专利名称：一种检测化学物或生化物物质的方法
技术领域：
本发明属于微痕量化学物和/或生化物物质(微量极微量的化学物和/或生化物物 质)检测领域，涉及一种用于检测化学物或生化物物质的改进的方法，具体涉及一种 利用光散射探头和化学探测器检测化学物或生化物物质的方法。
背景技术：
光散射方法例如拉曼光谱方法是检测化学物或生化物物质的灵敏技术。由于技术 上的困难，常规的拉曼散射探测器目前在应用上受到限制。拉曼光谱测定法应用的一 个主要限制是，从微痕量化学物质获得的拉曼散射信号非常弱。人们在加强拉曼散射 信号强度方面做了许多努力，然而，这些努力仍未能使基于探测器的拉曼光谱测定法 在实践中和经济上得以应用，尽管目前在许多领域都迫切需求这一技术，例如反恐、 刑侦、医学诊断、疾病预防、工业过程监测、环境清理和监测、食品检验、防伪和药 物质量控制等等。因此，必须提供有效和实用的基于探测器的光谱学方法以检测痕量化学物或生化 物物质。
发明内容
一方面，本发明涉及检测化学物或生化物物质的方法。该方法包括将样品材料 引入含有纳米颗粒的样品溶液中；用一激光束照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶 液；采集样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光；从该散射光获得拉曼光 谱；测定该拉曼光谱中与一化学物或生化物物质相关的一预定波长附近的光谱信号； 基于该拉曼光谱中的该光谱信号测定样品材料中的特定化学物或生化物物质。另一方面，本发明涉及检测化学物或生化物物质的方法。该方法包括将样品材 料引入含有纳米颗粒的样品溶液中，所述纳米颗粒具有5 nm-500 nm的平均尺寸，其 中，该纳米颗粒具有以一定平均尺寸和分布宽度为特征的粒径分布，分布宽度与平均 尺寸的比值范围约是0.01-3，且该纳米颗粒中含有或不含有磁性或铁磁材料；用一激 光束照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶液；采集样品溶液中样品材料和纳米颗粒 产生的散射光；从该散射光获得一拉曼光谱；测定该拉曼光谱中与一化学物或生化物 物质相关的一预定波长附近的光谱信号；基于该拉曼光谱中的该光谱信号测定样品材 料中的该化学物或生化物物质。另一方面，本发明涉及检测化学物或生化物物质的方法。该方法包括将样品材料 引入含有纳米颗粒的样品溶液中，所述纳米颗粒具有5nm-500nm的平均尺寸，其中， 该纳米颗粒具有以一定平均尺寸和分布宽度为特征的粒径分布，分布宽度与平均尺寸的比值范围约是0.01-3;将一包含多价离子的离子材料引入样品溶液中；用一激光束 照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶液；采集样品溶液中样品材料和纳米颗粒产生 的散射光；从该散射光获得一拉曼光谱；测定该拉曼光谱中与一化学物或生化物物质 相关的一预定波长附近的光谱信号；基于该拉曼光谱中的该光谱信号测定样品材料中 的该化学物或生化物物质。另一方面，本发明涉及食品成分的检测方法。该方法包括确定一化学物质的拉 曼光谱信号；使来自食品的食物样品溶液与第一探测器的第一纳米级表面结构相接 触，其中第一探测器包括一基底，所述纳米级表面结构包括基底上的多个柱体和基底 中的多个孔隙；用一激光束照射该食物样品溶液和第一探测器的第一纳米级表面结 构；该食物样品溶液和第一纳米级表面结构散射该激光束，产生一散射光；使用一光 谱分析仪从该散射光获得第一拉曼光谱；识别第一拉曼光谱中的光谱信号，鉴定该食 品中是否存在所述化学物质。另一方面，本发明涉及食品成分的检测方法。该方法包括使含有某化学物质的 参比样品溶液与第一探测器的第一纳米级表面结构相接触；获得该参比溶液和该纳米 表面的第一拉曼光谱，确定该第一拉曼光谱中该化学物质的光谱信号；使来自食品的 食物样品溶液与第二探测器的中的第二纳米级表面结构相接触；用一激光束照射该食 物样品溶液和第二探测器的第二纳米级表面结构；该食物样品溶液和第二纳米级表面 结构散射该激光束，产生一散射光；使用一光谱分析仪从该散射光获得一第二拉曼光 谱；识别第二拉曼光谱中的光谱信号，鉴定该食品中是否存在所述化学物质。另一方面，本发明涉及一种检测食品成分的方法。该方法包括使含有某化学物 质的一种参比样品溶液与第一探测器的第一纳米级表面结构相接触，其中第一纳米级 表面结构包括在第一探测器的一表面上的多个纳米颗粒，或这多个柱体或孔隙，它们 之间的相邻距离在IO nm—1000 nm的范围内；从该参比溶液和该纳米表面获得第一拉 曼光谱，确定第一拉曼光谱中该化学物质在一预定波长附近的光谱信号，其中所述光 谱信号包括该预定波长附近的至少一个光谱峰；使来自食品的食物样品溶液与第二探 测器的第二纳米级表面结构相接触，其中第一探测器和第二探测器具有基本相同的纳 米级表面结构；用一激光束照射该食物样品溶液和第二纳米级表面结构；该食物样品溶液和第二纳米级表面结构散射该激光束，产生一散射光；使用光谱分析仪从该散射 光获得第二拉曼光谱。识别第二拉曼光谱中预定波长附近的光谱信号，鉴定该食品中是否存在该化学物质，其中该识别步骤包括确定该拉曼光谱中的光谱峰或该光谱峰 的信噪比是否超出一预定阈值；如果该光谱峰或该信噪比超出该预定阈值，鉴定出该 化学物质。该方法可以进一步包括在将样品材料引入样品溶液步骤之后，让样品材料的分 子吸附到纳米颗粒上。所述纳米颗粒可以包括或不包括磁性的或铁磁的材料。该纳米 颗粒包含的磁性或铁磁材料选自含有铁、钴和镍的基团。该方法可以进一步包括在 收集散射光的步骤，至少部分地对样品溶液施加电场、磁场或电磁场。该电场、磁场 或电磁场是固定的或交变的。所述纳米颗粒包含的材料可选自金属、氧化物材料、 硅、聚合物材料及它们的组合。纳米颗粒包含的材料可选自二氧化钛、二氧化硅和氧 化锌，也可选自Al, Ag， Au, Cu, Fe, Co， Ni, Cr, Zn, Sn, Pd, Pt以及它们的组合。纳米颗 粒具有l nm- 10,000 nm的平均尺寸，优选为5 nm- 500 nm。该纳米颗粒具有以一定平 均尺寸和分布宽度为特征的粒径分布，其中分布宽度和平均尺寸的比值约为O.Ol- 3。 样品溶液可以包括多价离子。该方法可以进一步包括将离子材料引入样品溶液中， 其中所述离子材料包括但不限于选自Na+， K+, Li+ Ca2+, Ba2+， Sr2+ Mg2+, Mn2+, Al3+, Zn2+, Sn2+3QSn4+, F, Cr, Br—和r的离子。样品溶液可具有从IO mM到饱和水平的离子浓度。 光谱信号可包括拉曼光谱中预定波长附近的至少一个光谱峰。