长，λi为激发样本后的输出波长。本实施例激发光源可选用785nm、633nm、532nm或其他波长激光，为叙述方便，以532nm为例说明，首先根据拉曼频移公式
Figure BDA0002186421670000042
求出探测范围在200cm-1至4000cm-1区间对应的拉曼散射光的波长，即拉曼信号，公式中λ0为入射激光，波长为532nm，λi为532nm激发样本后的输出波长，经计算，532nm激发时，在200cm-1至4000cm-1区间输出的对应波长范围为537.7nm至675.8nm。压板双面均镀制532nm及537.7nm-675.8nm范围的高透膜，并使其他波长高反。本实施例中，进行拉曼光谱检测时，打开激光器，激光波长可为785nm、633nm、532nm或其他波长，激光透过压板被聚焦到壳层隔绝纳米粒子上(光斑约为3μm2,可辐照约991个55nm直径的壳层隔绝纳米粒子)，金属表面周围由于谐振相互作用会产生较强的局域电磁场，进而增强处于局域电磁场中样本分子的拉曼信号。增强的拉曼信号，沿原光路返回，入射到探测器(本实施例中具体为CCD)上，形成增强的拉曼光谱。
实施例2
一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的样本处理装置，其采用上述实施例1的方法对待测样本进行处理，该装置包括用于放置待测样本的所述基底、设置在待测样本上的所述壳层隔绝纳米粒子以及用于挤压所述壳层隔绝纳米粒子以单层平铺在所述待测样本上的所述压板，且所述压板与所述基底固定。基底为金属基底或镀有金属膜的其他材料的基底，且所述基底上镀有金属膜的一侧与所述待测样本接触。处理时，先将基底固定在载物台上，然后将待测样本设置在基底上，并将壳层隔绝纳米粒子铺设在所述待测样本上，然后将压板压在壳层隔绝纳米粒子上，并与基底固定(可采用螺钉)，通过压板给壳层隔绝纳米粒子一个向下的力，使堆积的壳层隔绝纳米粒子水平分布更为均匀，并紧贴待测样本；最后进行拉曼光谱检测。
实施例3
一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的拉曼光谱检测系统，其包括如实施例2所述的样本处理装置以及光源、探测器，将待测样本设置在所述样本处理装置中后，光源发出的激发光照射样本，产生的拉曼散射光由所述探测器捕获，实现拉曼光谱检测。
参照图3，在进一步优选的实施例中，探测器采用CCD，光源为激光器，同时还包括相应的激发光路和采集光路，且激发光路和采集光路为拉曼光谱仪普遍采用的结构。激发光路包括准直透镜、瑞利滤光片和聚焦物镜；采集光路包括透镜、光阑、准直物镜、光栅、成像物镜。系统还包括常规的控制电路：激光器驱动及制冷电路、CCD驱动及制冷电路，通过PC人机交互界面可进行控制。
本实施例激光器发射532nm的激光，根据实验要求也可选用其他波长激光光源，532nm激光输出功率0-200mW可调，稳定性<1％。系统工作过程为：激光器发射的激光通过准直透镜、瑞利滤光片、聚焦物镜聚焦在测试样品上，产生频率发生偏移的增强拉曼光谱，经瑞利滤光片滤除频率不变的瑞利散射光后，拉曼信号经透镜聚焦后被准直透镜准直，置于两个透镜间的小孔光阑起到提高空间分辨率的作用。根据拉曼散射光波长的不同，利用光路里的内置光栅接收拉曼信号，对散射光进行分离，CCD采集模块将不同波长信号的拉曼散射光谱进行收集和记录，并将其转换成数字信号，然后，利用USB将数字信号输入到PC人机交互界面，进行预处理，得到理想的拉曼光谱。图3左边的虚线框为样品部分，中间的虚线框为拉曼光谱产生的光路，右边虚线框为拉曼光谱的采集光路。实际应用中，为了减小仪器体积，右边虚线框可以设计成中阶梯光栅结构。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。

