CN115979778A - 一种基于光热效应的微纳塑料检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光热效应的微纳塑料检测方法，该方法涉及微纳光学领域。微纳塑料作为国家规定四类新污染物之一，目前急需一种高效的检测方法。本发明利用金纳米粒子对于785nm激光的共振吸收，通过光热效应在溶液中形成强光热阱，使得微纳塑料可以被高效的富集和捕获。富集后的微纳塑料可以通过表面增强拉曼光谱(SERS)技术进行检测，从而实现低浓度微纳塑料的检测。该发明解决了现有手段无法有效进行大范围微纳塑料的富集和检测问题，为水环境中微纳塑料的监控以及食品行业微纳塑料的检测提供了新的检测手段，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于光热效应的微纳塑料检测方法

技术领域

本发明是基于激光光热效应操控形成金属纳米堆的强光热阱，进而对微纳塑料颗粒进行富集和探测的方法，通过本方法可以实现利用激光使微纳塑料在金纳米堆上富集，从而为水中微纳塑料的检测提供新的手段，该发明具有广泛的与应用前景。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SurfaceenhancedRamanspectroscopy，SERS)是一种以光子为探针的无损检测技术，直接与分子结构的振动光谱相联系，对物质可进行指纹性认证，物质结构的任何微小变化都会非常敏感的反应在拉曼光谱中，由于分子所吸附的基底表面形态是SERS效应能否发生和SERS信号强弱的重要影响因素，分子的承载体至关重要。SERS基底的研究一直是该领域的研究热点之一。金属纳米粒子可使得特定波长入射光的散射吸收增强，光场能量局域到金属纳米粒子的表面，其周围电场强度增强，从而可显著提高其周围探测分子的光谱信号强度，因其特殊的光学性质，在SERS领域有广泛的应用。

微纳塑料主要是指直径在纳米和微米尺度上的塑料颗粒，该种物质主要分布在海洋、生物组织中，对环境危害性极大，因此我们需要一种方法来对环境中的微纳塑料进行检测。目前，现有传统操控微小颗粒主要还是使用光镊等方法，该方法主要针对的是微米量级颗粒的操控，对于纳米量级的颗粒还没有一种行之有效的方法。因此本发明提出的利用激光光热效应对微纳塑料富集，并与SERS联用对微纳塑料进行检测的方法，将更具有实用性。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提出了一种利用激光光热效应和SERS联用的方法对微纳塑料颗粒检测的方法，解决了现阶段大范围操控纳米塑料困难、无法对水中低丰度纳米塑料进行检测的问题。且该技术相比较于传统的SERS检测方法，还大幅度降低可检测的微纳塑料的尺寸。

一方面，一种基于光热效应的纳米塑料检测方法，其特征在于，该装置包括光操控-显微拉曼系统、SERS增强基底模块，通过同一光路实现光操控以及SERS探测，该光路包括拉曼探测模块及显微成像模块，拉曼探测模块将激光器发出的光照射至SERS增强基底模块即样品池后，经显微物镜收集的散射光，利用二向色片导入拉曼探测模块，经显微物镜收集的待测物图像的光，利用二向色片导入显微成像模块，实现对待测物的拉曼光谱测量和显微成像，显微成像模块用于记录待测物颗粒受光热效应产生的运动状态，该SERS增强基底模块由金属纳米粒子堆、待测物颗粒溶液和微流控装置组成，该激光器的功率为0-500mW。

进一步的，该拉曼探测系统主要包括：激光器、入射光纤、平凸透镜系统、二向色片、60x显微物镜、SERS增强基底增强模块、光阑、平面反射镜、平凸透镜、探测器、收集光纤、光谱仪、计算机，上述的激光器发出的激光经过入射光纤后到达准直平凸透镜系统，出射光经二向色片的反射后经过显微物镜垂直聚焦到SERS增强基底增强模块上，在SERS增强基底模块内部待测物颗粒经过微流控装置注入金纳米颗粒堆溶液里实现光热效应对微塑料颗粒的富集以及SERS探测，激发产生的拉曼散射光束经过显微物镜和二向色片后，经过聚焦平凸透镜后被收集光纤收集并传输到光谱仪，经光谱仪分光以及CCD转换成电信号后传输到计算机进行显示和存储，实现SERS信号的探测。