该方法进一步包括如 果样品材料中确定存在某化学物或生化物物质，则利用光谱信号测定该化学物或生化 物物质的存在和/或浓度。样品材料可以是从食品中提取出来的。所述食品包括但不限 于乳制品、糖果、饼干、饮料、酒、肉、海鲜、茶叶、新鲜的或罐藏蔬菜、水果、粮 食、谷物、玉米片、马铃薯片或含有蛋白质的食品。乳制品包括但不限于生鲜奶、奶 粉、乳酪、乳酪蛋糕、酸奶、冰淇淋、奶糖或饼干。乳制品中可能含有的化学物或生 化物物质包括三聚氰胺和三聚氰胺氰尿酸酯，其光谱信号包括678 cm—1, 698 cm"或712 cm"附近，或者是1648 cm"附近的一个或多个光谱峰。所述化学物或生化物物质可包 括但不限于三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸 酯、苏丹红I、 II、 III和IV、孔雀石绿、甲胺磷(多灭灵)、乙酰甲胺磷、DDT (二氯二苯三氯乙烷)、DDV (敌敌畏)、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲 基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋喃唑酮、氯霉素、氯四环素(金霉素)、 环丙沙星、氨哮素或恩诺沙星。样品材料可包括人的体液，该方法进一步包括基于 拉曼光谱中测定的光谱信号检测与疾病相关的特定化学物质和/或生化物质，以辅助于 病人的疾病诊断。所述液体可以包括但不限于血、唾液、尿、血清、泪、汗、胃液、 精液和分泌液。所述疾病包括但不限于肺癌、乳癌、胃癌、肝硬化、肾衰、溃疡癌、 卵巢癌、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、食道癌、甲状腺癌、喉癌、白血病、结肠癌、膀 胱癌、前列腺癌、支气管癌、胰腺癌、头部肿瘤、颈部肿瘤、皮肤癌、艾滋病(病 毒)、糖尿病、吸烟状态和药瘾。所述疾病包括使用违禁药物，所述违禁药物包括但 不限于海洛因、脱氧麻黄碱、古柯碱、咖啡因、吗啡、可待因、安非他明、麻黄素、 罂粟碱、那可汀和MDMA。本发明的优势可具体体现在下列一个或多个方面。本发明公开的系统和方法提供 了简单的和非侵入的手段，检测结果可用于检测疾病。所公开的系统便于携带、易于 操作，因此是进行早期疾病预防和野外药物用途筛选的理想之选。同时，该系统和方 法测试周期短，因此利于疾病处理和药物使用的进程监控。本发明公开的系统和方法 可适用的检测的疾病范围广，例如口腔癌，乳癌、肺癌、胃癌、肝硬化、肾衰、溃疡 癌、卵巢癌、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、食道癌、甲状腺癌、喉癌、白血病、结肠 癌、膀胱癌、前列腺癌、支气管癌、糖尿病、艾滋病、吸烟状态及毒品。另一方面，本申请为食品检验提供了适宜应用的特异系统和方法，可应用于检测 食品中有害的和未核准的成分(即非法食品添加剂)，以及测定食品中有效成分的浓 度。本发明所公开的系统和方法可以落实为便携式的装置和易操作的程序，从而实现 食品的现场快速检验。另一方面，所公开的系统可利用光散射探头和化学探测器来检测痕量生化物或化 学物物质。含有所述物质的溶液被转移到化学探测器，使物质分子被吸附到化学探测 器的纳米结构表面上。通过向化学探测器的纳米结构表面照射激光来测定该物质。另一方面，所公开的系统可以利用光散射探头和含有纳米颗粒的溶液检测微痕量 生化物或化学物物质。所述物质溶于该溶液中，使物质分子被吸附到纳米颗粒的表面上。激光束直接照射该溶液。用光散射探头采集物质分子，入射光子和纳米颗粒相互 作用产生的散射光以测定微痕量生化物或化学物物质。本发明提供了简单和非侵入的检测方法，易于操作，所公开的光探测系统和方法 应用范围广。应用例子包括但不限于为国家安全检测爆炸物和生化武器，刑侦，检测 违禁药物，医学诊断，疾病预防，工业过程监测、环境清理和监测、检测假冒商品、 产品鉴定、酒中甲醇含量的检测、食品和药物质量控制等领域。
下列附图作为说明书的一部分，图解本发明的实施例，同发明描述一起用来阐明 本发明的原则。图1A-1C举例说明了使用表面增强拉曼散射进行痕量化学物质检测的装置结构。 图2举例说明了拉曼探头的设计。图3A和3B分别是在机场使用拉曼探头对乘客和行李进行检查的示意图。图4是使用拉曼探头对公众建筑物进行安全监测的示意图。图5是使用拉曼探头进行环境监测的示意图。图6A是使用拉曼探头检查食物安全的示意图。图6B是使用拉曼探头进行疾病诊断和生物医学检测的示意图。图6C是有和没有拉曼探头进行产品质量控制的示意图。图6D是使用拉曼探头进行假冒商品检测、食品和饮料的安全和品质检查及药物鉴 定的示意图。图7是利用含有纳米颗粒的溶液和光散射探头检测痕量化学物或生化物物质的示意图。图8是利用含有纳米颗粒的溶液和光散射探头检测痕量化学物或生化物物质的流程图。图9A示意了用扫描电子显微镜观察图7所示纳米颗粒得到的显微图像。图9B显示了图7所示溶液中的纳米颗粒的粒径分布。图10是用于制造纳米结构的多层层状结构的剖视图。图11A是通过氧化在图10所示的多层层状结构中形成的孔隙的剖视图。图11B为图11A所示的多层层状结构的顶视图。图11C是图1 IB所示多层层状结构沿A- A线的剖视图。图12是经湿法化学腐蚀或化学机械抛光(CMP)后在多层层状结构上形成的纳米 结构的剖视图。图13是去除孔隙底部的阻挡层并刻蚀至导电层后在多层层状结构上形成的纳米结 构的剖视图。图14A是贵金属沉积后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。 图14B是去除顶层的贵金属后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。 图15是去除氧化层后在多层层状结构上形成的纳米结构的剖视图。 图16A-16D， 16G和16H是经相应制作工艺后在多层层状结构上形成的纳米结构的 剖视图。图16E和16F是经相应制作工艺后在多层层状结构上形成的纳米结构的顶视图。 图17举例说明了通过公开的拉曼探头在一口腔癌病人的唾液中检测到相关化学物 质的拉曼光谱信号。图18举例说明了通过公开的拉曼探头在一乳癌病人的唾液中检测到相关化学物质 的拉曼光谱信号。图19A举例说明了使用公开的拉曼探头在一肺癌病人的唾液中检测到相关化学物 质的拉曼光谱信号。图19B举例说明了使用公开的拉曼探头在一肺癌病人的血清中检测到相关化学物 质的拉曼光谱信号。图20举例说明了通过公开的拉曼探头在一卵巢癌病人的血清中检测到相关化学物 质的拉曼光谱信号。图21举例说明了通过公开的拉曼探头在一艾滋病病人的唾液中检测到相关化学物 质的拉曼光谱信号。图22举例说明了通过公开的拉曼探头在一违禁药物使用者唾液中检测到使用违禁 药物相关化学物质的拉曼光谱信号。图23举例说明了通过公开的拉曼探头，经与N-甲-2-5-吡咯垸酮(烟碱尼古丁的代 谢产物)的拉曼光谱信号作比较，在一吸烟者的唾液中检测到可确定吸烟状态的N-甲-2-5-吡咯烷酮的拉曼光谱信号。
