CN115639180A - 一种分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及拉曼检测领域，具体提供了一种分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置及方法。该拉曼检测装置包括拉曼光谱检测模块、样品采集模块、正极模块、负极模块、电源模块以及多轴可调支架。与现有技术相比，本发明通过微电流使待测物质至探测热点，并通过施加的电场大幅增加SERS芯片的自由电子数，本发明方法检测灵敏度高，检测过程迅速，本发明装置结构紧凑，成本低。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测领域，特别涉及病毒、细菌等微生物及人体呼出挥发性有机物的SERS表面增强拉曼检测领域。
背景技术
近年来，光谱检测技术发展迅速，是高灵敏度、快速、高效的成像检测手段，其中表面增强拉曼光谱SERS具有无标记检测分子的指纹光谱，可以实现单分子检测等优点。
然而，物质的拉曼散射信号强度通常比较低，使散射导致检测灵敏度不高，即使通过表面增强拉曼光谱SERS使其信号强度增强103-104倍，对于低浓度的痕量样品，例如空气中采集的样品来说，拉曼检测信号强度依然很低，甚至会无法探测到。
目前，进一步增强表面增强拉曼光谱SERS的方式主要有以下几种：
首先是微流控芯片技术，由于激光斑点能够直接聚焦在微流控芯片的微小通道内，所以检测灵敏度很高。但是微流控芯片本身生产成本较高，微小通道易被杂质堵塞，重复使用的清洗流程复杂，因而导致整体检测成本很高，且其检测局限于液体样本的检测。
其次是通过优化芯片的设计来增强表面增强拉曼光谱SERS，例如一种纳米颗粒芯片，在其顶端形成纳米笼热点，使待测物质更好地被限制在热点位置，进而提高检测灵敏度。此类方法对增强拉曼光谱检测的增强有限，且芯片生产工艺复杂，成本高，芯片重复使用性较差，很难应用于大规模检测中。
发明内容
本发明的目的是提供一种分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测方法及装置，以实现检测灵敏度高，检测过程迅速，装置结构紧凑，成本低。
本发明解决技术问题的技术方案是：
一种拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述检测装置包括拉曼光谱检测模块和电流形成模块，其中，
所述拉曼光谱检测模块对向目标样品用以对所述目标样品进行拉曼检测，所述目标样品具有流动性或者所述目标样品置于具有流动性的物质中；
所述电流形成模块设置于所述目标样品周围，用以在所述目标样品内产生电流。
优选地，所述电流形成模块具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极中的至少一个具有放电尖端，所述放电尖端设置于所述拉曼光谱检测模块的检测光的焦点附近。
优选地，所述第一电极和第二电极中的另一个设置于所述目标样品外围，所述拉曼光谱检测模块的检测光聚焦于所述目标样品，优选聚焦于所述目标样品的中部。
优选地，还包括多轴可调支架，所述多轴可调支架具有固定基座和活动端，所述拉曼光谱检测模块固定安装在所述多轴可调支架的活动端上，所述多轴可调支架的活动端可以三维调节所述拉曼检测模块的位置，并且/或者调整所述拉曼光谱检测模块的方位角和俯仰角。
优选地，所述拉曼光谱检测模块发射激光到所述目标样品上，并收集返回的拉曼散射光，处理得到目标样品的指纹光谱信息。
优选地，设置于所述拉曼光谱检测模块的检测光的焦点附近的电极具有放电尖端，所述放电尖端与所述目标样品相接触，另一电极环绕在所述目标样品四周，并且所述放电尖端和所述检测光的焦点协同在所述目标样品上移动。
优选地，还包括样品采集模块，所述目标样品设置于所述样品采集模块上，样品采集模块可以为非连续导电的样品承载模块，优选地为其上具有多块不连续导体的样品(平面绝缘基底上镶嵌多块小的不连续导体)承载模块，优选地，所述样品采集模块为金属纳米颗粒芯片。这样可以进一步增强拉曼效果。
优选地，所述放电尖端位置可以自由移动，使电流施加到所述样品采集模块的不同位置，优选地，还包括电源模块，所述电源模块的正极和负极分别连接至所述第一电极和所述第二电极，所述电源模块还对所述样品采集模块施加电场。
另一方面，本发明提供一种拉曼检测方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)对目标样品施加第一电压，以在其内形成电流，所述目标样品具有流动性或者所述目标样品置于具有流动性的物质中；
(2)对流有电流的所述目标样品进行拉曼检测。
优选地，所述方法包括利用放电尖端与所述目标样品相接触，所述放电尖端连接至极性与所述目标样品荷载电荷相反的第一电极，另一电极环绕在所述目标样品四周，优选地，所述目标样品置于不连续纳米金材料层上，所述放电尖端连接至不连续纳米金材料层，优选地，所述放电尖端和拉曼检测的检测光的焦点协同地在所述目标样品上移动。
技术效果：
与现有技术相比，本发明通过微电流使待测物质荷电，待测物质随电流流动富集至正极的放电尖端附近，大大提高了检测位置的样品浓度，并可以通过调整正极的放电尖端位置实现同一芯片的多点多次测量，提高了采集芯片的使用效率。本发明克服了现有技术对检测芯片要求高，重复使用性差，检测成本高的缺点，具有检测灵敏度高，检测过程迅速，成本低的优点。