Claims (10)

1.一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，该方法为：先将待测样本放置在金属基底或镀有金属膜的基底上，再将壳层隔绝纳米粒子铺设在所述待测样本上，然后在所述壳层隔绝纳米粒子上设置与所述基底固定的压板，以使所述壳层隔绝纳米粒子被挤压而单层平铺在所述待测样本上，最后进行拉曼光谱检测。
2.根据权利要求1所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述基底为金属基底。
3.根据权利要求2所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述基底为镀有金属膜的基底，且所述基底上镀有金属膜的一侧与所述待测样本接触。
4.根据权利要求2或3所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述压板选用透明材料制作。
5.根据权利要求4所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述压板选用光学玻璃或透明塑料制作；所述压板通过螺钉固定在所述基底上。
6.根据权利要求4所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述压板两面抛光，均镀制激发光源及对应的拉曼散射光的高透膜。
7.根据权利要求6所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，其中，拉曼散射光的波长范围根据公式
Figure FDA0002186421660000011
算出，公式中λ0为激发光源的波长，λi为激发样本后的输出波长。
8.根据权利要求1所述的提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的方法，其特征在于，所述壳层隔绝纳米粒子中的纳米粒子的核为金、银或铜；壳层为SiO2，壳层的厚度为2nm-5nm。
9.一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的样本处理装置，其特征在于，其采用如权利要求1-8中任意一项所述的方法对待测样本进行处理，该装置包括用于放置待测样本的所述基底、设置在待测样本上的所述壳层隔绝纳米粒子以及用于挤压所述壳层隔绝纳米粒子以单层平铺在所述待测样本上的所述压板，且所述压板与所述基底固定。
10.一种提高壳层隔绝纳米粒子拉曼光谱强度的拉曼光谱检测系统，其特征在于，其包括如权利要求9所述的样本处理装置、光源和探测器，将待测样本设置在所述样本处理装置中后，光源发出的激发光照射样本，产生的拉曼散射光由所述探测器捕获，实现拉曼光谱检测。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111678910A (zh) * 2020-06-30 2020-09-18 苏州国科医工科技发展(集团)有限公司 利用氮化硼隔绝材料提高拉曼光谱强度的结构及制备方法
CN114235780A (zh) * 2021-12-17 2022-03-25 厦门大学 一种增强氧化钛表面物种拉曼信号的方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101832933A (zh) * 2010-01-21 2010-09-15 厦门大学 用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法
CN102706858A (zh) * 2012-07-02 2012-10-03 中国科学院合肥物质科学研究院 功能化壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱对tnt的选择性检测方法
CN106706593A (zh) * 2016-11-18 2017-05-24 兰州大学 一种壳层隔离纳米粒子增强拉曼散射光谱探针的制备方法
CN108007918A (zh) * 2017-11-22 2018-05-08 厦门斯贝克科技有限责任公司 一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼检测芯片

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101832933A (zh) * 2010-01-21 2010-09-15 厦门大学 用壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱的方法
CN102706858A (zh) * 2012-07-02 2012-10-03 中国科学院合肥物质科学研究院 功能化壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱对tnt的选择性检测方法
CN106706593A (zh) * 2016-11-18 2017-05-24 兰州大学 一种壳层隔离纳米粒子增强拉曼散射光谱探针的制备方法
CN108007918A (zh) * 2017-11-22 2018-05-08 厦门斯贝克科技有限责任公司 一种基于壳层隔绝纳米粒子的三维热点拉曼检测芯片

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111678910A (zh) * 2020-06-30 2020-09-18 苏州国科医工科技发展(集团)有限公司 利用氮化硼隔绝材料提高拉曼光谱强度的结构及制备方法
CN114235780A (zh) * 2021-12-17 2022-03-25 厦门大学 一种增强氧化钛表面物种拉曼信号的方法

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