图24是使用公开的拉曼探头根据病人体液检测是否含有与特定疾病相关的特定化 学物质以非侵入地辅助疾病诊断的流程图。
图25A和25B示意了乳制品中不同浓度的违法和有害化学物质(三聚氰胺)在拉曼 光谱中的光谱信号。
图26示意了以乙腈918 cm"拉曼峰为内标参考，检测到奶液中的三聚氰胺在拉曼 光谱中的光谱信号。
图27示意了乳制品中不同浓度的非法有害化学物质(三聚氰胺)在拉曼光谱中的 光谱信号。
图28示意了拉曼光谱识别奶粉中未授权或非法的化学添加剂。 图29是为保证食品安全检测食品中有害化学物质的流程图。
具体实施例方式
参见图1A， 一光散射探头100包括一探头110和一探测器105。探测器105包括一纳 米级表面结构。纳米级表面结构可以包括多个纳米柱108，如图1B所示，多个纳米孔 隙，或其他的纳米尺寸的表面结构。在一些实施例中，如下所述，可以通过将含有纳 米颗粒的胶体悬浮溶液涂在探测器105的表面来制作纳米级表面结构。随后溶液可以被 蒸发掉，纳米颗粒沉积到表面上。
以包含纳米柱108的纳米表面为例，可以将一液体样品引到探测器105的纳米柱108 上。所述液体样品可以包括病人或违禁药物使用者的体液，以进行疾病诊断或确定药 物的使用。体液的例子可以包括但不限于血液、唾液、尿、血清、泪、汗和胃液。所 述样品还可以包括一食品样品，为确保食品安全而检测食品中的有害或非法的添加 剂。食品的例子包括但不限于乳制品，例如奶、奶粉(例如婴儿配方奶粉)、乳酪、 酸奶、冰淇淋、奶糖和其他的含奶食品，以及含蛋白质的食品。探头110和探测器105被装入一探头组件120中。探头组件120可以通过一真空泵减压来减少杂质对感应面的污染。
激光器141发射的激光束经光纤125传导照射到探测器105上，如图1C所示。探头 110靠近探测器105。在本申请中，术语RamanNanoChipTM指的是包含一纳米级表面结 构的探测器，所述纳米级表面结构用于吸附化学、生物或医药样品的分子，从而使用 光散射探头进行检测。通过探头110收集散射光，再经光纤130传导到光谱仪140和光谱 分析仪150。通过光谱分析仪150获得散射光的拉曼光谱。拉曼光谱中的光谱信号被识 别，并与含多种分子光谱信号的数据库进行比较。如果检测发现超过了某分子的阈 值，则输出信号可能表示识别到一疾病。在本发明说明书中，术语"光谱信号"可以 是指一个或多个光谱峰， 一个或多个光谱谷，及其他的波谱形状例如相对峰高、波峰 线宽度、峰形等等，它们表征了生物、医药或化学材料中的一个或多个分子键。
参见图2，探头110可以接收来自输入激光光纤125的激光投射，依次通过一个带通 滤波器170、 一透镜组175-1和175-2投射到探测器105上。散射光被投射回到一组反射 镜180-l和180-2上，通过另一个带通滤波器185和一校准透镜190，经收集光纤130输 出。
被检测的痕量化学物或生化物物质可以是气体、液体、固体、溶胶凝胶和气溶胶 形式。分子被吸附到纳米表面或探测器的纳米颗粒表面上。与自由存在于气体、液 体、固体、溶胶凝胶和气溶胶中相比，被吸附的分子在激光束的照射下具有大得到多 的散射截面。当激光束照射这些被吸附的分子时，可获得这些分子的拉曼散射光谱。 由于大多数分子具有唯一的拉曼光谱指纹信号，可藉此测定目标化学物或生化物物 质。
图3A示意了将表面增强拉曼散射(SERS)应用于运输安全及其他地方的设施结 构，这里监测乘客200-l、 200-2和200-3以进行乘客筛查。为了筛查乘客，带有埋置式 探测器105的探头组件120被放置于过道210中。探头组件120通过光纤连通附近或远处 办公室内的光谱分析仪150。探头120对准探测器105的感应面，并被包装在一起。通道 210可以是人工通风的，处于轻微的负压和/或稍高的温度下，以增强有害物质的挥 发。如果一个乘客，例如乘客200-2，带有爆炸物、有害化学物品、化学武器、生化
14武器、核武器或麻醉药物，这些物质的少量分子将会挥发到空气中，通过专门设计的 样品收集系统这些分子被吸附到探测器的表面。拉曼光谱将被记录并和办公室主机上 的数据库相比较。 一旦检测到有害物质，早期警告信号将被触发，进一步采取适当的 安全措施。
图3B显示了在货物运输中监测行李的应用实施情况，行李215经由一个传送带230 运输通过货物筛查通道220。带有埋置式探测器105的探头组件120被安置在货物筛查通 道220各处。探头组件120经光纤连通附近或远处办公室中的光谱分析仪150。探头120 对准探测器105的表面，且它们被包装在一起，以检测行李215中的任何爆炸物、化学 或生化武器、或有害化学品。这一设施可以应用于其他的场所，例如邮局、铁路车 站、海关检查站、交通管制区域等等。这一设施可以容易地用于检测火药或其他的爆 炸物或危险品。
图4是将使用探测器的表面增强拉曼散射应用到公众建筑安全中的示意图，公众建 筑250例如机场、铁路或公交车站、球场建筑、政府建筑、礼堂、电影院、法院及其他 公众建筑。光散射探头100包括探头120和连接在一起的探测器10，分布于公众建筑或 其它防卫区域。光散射探头100被用于监测许多不同的分子物质，以提供任何危险的或 有害的化学物质进入监控区域的早期检测。有害物质监测的特别例子包括但不限于爆 炸物、化学或生化武器(包括炭疽、毒品等等)的探测。
图5是将使用探测器的表面增强拉曼散射技术应用于监测释放到环境中的有害化学 物质的示意图。光散射探头100被分布在潜在污染源周边，例如工厂260，或者是通过 大量汽车270的公路附近。光散射探头100分布在受监测区域各处，产生的拉曼散射光 被传导到主机的光谱分析仪150，以确定释放到环境中的物质的含量和浓度。检测样品 可以是，但不限于，土壤、水、湖、河、海滨、井、植物等等。这一应用可以延伸至 汽车废气检测，只需将探头组件安装在汽车排气口附近。
图6A是将使用探测器的表面增强拉曼散射技术应用于检测食品质量和安全的示意 图。光散射探头100被放置在靠近食品280的地方，所述食品可以是一个苹果或者其他 水果、蔬菜，或其他可能因运输、食品加工乃至食物生长过程而被污染的食品。残留农药或其他的污染物的分子被吸入光散射探头100。探测器用来检测食品中任何可疑的 有害化学物质。