进一步的，该显微成像系统主要包括：LED阵列白光光源，LED阵列白光光源发出的光依次通过光阑、平面反射镜、微流控模块、60x显微物镜、二向色片、平凸透镜后，到达成像CCD。

进一步的，所述收集光纤的数值孔径与光谱仪狭缝的数值孔径匹配。

进一步的，所述平凸透镜和二向色片，安装在笼式直角可调反射式安装座里。

进一步的，其特征至于，所述的显微成像光路为透射式照明，光阑可以有效的调节照明光斑的大小。

进一步的，所述金属纳米溶胶的平均粒径是50nm。

进一步的，还包括一种基于光热作用的微塑料颗粒富集和检测方法，该方法基于激光光热效应操控形成金纳米堆的强光热阱，进而对微纳塑料颗粒进行富集和探测。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

(1)该方法可以大范围的操控金纳米颗粒堆中的微纳塑料颗粒，可以在短时间内汇聚大量的颗粒，且相比较于传统方法，其对待测物的SERS信号有大幅度的增强效果。

(2)该系统仅用一束激光利用光热效应操控形成金纳米堆的强光热阱实现微纳塑料的捕获和SERS信号激发。

发明原理

本发明专利使用金纳米溶胶颗粒在激光的操控下发生聚沉从而形成一定直径的金纳米颗粒堆作为强的光热阱，基于形成的强光热阱可以对多种微纳塑料实现富集的效果。基于此原理实现了直径为80nm的聚苯乙烯颗粒的聚沉。又因为金纳米溶胶颗粒可以作为SERS的基底材料，而实验中用到的激光可以作为SERS的激发光，因此通过此发明专利不仅可以实现微纳塑料颗粒的聚沉现象；还可以得到聚沉纳米颗粒的表面增强拉曼光谱。最终，我们实现了在本发明上同时实现了纳米颗粒的富集和检测。

附图说明

图1为一种基于光热效应的微纳塑料检测的方法示意图。

图2为一种基于光热效应的微纳塑料检测的方法微流控装置示意图。

图3为一种基于光热效应的微纳塑料检测方法对金溶胶颗粒进行富集的结果图。

图4为一种基于光热效应的微纳塑料检测方法对聚苯乙烯微塑料颗粒富集后进行SERS检测强度随时间变化的图。

图5为一种基于光热效应的微纳塑料检测方法不同浓度聚苯乙烯颗粒对SERS信号强度的影响。

图6为一种基于光热效应的微纳塑料检测方法经过长时间对低浓度微纳塑料检测结果图。

图1中，1为785nm的半导体激光器，2为光谱仪，3为激光器入射光纤，4为光谱仪入射光纤，5为第一球面凸透镜，6为第一平面反射镜，7为准直透镜，8为扩束透镜组，9为第一二向色片，10为第二二向色片，11为第二平面反射镜，12为成像CCD，13为第二球面凸透镜，14为第三二向色片，15为60x显微物镜，16为样品池由载玻片、垫片、盖玻片等组成，17为第三平面反射镜，18为光阑，19为第三球面凸透镜，20为LED阵列白光光源。

图2中，为微流控装置示意图，左边两个通道为输入端，分别注入金溶胶颗粒溶液和待测物颗粒溶液，溶液通过管路汇聚到椭圆形样品池内进行聚集或SERS检测。

具体实施方案

本发明采用的技术方案包括以下步骤：

(1)纳米颗粒富集与检测系统

该系统主要包括拉曼探测光路以及显微成像光路，两者通过二向色片耦合在一起，其中显微成像光路为竖直光路，显微成像光路对本发明中利用光热效应对待测颗粒的富集起到了重要的作用。

其中，所述显微成像光路为透射式照明。

其中，激光的功率为0-500mW。

其中，显微物镜的焦距为长焦6mm～8mm。

其中，激光透过显微物镜以后束腰的大小为10-20μm。

(2)在进行拉曼光谱采集之前，先将金纳米溶胶通过微流控装置的一个通道注入样品池。

其中，将金纳米溶胶颗粒通过激光聚集到合适的大小从而形成一个强光热阱，之后通过微流控装置的另一个通道，将聚苯乙烯颗粒溶液注入到微流控装置的样品池中进行富集或检测。

(3)将微流控的样品池放置到三维可调节载物台上，调节激光焦点聚焦到样品池的底部。

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的技术方案是通过以下方式实现的：一种基于光热效应的微塑料颗粒富集与检测的方法，包括如下步骤：

