CN217006994U - 一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其中：电离源具有进口与出口，待检测目标分子经进口进入电离源，通过电离源形成带电分子并经出口输出；真空腔外接真空泵，腔内真空，通过腔壁上的小孔与电离源的出口相接，静电富集装置所在位置紧邻于小孔，进入真空腔内的带电分子能够通过静电富集装置产生的电场作用，富集收集于SERS基片上；拉曼光谱仪的光路伸入真空腔内，探头临近并朝向SERS基片。本实用新型使具有挥发性、难吸附的物质能够有效地在SERS基片表面富集，可实现其快速、高灵敏检测。

Description

一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器

技术领域

本实用新型涉及一种检测仪器，更具体地说是一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器。

背景技术

目前，对各种污染物或者目标分析物的检测大多采用液相/气相色谱、质谱法等，虽然具有很高的灵敏度，但是其设备昂贵，操作复杂耗时，只能在实验室条件下使用，无法满足快速检测或者在线检测的需求。表面增强拉曼光谱(SERS)方法具有速度快、灵敏度高、具有指纹效应等优势，能够弥补传统方法的不足，在食品安全检测、环境检测、生化分析检测等领域具有广阔的应用前景。不过，SERS方法在原理和机制上，要求待测分子必须吸附在SERS基底(一般为贵金属纳米结构)的表面或者在其表面外10纳米以内的距离，才能有效地放大拉曼信号，实现高灵敏检测。显然，这非常不利于具有挥发性、难吸附的物质，如非极性的有机污染物、挥发性有机物(VOCs)等的检测。进而，该领域遇到了一个技术上的挑战：如何实现这些具有挥发性、难吸附的物质在SERS基底表面富集，进而实现其快速检测。

实用新型内容

本实用新型旨在至少在一定程度上解决上述技术问题，为此提出一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，首次提出集电离源技术、静电富集技术和SERS检测技术为一体的设计思路，使具有挥发性、难吸附的物质能够有效地在SERS基片表面富集，进而实现其快速、高灵敏检测。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，包括电离源、真空腔、静电富集装置以及位于真空腔外的拉曼光谱仪；

所述电离源具有进口与出口，待检测目标分子经进口进入电离源，通过电离源形成带电分子，并经出口输出；

所述真空腔外接真空泵，腔内真空，通过腔壁上的小孔与电离源的出口相接；

所述静电富集装置设于真空腔内，紧邻于小孔，包括用于产生电场的平行板及SERS基片，所述SERS基片贴设于平行板中的与带电分子带相反电荷的电极板表面，接触面之间设绝缘层，进入真空腔内的带电分子通过静电富集装置产生的电场作用，能够富集收集于SERS基片上；

所述拉曼光谱仪的光路伸入真空腔内，探头临近并朝向SERS基片。

本实用新型的结构特点也在于：

所述拉曼光谱仪的光路为开放式光路或闭合式光纤，探头与SERS基片之间留有间隙。

所述真空腔内壁设绝缘层。

所述真空腔腔壁由绝缘材料制成。

所述平行板的一对电极板平行正对设置，板面垂直于小孔的中轴线，与带电分子带相同电荷的电极板贴设在真空腔带有所述小孔的腔内壁上，板体上按照小孔的位置开设相等孔径的通孔，另一电极板与带电分子带相反电荷，板面上贴设的SERS基片正对所述小孔。

所述平行板的一对电极板平行正对设置，一端与真空腔带有所述小孔的腔内壁相接，小孔所在位置处于一对电极板之间。

所述平行板的一对电极板平行正对设置，板面平行于小孔的中轴线，一端与真空腔带有所述小孔的腔内壁相接，小孔处于一对电极板之间的中部位置处。

所述SERS基片上，在与电极板相接触的表面设绝缘层。

贴设有SERS基片的电极板表面，在与SERS基片相接触的区域设绝缘层。

与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

本实用新型集成了电离源技术、静电富集技术和表面增强拉曼光谱技术，省去了现有技术中耗时费力的样品前处理步骤，操作简便快捷，通过电离源使样品中的有机污染物分子带上电荷，进而使难以吸附和富集的分子(特别是挥发性物质，如乙醇、丙酮、苯、氯苯等)能够有效地吸附、富集在SERS基片表面，基于拉曼光谱仪实现对其高灵敏及快速的检测，克服了目前SERS光谱检测技术对该类分子的检测技术瓶颈，为痕量目标污染物，特别是挥发性物质的快速分离、富集和指纹性检测提供了一种全新的解决方案，基于本实用新型，通过选用不同类型的电离源，可为液体、气体以及固体表面等任意形态的样品的快速高灵敏检测提供一种全新的解决方案。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型另一种实施方式的结构示意图。