图6B是将使用或不使用探测器的表面增强拉曼散射技术应用于早期疾病检测和诊 断中的物质监测。光散射探头100置于病人290附近。研究结果表明，如果一个人经筛 査发现患有疾病(例如肺癌)，他呼出的气体中就含有一些特殊的化学物质，例如烯 烃和苯衍生物。拉曼传感技术能够在呼吸测试中获得那些化合物的指纹图谱，从而识 别一些特殊的疾病，例如癌症。光散射探头100置于病人旁边是为了进行身体检查。病 人呼出的气体被吹到光散射探头100上。探头组件中的探测器接收进入的空气，产生一 个拉曼散射光，该拉曼散射光与来自病人的气流中含有的分子相关。探头收集散射光 并将其发送给光谱分析仪150，获得拉曼光谱。使用拉曼传感技术的呼吸测试以检测与 疾病相关的化学物质，可以用于进行早期疾病诊断，所述疾病包括但不限于肺癌、乳 癌、胃癌、肝硬化、肾衰、溃疡癌等等。在测试人体体液的情况下，体液被人工滴到 探测器上，为了采样方便，也可以将拉曼传感装置连接到便器上构成一个智能便器， 为疾病和药物检测进行实时的异常信号监测。该应用同样包括对蛋白质、DNA和RNA 进行识别和分类。上述应用的所有测试样品可以与探测器相接触以增强拉曼散射检测 的灵敏度和强度。该公开的使用拉曼光散射的痕量化学物质检测还可以应用于其他的 领域，包括但不限于，检测与阿尔茨海默氏病(老年痴呆症)相关的化学物质，检测 与糖尿病有关的化学物质一即非侵入式葡萄糖测试，以及检测显示抗氧化剂水平的类 胡萝卜素测试，以用于非侵入式的早期癌症筛查。
图6C是在有或无探测器(例如RamanNanoChipTM)的情况下在工业生产质量管理 中应用拉曼散射的示意图。这样的应用包括但不局限于，在湿的化学加工生产线上在 线监控湿的化学制品浓度，化学制品密封容器的基准距监控，痕量化学物质探测，半 导体晶片缺陷评价，及食品、水果和蔬菜存储监控，等等。
图6D是应用表面增强拉曼散射技术进行假冒商品识别和筛查，及食品安全筛查的 示意图。这样的应用可包括例如食品、药材和药品筛查。这些情况下，可能需要或不 需要探测器。试验中被激发的激光直接打在样品上。随着拉曼光谱仪整个系统的改 进，过去不能实现的新的应用成为现实。来自被测试材料的散射光的拉曼光谱显示出特有的成分，表明在商品中存在非法添加剂。潜在的假冒商品，例如奶粉、酒和药 片，可以作为材料置于拉曼检测器下进行检测和筛选。本发明的应用可以延伸至签字 和钞票的合法性鉴定，将签字和钞票产生的拉曼散射光谱与合法签字和钞票的光谱相 比较，从而检测出假的签字和伪钞。
在一些实施例中，参见图7和8，样品溶液720置于容器710中(步骤810)。容器 710可以是一光学瓶、烧杯或透明试管，等等。样品溶液720含有纳米颗粒750或碳纳米 管。纳米颗粒750在样品溶液720中可以以胶悬体形式存在。含有化学物或生化物物质 的样品材料被引入样品溶液710中(步骤820)。样品材料可以以固体、液体、气溶 胶、溶胶凝胶或气体形式存在。将样品材料溶于样品溶液720中，让化学物或生化物物 质分子被吸附到纳米颗粒750的表面上(步骤830)。光散射探头100发出入射光701 (例如一激光束)，照射样品溶液720中的纳米颗粒750和化学物或生化物物质(步骤 840)。从纳米颗粒750和化学物或生化物物质出来的散射光702被探头组件100采集 (步骤850)。从探头组件输出的信号经光谱分析仪150分析。详细细节见下面的例 子，从散射光获得一拉曼光谱(步骤860)。拉曼光谱中光谱信号可用于测定被吸附到 的纳米颗粒上的痕量化学物或生化物物质(步骤870)。
本发明公开的一方面，样品溶液720中的纳米颗粒750的材料组成要能增强散射光 702和来自纳米颗粒的拉曼光谱信号的强度。例如，纳米颗粒750包含金属材料(如Al, Ag, Au, Cu, Fe, Co, Ni, Cr, Zn， Sn, Pd, Pt以及它们的合金)、氧化物材料(如二氧化 钛、二氧化硅、氧化锌等)、硅和聚合物材料。纳米颗粒750在样品溶液720中可以是 带电荷的，这有助于纳米颗粒之间的分离和胶悬体的形成。纳米颗粒750还可以包括系 留在颗粒表面的聚合物，有助于它们在样品溶液750中相互排斥。
在一些实施例中，纳米颗粒750可以包括碳纳米管。碳纳米管的直径可以是0.3 nm-100nm，长度可以是5 nm到数毫米。碳纳米管的长度-直径比可以高达5千万。碳纳 米管可以是单壁的或多壁的。碳纳米管可以是富勒体(Fullerite)、花托形(torus)、 纳米花蕾(nanobuds)和纳米花朵(nanoflowers)的形式。
在目前公开的系统和方法中，碳纳米管可以置于样品溶液720中形成一个纳米颗粒 的悬浮液，样品材料也被添加进去。碳纳米管还可以被引入到一个非常平整的表面上
17或者一个具有纳米结构的表面上，样品材料随后被引入到该含有碳纳米管的表面上。 在任一种情况下，光束(例如一激光束)照射到碳纳米管和样品材料上。增强电磁场 可以帮助目标化学物或生化物物质分子之间的电荷转移，从而增强拉曼光谱的信号。
本发明的另一方面，纳米颗粒750可以由磁性或铁磁材料构成，例如铁(Fe)、钴 (Co)、镍(Ni)，或者含有铁、钴、镍的化合物，如铁、钴、镍的合金或氧化物， 这样可以通过对样品溶液750施加电场、磁场或电磁场来增强拉曼光谱信号。该电场、 磁场或电磁场可以是固定的或交变的。
本发明的另一方面，样品溶液720可以包括不同组成材料的纳米颗粒的混合物。例 如，所述纳米颗粒可以包括硅纳米或微颗粒和金属纳米颗粒的混合物，或者硅纳米或 微颗粒和聚合物纳米颗粒的混合物，或者硅纳米或微颗粒、金属纳米颗粒、金属氧化' 物纳米颗粒和聚合物纳米颗粒的混合物。通过混合物的组成可以增强拉曼信号的强 度。
本发明的另一方面，样品溶液720中的溶剂同样用于增强纳米颗粒的光散射强度。 据发现，离子特别是多价离子可以显著增强拉曼信号的强度。因此，离子材料被加到 样品溶液720中。被加到样品溶液720中的离子材料所含的离子可包括但不限于Na+, K+, Li+ Ca2+, Ba2+, Sr2+ Mg2+, Mn2+， Al3+, Zn2+， Sn2+3Sn4+, r, CP, Bf-和r等等。样品溶液720 的离子可以是单价的，或优选是二价的或更高价的。所述离子可带有正电荷或负电 荷。样品溶液720可具有一离子化合物，包括但不限于LiF， NaF， NaCl， KC1, KI等。 离子浓度可以是从10mM到饱和水平。
如图9A所示，纳米颗粒750可以是圆的或不规则的形状。纳米颗粒在样品溶液720 中可以是彼此分离的，也可以是聚集成团的。如图9B所示，纳米颗粒750可具有一粒 径分布，这里用平均颗粒尺寸da和分布宽度dw来表征粒径分布。平均颗粒尺寸da可以 是l nm- 10,000 nm，或者2 nm- 500 nm。 dw/da的比值可以是0.01- 3，这可限定单分散 到多分散的粒子分布。dw/da的比值通常为0.03-l。