(1)纳米颗粒富集与检测系统

如图1中的1～11和14～16共同组成了拉曼探测模块，激发光从入射光纤3到达准直透镜7，在经过扩束透镜组8后到达第二平面反射镜11，反射的光线经过第二二向色片10的反射后到达第三二向色片14，被该元件反射后会入射到60x显微物镜15，光线经物镜放大最终聚焦到样品台16的样品池中，并和待测溶液与金胶的混合溶液反应激发出拉曼光谱，该光线经60x显微物镜15的收集再次到达第三二向色片14，经过反射，依次透过第二二向色片10和第一二向色片9后，被第一平面反射镜6反射，并被第一球面凸透镜5聚焦输入光谱仪入射光纤4，最终被光谱仪2所探测，实现拉曼信号的检测和储存。

如图1中的12～20共同组成了显微成像模块，所述的显微成像光路为透射式照明，显微成像模块包括：LED阵列白光光源，LED阵列白光光源发出的光依次经过第三球面凸透镜19、光阑18、第三平面反射镜17、样品台16、显微物镜、第三二向色片14、第二球面凸透镜13后，最终到达成像CCD。

本发明通过同一光路实现光热效应对于微塑料颗粒的富集和检测，该光路包括拉曼探测模块及显微成像模块，拉曼探测模块将激光器发出的光照射至SERS增强基底模块即微流控装置的样品池后，经显微物镜收集的散射光(因激光照射SERS增强基底模块产生的散射光)，利用二向色片的反射导入拉曼探测模块，经显微物镜收集的待测物图像的光(粒子因LED阵列白光光源照明产生的图像)，利用二向色片透射导入显微成像模块，实现对待测物的拉曼光谱测量和显微成像，显微成像模块用于记录微塑料颗粒受光热效应作用产生的运动状态。

其中，针对待测颗粒聚集体对785nm激光的响应程度，激光器光源选为785nm半导体激光器；

其中，所述第一平面反射镜6和第二平面反射镜11，安装在笼式直角可调反射式安装座里，其目的是为了保证光束的同轴性，同时可以调节激光与竖直方向的夹角使其垂直入射到样品池内，而当且仅当激光光束从上到下垂直入射到待测物时，才形成明显的SERS增强效果。

其中，所述光纤4的数值孔径与光谱仪狭缝的数值孔径匹配。

其中，光阑18可以有效的调节照明光斑的大小。

(2)金纳米溶胶与一定浓度待测溶液的制备

金纳米溶胶的配置：金溶胶的制备参考传统Frens法，配制5.8×10^-3mol/L柠檬酸三钠溶液作为还原剂，将其缓慢加入到沸腾的体积分数为1％的氯金酸溶液中，持续搅拌加热反应1h。通过调节温度及添加不同量柠檬酸三钠可以控制反应得到的金纳米颗粒粒径大小。其中，金纳米粒子的平均粒径优选为50nm。

待测溶液的配置：选取待测溶液为聚苯乙烯颗粒溶液。

(3)待测溶液的SERS探测

以聚苯乙烯为例的探测过程：首先将上一步配置的金纳米溶胶通过微流控装置的一个通道注入到样品池内，装置如图2所示。保持激光光束的传播方向和辅助衬底表面垂直，将激光的焦点聚焦于样品池的内部，经研究发现，当且仅当激光光束从上到下垂直入射到待测物时，才形成明显的SERS增强效果。待10-15min后金纳米颗粒会聚集在激光焦点附近形成一个强光热阱，如图3所示。光热阱的直径可以通过激光照射的时间控制，一般为8-100μm。将提前配置好的一定浓度的聚苯乙烯颗粒溶液通过微流控装置的另一个通道注入到样品池内，通过观察CCD拍摄到的粒子运动方向是向着上一步形成的光热阱移动，可以推断聚苯乙烯颗粒产生向中心富集的现象。这时我们可以通过拉曼探测模块收集到聚苯乙烯颗粒激发出的散射光，结果如图4所示。从图中我们可以发现，随着时间的变化，聚苯乙烯颗粒所对应998cm^-1处的SERS峰的强度逐渐增强，这说明随着时间的变化，聚苯乙烯颗粒逐渐向激光焦点(金纳米堆)处聚集。