本发明通过施加的电场大幅增加金属纳米颗粒芯片的自由电子数，本发明方法检测灵敏度高，检测过程迅速，本发明装置结构紧凑，成本低。
附图说明
图1为本发明结构示意图，图中，1为拉曼光谱检测模块、2为样品采集模块、3为正极模块、4为负极模块、5为电源模块、6为多轴可调支架。
图2为本发明另一种实施方式的结构示意图，图中，1为拉曼光谱检测模块、2为样品采集模块、2-1为不连续纳米金材料层、3为正极模块、4为负极模块、5为电源模块、6为多轴可调支架。
图3为利用本发明装置进行大肠杆菌检测的拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
在附图中示出了根据本发明实施例的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
如图1所示，本实施例中的分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置包括拉曼光谱检测模块1、样品采集模块2、正极模块3、负极模块4、电源模块5以及多轴可调支架6。其中，多轴可调支架6具有固定基座和活动端，拉曼光谱检测模块1固定安装在多轴可调支架6的活动端上，多轴可调支架6的活动端可以三维直线调节拉曼检测模块1的位置，且该活动端与拉曼光谱检测模块连接位置处具有球轴结构，可以多角度调整拉曼光谱检测模块的角度。需要说明的是，多轴可调支架6可以采用任何现有的具有位置和角度调节能力的支架，这里不做限制。
正极模块固定在所述拉曼光谱检测模块上或者正极模块通过另一个可调支架固定，并且其具有放电尖端，放电尖端设置于所述拉曼光谱检测模块的检测光的焦点附近。
正极模块的放电尖端位置可以根据需求调节位置，优选的位于拉曼光谱检测模块发出的激光焦点附近。拉曼检测模块可以与正极模块的放电尖端协同运动，以使得放电尖端所处位置持续位于拉曼光谱模块的焦点附近，并且可以不停地改变位于样品采集模块上的位置。负极模块4环绕在样品采集模块四周；5电源模块的正、负极分别通过导线与正极模块和负极模块连接。
在上述实施例中，为保障检测效果，优选的，所述拉曼光谱检测模块为532nm和785nm双波长光谱检测模块，其出射光路与所述样品采集模块垂直放置，且激光焦点位于所述样品采集模块上。优选的，所述样品采集模块为有序阵列基底的纳米金SERS芯片。优选的，所述负极模块与所述样品采集模块外形匹配，且尺寸略小于所述样品采集模块，使用时负极模块设置于样品采集模块的外周。优选的，所述电源模块为高电压，高内阻电源模块，且其电压、内阻可自适应调节，电压调节范围为0V-10000V，电阻调节范围为100Ω-100kΩ。优选的，正极模块的放电尖端和负极模块为紫铜材质制成。优选的，所述电源模块为高电压、高内阻电源模块。
本实施例的分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置的工作过程为：通过所述多轴可调支架作为支撑整个装置的结构，调整拉曼光谱检测模块的位置和探测角度，使其聚焦于样品采集模块上的样品；将待测样本收集到所述样品采集模块上，待测样本(比如，病毒、细菌等微生物及人体呼出挥发性有机物，这些样本吸附到气体或液体载体中，液体中优选加入细菌培养液)经过处理后以液态为佳；将所述拉曼光谱检测模块的激光焦点设置到样品采集模块上的目标位置；将所述正极模块的放电尖端设置到激光焦点附近，并与待测样本轻微接触；将所述负极模块设置在所述样品采集模块周围并与待测样本轻微接触；打开所述电源模块，根据不同样品对电流的耐受程度，调节电流(uA到mA量级)保证待测物质的结构不被破坏，在微电流的作用下，待测样本中的待测物质荷电，并随电流流向聚集到正极模块放电尖端附近；与此同时，所述电源模块还可以与另一组电极相连接，该组电极设置于样品采集模块的上下(若设置于上下两侧，则可以采用格网电极的形式，避免遮挡激光)或左右两侧，对所述样品采集模块施加电场，使所述样品采集模块中纳米金材料所含自由电子大大增加；拉曼光谱检测模块出射激光，焦点照射到所述样品采集模块上，同时采集返回的待测物质拉曼光谱信号，经其内置的光谱仪接收处理后得到待测物质的指纹光谱信息，完成检测。
在另一些实施例中，可以增加一个控制模块，用于对整个装置进行自动控制。
需要说明的是，本实施例中，以目标样品荷电时会携带负电荷为例进行的说明，因此，阳极设置放电尖端对目标样品进行汇聚。不排除特殊情况下，目标样品在荷电时携带正电荷，若是如此，则阴极设置放电尖端对目标样品进行汇聚，即阴极和阳极的结构和位置可以互换，根据目标样品所携带电荷情况进行调整。
如图3所示，为采用本发明的检测装置进行大肠杆菌检测的拉曼光谱。检测时将大肠杆菌吸附到液体，若采集环境中菌株含量很少，可以采用培养液，然后，将液体涂敷到样品采集模块表面，将样品采集模块置于装置中的样品承载平台，拉曼光谱的聚焦区域，设置好电极，进行拉曼检测。图中分别画出了正极尖端处采集的拉曼光谱、负极处的拉曼光谱以及不施加电流情况下的光谱，从中可以看出，仅正极尖端处采集的拉曼光谱包含了大肠杆菌拉曼光谱的所有特征峰——650.950.1125.1250nm，而其他两条光谱均未检测到全部的特征峰，因此，可以证明本发明的方法可以更有效、准确地进行样品的拉曼检测，具有更高的检测精度。