在一些实施例中，含有痕量化学物或生化物物质的材料可被引入到化学探测器的 表面上，如图1所示，入射光被散射，获得拉曼光谱以进行物质检测。图10—15显示了 一系列制作本发明的化学探测器(图1中的探测器105)的纳米结构贵金属表面的工艺步骤。 一多层结构302 (图IO)包括一基底305， 一导电层310和一氧化铝层315。基底 305可以是，例如n型硅片(3-8 Q-cm)或氧化的(30 - 50 nm Si02) p型硅(5陽10m Q -cm)。导电层310可包括Ti和Ni，其沉积于基底305上，既导电又导热。导电层310 的厚度可以被优化，使之i)粘附到随后沉积的贵金属膜，例如Ag或Au膜等等；ii) 为导电薄膜，实际应用中对感应面施加电偏压；iii)为导热层，降低感应面的温度。 导电层310的厚度一般可以控制在100A- 1,000A的范围内。
铝层315沉积于导电层310上。铝层315可具有99.999%的纯度，厚度在l.O -10.0 |_im 范围内。基底305、导电层310和氧化铝层315在充N2的反应炉中400'C-50(TC退火2-5小 时，使铝膜重结晶。随后进行氧化，在氧化铝层315上形成多孔结构，如图11A和11B 所示。氧化铝层315上形成的多孔结构包括许多由内壁314环绕的孔隙312，其沿水平线 A-A的剖视图如图11C所示。在图12中进行湿法氧化腐蚀，以去除顶部的多孔八1203层
和阻挡层。进行第二次氧化消耗掉所有的金属铝，使阻挡层和顶部的多孔的Al203层正
好位于导电金属层之上。
在图13中，进行氧化刻蚀去除孔隙底部的阻挡层并扩孔。湿法腐蚀使孔隙312向下 延伸至导电层。所形成的多孔氧化层的厚度可以通过控制铝物理汽相沉积(PVD)、 氧化和随后的湿法腐蚀过程的工艺参数来控制。自组装的多孔结构自然地形成一六边 形阵列。孔径(d)和孔隙间的距离(D)取决于所施加的氧化电压(V)、电流密度(i)和 电解液的性质，以及后来的湿法腐蚀扩孔过程。
参见图14A，贵金属例如Ag被沉积在多孔层315上以填充孔隙312和形成一个层 320。层320可以用PVD或电镀方式形成。在图14B中， 一层贵金属320被去除，而保留 了孔隙312中的贵金属320-N。再次进行湿法金属腐蚀或CMP以进一步控制填充在孔隙 中的贵余属320-N的高度。在图15中，氧化铝315和多孔铝层315底部残余的铝膜315-AL被去除，形成一纳米结构表面300，其含有一纳米柱320-N阵列。
纳米柱320-N基本上是直的，垂直于基底305和导电层310。纳米柱320-N可具有基 本上相同的或相近的宽度。相邻的纳米柱320-N被间隙隔开，这些间隙与导电层310的 距离基本上保持不变。上述制造工艺中使用的光刻罩的几何形状与传感芯片的尺寸要求及金属衬垫的区 域相匹配，金属衬垫位于芯片的角落上。为了野外应用，化学品检测传感芯片采用不 同的半导体封装技术进行封装，例如，引线键合、倒装法、系统级芯片(SOC)，等等。
在一些实施例中，纳米结构可以通过不同的工艺制作，如图16A—16F所示。 一双 层结构362包括一导电层335和一基底330。导电层335可以由钛(Ti)或镍(Ni)制 成，可以是既导电又导热的。基底330可以是一n型硅片(3-8 Q-cm)或氧化的(30-50 nm Si02) p型硅片(5-10mQ-cm)。导电金属层335的厚度可控制在范围内。粘附层 (例如由Ag制成)可以是沉积于金属层335上。导电层335的厚度可加以优化，从而对 痕量化学物质检测感应面施加电偏压，进一步的，为增强痕量化学物质检测的敏感性 而降低感应面的温度。
在图16B中，贵金属层340沉积在导电层335的顶部。贵金属可以是一银层，例如 厚度为10-200 nm的Ag。在图16C中，第二金属层345沉积在贵金属层340的顶部。第二 金属345可包括纯度约为99.999%的铝，厚度在1.0-10.0 Pm范围内。铝层345随后在充 N2反应炉中400。C- 500。C退火2-5小时，使铝膜重结晶。
在图16D中，通过氧化工艺制作多孔氧化铝345'形式的多孔结构。图16E为其顶 视图，该多孔结构自然地形成自组装的六边形纳米孔隙阵列，它包括许多的由六边形 孔壁349围绕的孔隙348。相邻孔隙348的中心距离是D。通过一湿法化学处理去除顶部 的阳极氧化层和阻挡层后，进行第二次氧化工艺消耗掉所有的金属铝，以便阻挡层和 顶部的多孔八1203层345'恰好位于贵金属层340上。然后进行湿法腐蚀拓宽孔隙348， 并去除孔隙348底部的阻挡层。进行湿法腐蚀时，如图16F所示，孔隙348被拓宽，围 绕孔隙的内壁349变薄。可以控制腐蚀工艺以形成大量的被内壁349围绕的纳米孔348。 还可以腐蚀至孔隙348之间彼此相接触，制作出一个准三角形纳米柱349'的六边形阵 列。
在图16G中，贵金属层340被腐蚀掉，孔隙348向下延伸到导电的钛层335。在图 16H中，进行湿法氧化腐蚀去除氧化铝，继之以湿法金属腐蚀去除残余在孔隙348底部的铝。氧化铝315和多孔铝层315底部残余的铝膜315被去除，形成一个具有可控高度、 直径和明确的柱间距离的纳米柱阵列。该阵列可具有准三角形的周期性的空穴。
纳米柱基本上是直的，垂直于基底330和导电层335。纳米柱320-N可具有基本上 相同的或相近的宽度。相邻的纳米柱被间隙隔开，这些间隙与导电层335的距离基本上 保持不变。
在一些实施例中，如上所述，适合于图1A和1C的化学探测器的制备可以是在一 个具基本结构或无特定结构的(即平坦的)基底上或一样品溶液中引入纳米颗粒。痕 量化学物或生化物物质可以先在溶液中与纳米颗粒相混合，使痕量化学物或生化物物 质的分子被吸附到纳米颗粒上，含有该纳米颗粒的样品溶液随后被引入到该化学探测 器的具基本结构或无特定结构的表面上。换言之，可以通过将含有纳米颗粒的胶体悬 浮溶液涂敷于探测器105的表面而制作出纳米级表面结构。所述纳米颗粒可以由金属材 料(例如Al， Ag， Au, Cu, Fe, Co， Ni, Cr, Zn, Sn, Pd， Pt，以及它们的合金)、氧化物材料 (例如二氧化钛、二氧化硅、氧化锌等)或聚合物材料制成。氧化物或聚合物颗粒可 以用金属离子涂布或用导电材料覆盖。胶体悬浮溶液可以包括单一的纳米颗粒或纳米 颗粒团。该溶液涂抹于探测器表面后形成纳米级表面结构。该溶液可挥发，留下纳米 颗粒将目标分子吸附到探测器表面。
在一些实施例中，使用如上图lA-2， 6B, 7-9B相关描述所述的光散射探头100获得 病人体液的拉曼光谱，通过分析该拉曼光谱可以用于鉴定疾病。人体体液可以直接引 入到探测器(图1A中的105)上或与含有纳米颗粒的样品溶液(图7中的720)相混 合。光散射和拉曼光谱分析可以如图1A-1C或图7所示的进行。另外，如上所述，含有 纳米颗粒的样品溶液可以转移到探测器的具有一定结构的或无特定结构的表面上，随 后用于光散射和拉曼光谱分析。