为了探究基于光热效应不同浓度的聚苯乙烯颗粒富集引起SERS信号强度的变化，分别以空白对照、0.05μg/ml、0.1μg/ml、0.5μg/ml、1μg/ml、5μg/ml这几组80nm聚苯乙烯溶液为例，探究对SERS信号强度的影响，如图5所示。在微流控里持续加入聚苯乙烯溶液并富集和检测，其最低检测浓度可持续降低。如图6所示，是经过100min操控富集，可以实现0.005μg/ml的80nm聚苯乙烯塑料的检测。

本发明提供了一种基于光热效应的微纳塑料检测的方法，通过使用本发明的方法，可以对30nm以上的聚苯乙烯颗粒进行大范围操控富集并对其进行检测。该装置及该方法相比于现有的技术而言，可以实现纳米尺度颗粒的富集，而且检测信号相对于传统方法有了较大的提高，为海洋污染物微塑料的探测提供了新的手段，该发明具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种基于光热效应的微纳塑料检测方法，利用激光照射金属纳米溶胶一定时间，形成强光热阱后，加入微纳塑料溶液进行颗粒的富集以及SERS信号的探测。

2.如权利要求2中所述的一种基于光热效应的微纳塑料富集与检测方法，其特征在于，利用激光聚焦形成金属纳米溶胶堆作为强光热阱，对微纳塑料进行大范围富集和检测。

3.一种基于光热效应的微纳塑料检测方法，具体步骤如下：

步骤一，制备纳米溶胶，其包括金纳米粒子；

步骤二，待测物的测量，将步骤一制备的金属纳米溶胶通过微流控装置注入样品池，利用激光进行沉积聚集后形成金属纳米颗粒堆，将待测物微纳塑料颗粒溶液通过微流控装置的另一个通道注入样品池并将其放置在探测系统中，进行探测，激光束聚焦在金属纳米颗粒堆，待测物颗粒会在激光束的光热效应作用下快速运动至金属纳米颗粒堆附近。

步骤三，通过显微物镜收集微纳塑料颗粒发出的散射光经拉曼光路收集到光谱仪，实现微纳塑料的检测。

4.如权利要求3中所述的一种基于光热效应的微纳塑料颗粒检测方法，其特征在于，步骤一中的纳米溶胶为金纳米溶胶，粒径平均粒径为50nm。

5.如权利要求3中所述的一种基于光热效应的微纳塑料检测方法，其特征在于，所述微流控装置一侧包括两个输入端通道，另一侧包括一个输出通道，其中一个输入通道注入金属纳米溶胶颗粒溶液，另一个输入通道注入待测物颗粒溶液，两输入端通道汇聚在一起后经椭圆形样品池，在样品池内进行待测物聚集和SERS探测。

6.如权利要求3中所述的一种基于光热效应的微纳塑料颗粒检测方法，其特征在于，SERS探测和操控纳米颗粒聚集的光是同一束激光，所述激光的波长为785nm，激发光的激光功率优选100mw，激发光通过拉曼光纤探头聚焦到样品池表面的样品池底部。

7.如权利要求6中所述的一种基于光热效应的微纳塑料检测方法，其特征在于，激光光束照射微流控装置样品池中的金属纳米溶胶，以形成一个强光热阱，强光热阱的直径为8-100微米，通过强光热阱对微纳塑料进行富集和检测。

8.如权利要求3中所述的一种基于光热效应的微纳塑料颗粒检测方法，其特征在于，微纳塑料为直径30nm以上的聚苯乙烯颗粒。

9.如权利要求3中所述的一种基于光热效应的微纳塑料颗粒检测方法，其特征在于，在微流控里持续加入聚苯乙烯溶液并富集和检测，其最低检测浓度可持续降低，经过100min操控富集，可以实现0.005μg/ml的80nm聚苯乙烯塑料的检测。

10.如权利要求7中所述的一种基于光热效应的微纳塑料颗粒检测方法，其特征在于，激光光束照射金属纳米溶胶的时间为10-15min，以形成激光-金纳米粒子堆光热阱。

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