实施例2
在另一些实施例中，基本设置同实施例1。具体的，如图2所示，样本采集模块2上表面均匀镀有不连续的纳米金材料层2-1，正极模块3集成在样品采集模块2底部或者安装在样品采集模块2下方，其放电尖端可以与任意一块不连续纳米金材料层2-1连接。负极模块4环绕在样品采集模块四周；电源模块的正负极分别通过导线与正极模块和负极模块连接
本实施例中的分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置的工作过程大致同实施例1，本实施例中未描述部分参照实施例1。
具体而言，其工作时，将拉曼光谱检测模块1的激光焦点设置到目标纳米金材料层的正上方；然后将所述正极模块的放电尖端与该纳米金材料层连接；打开所述电源模块，调节电流保证待测物质的结构不被破坏，在微电流的作用下，待测样本中的待测物质荷电，并随电流流向聚集到目标纳米金材料层所在位置；然后利用拉曼检测模块进行目标物质的拉曼检测，其它步骤同实施例1。
总体上，通过本发明的分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼检测装置及相应检测方法，相较于现有技术，通过微电流使待测物质汇聚至探测热点，并通过施加的电场大幅增加金属纳米颗粒芯片的自由电子数，本发明方法检测灵敏度高，检测过程迅速，本发明装置结构紧凑，成本低。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种分钟级高灵敏度微电流控制的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述检测装置包括拉曼光谱检测模块和电流形成模块，其中，
所述拉曼光谱检测模块对向目标样品用以对所述目标样品进行拉曼检测，所述目标样品具有流动性或者所述目标样品置于具有流动性的物质中；
所述电流形成模块设置于所述目标样品周围，用以在所述目标样品内产生电流。
2.根据权利要求1所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述电流形成模块具有第一电极和第二电极，所述第一电极和第二电极中的至少一个具有放电尖端，所述放电尖端设置于所述拉曼光谱检测模块的检测光的焦点附近。
3.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述第一电极和第二电极中的另一个设置于所述目标样品外围，所述拉曼光谱检测模块的检测光聚焦于所述目标样品，优选聚焦于所述目标样品的中部。
4.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，还包括多轴可调支架，所述多轴可调支架具有固定基座和活动端，所述拉曼光谱检测模块1固定安装在所述多轴可调支架6的活动端上，所述多轴可调支架的活动端可以三维调节所述拉曼检测模块的位置，并且/或者调整所述拉曼光谱检测模块的方位角和俯仰角。
5.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述拉曼光谱检测模块发射激光到所述目标样品上，并收集返回的拉曼散射光，处理得到目标样品的指纹光谱信息。
6.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，设置于所述拉曼光谱检测模块的检测光的焦点附近的电极具有放电尖端，所述放电尖端与所述目标样品相接触，另一电极环绕在所述目标样品四周，并且优选地，所述放电尖端和所述检测光的焦点协同在所述目标样品上移动。
7.根据权利要求2所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，还包括样品采集模块，所述目标样品设置于所述样品采集模块上，优选地，所述样品采集模块为金属纳米颗粒芯片。
8.根据权利要求7所述的拉曼光谱检测装置，其特征在于，所述放电尖端可以自由移动，使电流施加到所述样品采集模块的不同位置，优选地，还包括电源模块，所述电源模块的正极和负极分别连接至所述第一电极和所述第二电极，所述电源模块还对所述样品采集模块施加电场。
9.一种拉曼检测方法，其特征在于，所述方法包括：
(1)对目标样品施加第一电压，以在其内形成电流，所述目标样品具有流动性或者所述目标样品置于具有流动性的物质中；
(2)对流有电流的所述目标样品进行拉曼检测。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述方法包括利用放电尖端与所述目标样品相接触，所述放电尖端连接至极性与所述目标样品荷载电荷相反的第一电极，另一电极环绕在所述目标样品四周，优选地，所述目标样品置于不连续纳米金材料层上，所述放电尖端连接至不连续纳米金材料层，优选地，所述放电尖端和拉曼检测的检测光的焦点协同地在所述目标样品的上移动。
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| CN116448841A (zh) * | 2023-06-13 | 2023-07-18 | 四川格瑞人康药房连锁有限公司 | 一种用于药物开发的电化学检测装置 |
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