参见图17，从一个来自口腔癌病人的唾液样本获得的拉曼光谱显示了两个特征的 光谱峰，分别在560 cm"(在540 cm" — 570 cm"区域内)和1100 cm"(在1085<^-1 — 1105cm"区域内)附近，而未患口腔癌的健康个体没有这两个光谱峰。560 cm"和 1100 cm"处的特征光谱峰与C-S， S-S和0-P-0 (P02)键引起的分子振动相关，例如含 有半胱氨酸、ATP、 ADP及其他磷酸酯的生物样品。光谱信号的识别可包括下列步骤首先在具有各个光谱信号的拉曼频移单位为cm—1 (波数)的拉曼峰中选择一光谱 峰；确定本底散射强度；计算峰的强度、相对强度或积分面积。用峰强度和本底计算 出信噪比。如果信噪比高于一预定阈值(例如3或更高)，拉曼峰的光谱信号就被识 别。检测与疾病和药物使用相关化学物质的光谱信号的识别可以采用统计分析和几种 算法(例如Dendrograph和主成分分析)。如果560 cm"和1100 cm"附近的两个光谱信 号都被识别出，那么可认定为检测到与口腔癌有关的化学物质，被检测者可能患有口 腔癌或口腔癌早期。医生和被检测者应使用同样的或其他的诊断技术进一步检测，以 诊断是否患有口腔癌或口腔癌早期。
本发明公开的系统和方法还可以用来测定葡萄糖水平以用于评估糖尿病状况。 1115 cm"到1135 cm"区域内的特征光谱峰，例如1124cm"，与葡萄糖的分子振动相 关，从糖尿病病人的唾液样品获得的拉曼光谱可提供诊断糖尿病的关键依据。该拉曼 峰的强度、相对强度或积分面积可用于评估病人体液的葡萄糖浓度，从而确定糖尿病 级别。同样地，参见图18-20，与乳癌相关化学物质也会在唾液的拉曼光谱的约560 cm"和1100 cm"处显示出光谱信号(图18)。与肺癌和卵巢癌相关化学物质可能在唾 液和血清样品的拉曼光谱的大约745 cm"处具有一光谱信号(图19B和图20) 。 745 cm"处的特征光谱峰与磷酸酯中的C-S键或Z-DNA中的O-P-O键引起的分子振动相关。 与艾滋病相关化学物质可能在血清样品的拉曼光谱的865 cm—1 - 885 cm"区域内，例如 870cm"处具有一光谱信号(图21)。本发明公开的系统和方法还可以用来进行是否使 用违禁药物的检测，例如海洛因、脱氧麻黄碱、古柯碱、咖啡因、吗啡、可待因、安 非他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀、MDMA等等。图22显示的是来自一脱氧麻黄碱固 体(一种违禁药物)、 一未用药个体的唾液样品和一脱氧麻黄碱使用者的唾液样品的 拉曼光谱。来自药物使用者唾液样品的拉曼光谱在约1030 cm"和1535 cm"处有一特征 峰，该特征峰表明其使用了违禁药物。本发明公开的方法和系统还可以在国际性的运 动比赛(比如奥运会)中用来检测运动员体内的兴奋剂(例如激素)。
同样地，参见图23，吸烟状态和被动吸烟的状态也表现出光谱信号，在吸烟者唾 液样品拉曼光谱的约1029 cm"处显示出的光谱信号不存在于不吸烟的健康个体中。约
221029 cm"处的特征光谱峰与N-甲-2-5-吡咯垸酮(cotinine)的分子振动模式相关，N-甲-2-5-吡咯烷酮是烟碱尼古丁的代谢产物。
利用本发明公开的拉曼探头进行非侵入的检测疾病有关的化学物质可包括下列步 骤中的一个或多个参见图24，首先从一个病人或违禁药物使用者处获得体液(步骤
2010)。由于本发明公开的拉曼散射探测器具有高灵敏度，体液的量可以相当小。例 如，从病人处获得的体液体积可以从约100 pl到l ml。体液的例子可包括血液、唾 液、尿、血清、泪、汗和胃液。离心后，体液转入一包含有纳米级表面结构的探测器 (例如一RamanNanoChipTM)(步骤2020)。体液中的分子被吸附到纳米级表面结构 上。用激光束照射体液、纳米级表面结构和被吸附到纳米级表面结构上的分子(步骤 2030)。采集经体液、纳米级表面结构和被吸附分子的散射光(步骤2040)。
从散射光获得拉曼光谱(步骤2050)。光谱中的一个或多个光谱信号被识别以检 测到与特定疾病相关的特定化学物质(步骤2060)。能检测与其有关的化学物质的疾 病例子包括肺癌、乳癌、胃癌、食道癌、甲状腺癌、喉癌、肝硬化、肾衰、溃疡癌、 卵巢癌、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌、支气管癌、艾滋病 和药瘾。如上所述， 一个或多个光谱信号在拉曼光谱的预定波长处。光谱信号的波长 和特征对于与待测疾病相关的化学物质是特异的。例如，口腔癌和乳癌唾液样品的光 谱信号可能在约560 cm"或1100 cm"处。肺癌血清样品中的光谱信号大约在拉曼光谱 的745 cm—)处。 一光谱信号可包括一光谱峰值。当光谱峰值大于某预定阈值时，光谱 信号被识别出来。例如，相对于噪声背景，当光谱峰值的信噪比大约3时就被识别出 来。
应当说明的是，图24与图8是一致的，图24的步骤中可加入图8中的一个或多个步 骤，包括利用含纳米颗粒的样品溶液。
在一些实施例中，本发明公开的光散射探头和化学检测方法可应用于食品安全领 域，包括筛查食品中的非法添加剂核査有效成分。所述食品例如乳制品，可包括奶、 奶粉(如婴儿配方奶粉)、乳酪、乳酪蛋糕、酸奶、冰淇淋、奶糖、含奶饼干、含奶 食品和含蛋白食品。最近的一起严重食品安全事件是关于在乳制品(例如婴儿配方奶 粉、冰淇淋和饼干等)中非法添加三聚氰胺。本发明公开的方法和系统同样可以用于检测酒产品例如葡萄酒中甲醇的存在及其含量，以及食品、饮料、酒产品(如红葡萄 酒和葡萄酒)中的亚硝酸盐、甜蜜素(环己基氨基磺酸钠)和其他食品添加剂。
如上与图lA-2， 6A， 6C和7 - 9B相关的描述，食品样品可制成溶液，然后引入到 探测器(图1A中的105)上或与含有纳米颗粒的样品溶液(图7中的720)相混合。光 散射和拉曼光谱分析可以如图1A - 1C或图7所示的进行。另外，如上所述，含有纳米 颗粒的样品溶液可以转移到探测器的具有一定结构的或无特定结构的表面上，随后用 于光散射和拉曼光谱分析。