图中，1电离源；2真空腔；3真空泵；4小孔；5电极板；6SERS基片；7拉曼光谱仪；8光路。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参照图1与图2，本实施例的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器是通过使难吸附、易挥发的物质带上电荷，采用静电富集的原理“抓捕”目标分子，从而实现对其快速、高灵敏检测，结构如下：

包括电离源1、真空腔2、静电富集装置以及位于真空腔2外的拉曼光谱仪7；

电离源1带进口与出口，待检测目标分子经进口进入电离源1，通过电离源1形成带电分子，并经出口输出；

真空腔2外接机械真空泵3，通过机械真空泵3使腔内真空，通过腔壁上的小孔4与电离源1的出口相接；

静电富集装置设于真空腔2内，紧邻于小孔4，包括用于产生电场的平行板及SERS基片6，SERS基片6贴设于平行板中的与带电分子带相反电荷的电极板5表面，接触面之间设绝缘层，进入真空腔2内的带电分子通过静电富集装置产生的电场作用，能够富集收集于SERS基片6上；

拉曼光谱仪7的光路8伸入真空腔2内，探头临近并朝向SERS基片6，利于拉曼光谱仪7通过光路8经光路8终端的探头向SERS基片6发射激光束，以及收集富集于SERS基片6表面的带电分子发出的拉曼光谱信号。

相应的结构设置也包括：

拉曼光谱仪的光路8为开放式光路或闭合式光纤，探头与SERS基片6之间留有间隙。

真空腔2与平行板之间做绝缘处理，可采用如下两种方式中的任一种：

真空腔2内壁设绝缘层。

或，真空腔2腔壁由绝缘材料制成。

平行板的一对电极板5平行正对设置，板面垂直于小孔4的中轴线，与带电分子带相同电荷的电极板5贴设在真空腔2带有小孔4的腔内壁上，板体上按照小孔4的位置开设相等孔径的通孔，另一电极板5与带电分子带相反电荷，板面上贴设的SERS基片6正对小孔4，使带电分子能高效富集收集于SERS基片6上，如图1所示。

平行板的一对电极板5平行正对设置，一端与真空腔2带有小孔4的腔内壁相接，小孔4所在位置处于一对电极板5之间。

平行板的一对电极板5平行正对设置，板面平行于小孔4的中轴线，一端与真空腔2带有小孔4的腔内壁相接，小孔4处于一对电极板5之间的中部位置处，如图2所示。

SERS基片6上，在与电极板5相接触的表面设一层薄绝缘电解质的绝缘层。

贴设有SERS基片6的电极板5表面，在与SERS基片6相接触的区域设一层薄绝缘电解质的绝缘层。

具体实施中，电离源1工作时可能需要氮气或氩气等气体，这是根据应对固、液、气态不同样品而采用的不同电离源1的需求而定，因此在仪器工作时，可能需要供应此类工作气体。

以下对本仪器工作原理的介绍是按仪器的主要组成系统依次说明：

电离源1：电离技术常用于液相色谱质谱联用仪器中。电离源1的主要功能是把溶剂中的目标分子电离，使其带上电荷，同时溶剂挥发。进而，带电的目标离子进入真空腔2内以进一步被分析检测。本仪器可以根据不同的样品状态和应用场景需求更换或者配置不同的电离源，如电喷雾电离源(ESI)、大气压化学电离源(APCI)、挥发性大气压化学电离源(vAPCI)、惰性大气压固体分析探头(iASAP)等。ESI源基本不产生碎片，故称为软电离，适合于分析极性强的大分子有机化合物(样品在溶液中必须能够形成离子)。APCI也是几乎不产生碎片的软电离方式，使目标分子带上正电荷或者负电荷，适合于分析中等极性或低极性的小分子化合物，如常见的有机污染物。

真空腔2及其内的静电富集装置：静电富集装置的结构和原理主要是基于平行板，在两个平行金属电极板5之间施加不同电压，使经小孔4进入真空腔2内的带电分子受电场作用发生偏转(偏转轨迹根据运动方向和电场方向而定)，最后在带相反电荷的电极板5表面的SERS基片6上富集。电极板5表面与SERS基片6之间的绝缘层是为避免样品电荷和电极板5电荷发生中和，防止样品失去电荷。

SERS基片6：为了实施更高灵敏度的光谱检测，在与带电分子带相反电荷的电极板5的表面放置一片高活性SERS基片6(例如在硅片或者玻璃表面制备的金银等贵金属纳米结构)，主要功能是放大收集到其表面的目标污染物的拉曼信号，为高灵敏检测提供基础。待检测目标分子经过电离源1后，目标污染物分子质子化或者去质子化，带上正电荷或者负电荷。进入真空腔2后，带电分子将在静电富集的电极板5上的SERS基片6表面富集。富集的量跟施加的富集电压、富集时间等相关，电压越高，其富集的饱和浓度越大；时间越长，富集量越大。

拉曼光谱仪7：主要功能是探测分析SERS基片6上的拉曼光谱信号，在本实施例的基础上，可借助其自动分析软件和内置的污染物标准库，实现目标检测物的快速识别和指认，并根据样品进样体积等其他相关的设置和计算分析，最终实现对目标污染物的定性、半定量和定量检测。

以图1为例，检测时，环境样品(如含有待检测有机污染物的河水)定量注入电离源1的进口，图中箭头示出进样方向，经电离源1的处理，样品中的有机污染物分子将带上电荷(电性与分子性质有关，绝大多数情况为正电)，带电准分子自电离源1的出口经小孔4进入真空腔2，在静电富集装置的平行板电场作用下，“撞”到静电富集装置的SERS基片6表面，借助拉曼光谱仪7实现其信号采集和分析。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：

包括电离源、真空腔、静电富集装置以及位于真空腔外的拉曼光谱仪；

所述电离源具有进口与出口，待检测目标分子经进口进入电离源，通过电离源形成带电分子，并经出口输出；

所述真空腔外接真空泵，腔内真空，通过腔壁上的小孔与电离源的出口相接；

所述静电富集装置设于真空腔内，紧邻于小孔，包括用于产生电场的平行板及SERS基片，所述SERS基片贴设于平行板中的与带电分子带相反电荷的电极板表面，接触面之间设绝缘层，进入真空腔内的带电分子通过静电富集装置产生的电场作用，能够富集收集于SERS基片上；

所述拉曼光谱仪的光路伸入真空腔内，探头临近并朝向SERS基片。

2.根据权利要求1所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述拉曼光谱仪的光路为开放式光路或闭合式光纤，探头与SERS基片之间留有间隙。

3.根据权利要求1所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述真空腔内壁设绝缘层。

4.根据权利要求1所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述真空腔腔壁由绝缘材料制成。

5.根据权利要求1或3或4所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述平行板的一对电极板平行正对设置，板面垂直于小孔的中轴线，与带电分子带相同电荷的电极板贴设在真空腔带有所述小孔的腔内壁上，板体上按照小孔的位置开设相等孔径的通孔，另一电极板与带电分子带相反电荷，板面上贴设的SERS基片正对所述小孔。

6.根据权利要求1或3或4所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述平行板的一对电极板平行正对设置，一端与真空腔带有所述小孔的腔内壁相接，小孔所在位置处于一对电极板之间。

7.根据权利要求1或3或4所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述平行板的一对电极板平行正对设置，板面平行于小孔的中轴线，一端与真空腔带有所述小孔的腔内壁相接，小孔处于一对电极板之间的中部位置处。

8.根据权利要求1所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：所述SERS基片上，在与电极板相接触的表面设绝缘层。

9.根据权利要求1所述的结合电离源的表面增强拉曼散射光谱检测仪器，其特征是：贴设有SERS基片的电极板表面，在与SERS基片相接触的区域设绝缘层。

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