如上与图lA-2， 6A， 6C和7 - 9B相关的描述，化学物或生化物样品可以制备成溶 液，然后引入到探测器(图1A中的105)上或者与含有纳米颗粒或碳纳米管的样品溶 液(图7中的720)相混合。制备样品溶液的一种方法是，直接将含样品的化学物和生 化物物质(例如液体、固体、粉末、溶胶凝胶、气溶胶等)混合到含纳米颗粒的测试 溶液中；另一种方法是，将末端具有许多微孔的气体采样管插入溶剂溶液中，再把含 有化学物或生化物物质的气体通过气体采样管吹入溶剂溶液中，然后再将该溶剂溶液 和含有纳米颗粒溶液混合。吹气的时间为l分钟到2小时，吹气的压力为l atm-5 atm。 气体采样管末端孔隙的尺寸为5iam-50mm，气体采样管的内径为20 pm-500 mm。气体 或气溶胶形式的化学物质包括氨水、苯、甲苯、间二甲苯、邻二甲苯、对二甲苯、二 氧化硫、 一氧化二氮、二氧化氮、乙醇胺、二甲基甲酰胺等。如果样品溶液置于探测 器的表面上，光散射和拉曼光谱分析可以如图1A-1C所示的进行，或按图7所示进行光 散射和拉曼光谱分析。另一方面，含纳米颗粒样品溶液也可被转移到探测器的具有一 定结构或无特定结构的表面上，如上所述，随后进行光散射和拉曼光谱分析。
在一些实施例中，参见图l、 8和9，奶样品溶液是分别添加了l ppm、 2ppm、 5 ppm和50ppm的三聚氰胺的奶液。将这些奶样品溶液分别加到探测器(图1中的105) 上或者加入含有纳米颗粒的样品溶液(图7中的720)中。三聚氰胺添加剂包括三聚氰 胺和三聚氰胺氰尿酸酯。使用上述的光散射探头方法获得拉曼光谱。食品样品溶液的 体积一般为lOOpl- 1 ml。
奶产品中不同浓度的非法和有害化学物质(三聚氰胺)能在拉曼光谱检测到相关 光谱信号。图25A显示的是分别添加了浓度为0ppm (不含三聚氰胺)、lppm、 2
2ppm、和5 ppm的三聚氰胺的奶样品溶液的拉曼光谱。图25A和25B所示的拉曼光谱在 700 cm"附近具有拉曼峰，分别位于约678 cm"(峰A ), 698 cm"(峰B)和712 cm" (峰C)处。这些观察到的拉曼峰与环呼吸II模式(the ring breathing II mode)振动相 关，涉及三聚氰胺分子中三嗪环的平面形变(in-plane deformation)或者三聚氰胺氰尿 酸酯分子的面外弯曲振动环(a ring out of-plane bending vibration )。此外，可以看 出，这三条拉曼峰中678 cm"附近的峰A的相对强度增大表示三聚氰胺的浓度增大。相 比之下，712 cm"附近的峰C相对强度减小表示三聚氰胺浓度增大。通过比较三聚氰胺 浓度为5ppm (图25A)和50ppm (图25B)的拉曼光谱可以清楚地看这两个趋势。注 意三聚氰胺氰尿酸酯(针状的微小白色沉淀)是三聚氰胺和溶液中的氰尿酸在特定情 况下形成的。
在另一个例子中，将乙腈溶剂添加到样品奶溶液中作为拉曼散射测量的内标参 考。研究发现，用乙腈作溶剂不影响或微弱影响测试溶液的拉曼散射强度。参见图 26，使用上述系统和方法从一添加了乙腈的三聚氰胺浓度为5 ppm的奶溶液获得拉曼 光谱，光谱信号位于700cm"附近(峰A、 B和C)。
在另一个例子中，拉曼光谱检测到在水溶液中浓度分别为l ppb和100ppb的非法和 有害化学物质(三聚氰胺)的光谱信号(图27)。
在一些实施例中，参见图1B、图16F、 16E和16H，在探测器105的纳米表面的纳 米柱108 (或孔隙)上涂敷一金属薄膜。该金属薄膜与电极电连接。该金属薄膜可以由 一贵金属例如金形成。将探测器浸入一样品溶液中，这样样品溶液就敷到探测器表面 上。在电极和金属薄膜上施加电偏压。电偏压可控制在-3.0 +3.0V的范围内，这可以 增强纳米表面对样品分子(例如三聚氰胺分子)的吸附，增强局部电磁性，及增强样 品分子和纳米级表面结构之间的电荷转移，从而使吸附到纳米表面的样品分子的拉曼 散射强度增强。入射的激光束投射到探测器上，对样品溶液施加电偏压的同时检测散 射光。在撤消电偏压后可进行拉曼光散射测量。
在一些实施例中，应用离子交换柱从样品中分离干扰物。样品流经柱子，干扰物 被截留而分析物流出来。这样的柱子，例如C18柱，同样可以用于根据不同的停留时间(retention time)分离化学性能相仿的化合物。最终的纯化样品可以使得检测极限增 大2-6个数量级。
在一些实施例中，食品中化学物质的检测或疾病诊断可以使用一个集成装置进 行，该装置可以进行痕量化学物质、生物材料等的化学分离和光散射检测。该集成装 置的细节在共同转让的美国USll/ 761,453号专利申请中公开了，该申请名为"集程化 学分离光散射装置"，申请日为2007年6月12日，在此通过引用并入其公开内容。
在一些实施例中，公开的光散射探头和化学的检测方法不但可用于检测食品中的 非法或有害成分，还可以用于检测有效的或中性的成分。如图28所示，自上而下是淀 粉、蔗糖、奶粉A (第一奶粉品牌)、添加了蔗糖的奶粉B (第二奶粉品牌)、奶粉C (第三奶粉品牌)的拉曼光谱。正常奶粉中不应含有淀粉和蔗糖。由于淀粉和蔗糖为 白色粉末，如果把它们混在奶粉中用普通的试验方法不容易检测到。该拉曼光谱在约 473 cm"处有一非常强的峰(图28最上部)，证明奶粉中含有淀粉。该特征拉曼峰可 用于检测奶粉中是否掺杂了淀粉。该检测方法适用于检测未经批准的含淀粉物质的搀 杂，所述含淀粉物质例如面粉、米粉、大豆粉、马铃薯粉、甘薯粉等等。
该公开系统和方法还可以用来筛查奶粉中蔗糖的存在。图28中从上向下的第二个 拉曼光谱显示出几条强拉曼峰(大约在850 cm"， 940 cm"， 1020 cm"， 1130 cm"等 处)。这些拉曼峰的集合特征在混有蔗糖的奶粉B的光谱(图28中从上向下第四个) 中很明显(既然奶粉B的包装标签上涉及到混合有蔗糖，这就是合法的)，但不存在 于未添加蔗糖的奶粉A的光谱(图28中从上向下第三个)中。另一方面，蔗糖相关的 拉曼峰的集合特征在奶粉C的光谱(图28最下面)中很明显，由于其包装标签未涉及 蔗糖，该奶粉是非法的。请注意，拉曼试验显示奶粉C中既掺杂了淀粉也掺杂了蔗 糖，而在其包装中没有标明。
此外，该公开方法和系统可以应用于测定食品例如乳制品中的蛋白质含量。食品 中蛋白质的高浓度可以通过较高的酰胺浓度来反映，其拉曼峰在1658 cm"附近。相对 于其他的光谱特征，1658 cm—1处的强度可用于食品例如奶粉中蛋白质水平的评估。例 如，图28中的三个不同的奶粉样品(图28中较低的三个光谱)具有相似的蛋白质含量水平。奶粉A光谱中位于1658 cm—!的更为显著的峰显示奶粉A的蛋白含量比奶粉B和奶 粉C稍高。
因此，该公开方法和系统是检测奶粉中蛋白含量，及是否存在蔗糖、淀粉和非法 添加剂(例如三聚氰胺)的有效方法。此外，该公开系统简单紧凑，便于携带。因其 快速检测时间周期(30秒钟-10分钟，甚至更短的时间)，物质检测可以很容易在现场 进行，从而可以在很广的环境范围内对含奶产品，例如鲜奶和奶粉，进行及时有效的 鉴定和品质核实。
拉曼信号的强度可以通过预处理试验样品来增加。例如，试验样品溶于溶液中 后，固体颗粒、多余的离子分子、或不明材料可以通过用一固相提取(solid-phase extraction, SPE)柱过滤溶液来去除，主要步骤包括预备溶剂，使样品溶液通过柱 子，用选择溶液洗脱，获得最终的洗脱分析物，随后根据光散射分析进行鉴定。
固体颗粒、多余分子或不明材料的去除可有效降低来自化学探测器的纳米结构表 面或含有纳米颗粒的样品溶液的散射光，从而能够对已知基本材料的目标分子浓度进 行定量分析，例如可测定鲜奶或成品奶或奶粉中浓度低至0.5 ppm的三聚氰胺。
本发明公开的方法和系统被用于食品检验时，非法食品添加剂分子可以通过控制 (例如提高)样品溶液(例如图7中的720)的温度从食品基质材料中分离出来。非法 食品添加剂苏丹红I可以通过将温度控制在2(TC- 100°C (优选40'C—80'C) 1 sec - 30 min或l min—10 min而与辣椒玉红素分离。其他的可通过本发明公开的方法和系统检 测的食品添加剂包括但不限于罗丹明B (Rhodanmine B)、苯甲酸(有时存在于奶产 品)、硫代亚硫l酸(hyposulfurous acid )、 甲醛钠(sodium formaldehyde )、 crysoidine G、硼酸和硼酸钠、硫氰酸钠、铅铬绿(Lead chrome green)、碱性嫩黄O (Basic FlavineO)、工业用甲醛和NaOH、 一氧化碳、硫酸钠、industrial surfer、工业 染料、罂粟子(fructus papaveris)、过量的食品染料(例如胭脂红、柠檬黄、诱惑红 AC (allurared AC)、晚霞黄等等)、食品防腐剂、甜味剂(例如糖精钠、环已基氨 基磺酸钠)、乳化剂(脂肪酸的蔗糖酯等)、过量膨松剂(KA1S04、 NH4A1S04等 等)、漂白剂、硫磺熏蒸(sulfer suffumigation)、护色剂(硝酸酯、亚硝酸盐等 等)、Ti02、过氧化苯甲酰和KA1S04。在一些实施例中，在用拉曼散射检测三聚氰胺前将蛋白质从样品中分离出来。蛋白质可以从鲜奶或奶粉溶液中沉淀或化学分离出 来。在一实例中，将奶溶液和一高浓度(例如超饱和浓度)的盐(例如NaCl)相混合 来沉淀蛋白质。在另一个例子中，在酸性条件把丙酮加到奶溶液来沉淀蛋白质。SPE 柱同样可以用来去除奶溶液中的蛋白质。得到的无色透明溶液随后进行如上所述的拉 曼散射测试。蛋白质的去除或沉淀可有效降低拉曼光谱信号中的无规散射，因此可有 效增强该技术的信噪比，可以检测鲜奶中0.2ppm浓度的三聚氰胺。
使用该公开拉曼探头检测食品中的有害化学物质可包括下列一个或多个步骤参 见图29，首先确定可能出现在食品中的有害的或未经批准的、有效的成分或蛋白质 (酰胺I)的光谱信号(步骤2200)。如上所述，这可以通过将一有害或有效成分的参 比溶液施加到一光散射探测器的纳米级表面结构上进行拉曼散射量测来实现。波长和 光谱特性(峰高、峰宽等)可以保存到光谱分析仪(图6A中的150)的数据库中。为 该光谱信号的峰高确定一阈值，该阈值相对应于参比溶液中该化学物质的某一预定浓 度。在一些实施例中，计算该光谱峰的信噪比。如果该信噪比超出某阈值(例如3)， 确认识别出该化学物质。
在一些实施例中，用于确定光谱信号的探测器含有与用于检测或定量食品中化学 物质的探测器基本相同的纳米结构。换言之，对于用于确定光谱信号的探测器和用于 进行食品野外试验的探测器，它们的纳米柱或纳米孔隙的尺寸和形状，纳米柱和纳米 孔隙的间距，以及纳米柱和纳米孔隙的材料组成是基本相同的。例如，相同的探测器 模型可用于两个目的。该方法可以保证测量光谱和光谱信号之间光谱特性的最佳匹 配。该方法还可以使那些源于不同探测器在结构和材料组成上的差别的噪音最小化。
在一些实施例中，用于确定化合物拉曼光谱信号的纳米级表面结构可以通过一包 含目标化合物和纳米颗粒悬浮液的测试溶液制备。初始的探测器表面可以是相对平坦 的。测试溶液被施加到探测器表面。蒸发后， 一层吸附有目标化合物分子的纳米颗粒 沉积到探测器表面上，用于进行确定拉曼信号的拉曼散射测量。除了目标化合物被一 食品样品溶液或一病人体液替代外，食品成分或病人体液中物质的检测遵循相同的程 序。为了提高试验灵敏度和降低噪音，在拉曼信号测试和野外物质检测中优选使用相同的纳米颗粒和相同的溶剂。换言之，用于确定拉曼光谱信号和野外测量的纳米颗粒 的尺寸分布和材料组成基本相同。
首先从一食品获得食品样品(图29中步骤2210)。鉴于公开的拉曼散射探测器的 高灵敏度，食品样品溶液的量可以相当小。例如，食品样品溶液的量可以在IOO pl- 1 ml的范围内。食品样品的例子包括但不限于乳制品、糖果、饮料、酒、肉、水产品 (例如鱼、虾等)、茶叶、新鲜的或罐藏蔬菜、水果、粮食、谷物、玉米片或马铃薯 片，等等。食品样品被制备或溶于一溶液中，然后转入一包含纳米级表面结构的探测 器(步骤2220)。食品样品溶液中的分子被吸附到纳米级表面结构。用激光束照射食 品样品溶液、纳米级表面结构和被吸附到纳米级表面结构上的分子(步骤2230)。采 集经食品样品溶液、纳米级表面结构和被吸附的分子散射的光线(步骤2240)。该试 验还可以采用含有平均粒径为2- 100nm的贵金属(例如银Ag、金Au等)纳米颗粒的 试验试剂的混合试验样品。那么，采集经混合样品溶液、有或无纳米级表面结构、及 被吸附的分子散射的光线(步骤2240)。
从散射光获得拉曼光谱(步骤2250)。识别光谱中的一个或多个光谱信号，以测 定有害的或非法的添加剂和成分，或者核查有效成分的存在和浓度(步骤2260)。有 害的或非法的添加剂或成分的例子包括但不限于普通肥料中的化合物、除莠剂、杀虫 剂、杀昆虫剂、抗生素、激素和防腐剂，例如三聚氰胺、甜蜜素(环己基氨基磺酸 钠)、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸酯、苏丹红I、 II、 m和iv、孔雀石绿、甲胺磷、 乙酰甲胺磷、DDT、 DDV、马拉硫磷、杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫 磷、亚胺硫磷、硝基呋喃(例如呋喃唑酮)、乐果、、氯四环素、环丙沙星、氨哮 素、乙基环丙沙星，等等。拉曼光谱中相关光谱信号的波长和特征对于被检测的各个 化合物及其量是特异的，如上对图25A - 28的描述。 一光谱信号可以包括一光谱峰。 当该光谱峰超出某阈值时，该光谱信号被识别，所述阈值可以通过分析含有该化合物 的参比溶液预先确定，如上所述。例如，该光谱峰相对于噪声背景的信噪比大于3时确 定识别出该光谱信号。
应当说明的是，图29与图8是一致的，图24的步骤中可加入图8中的一个或多个步 骤，包括利用含纳米颗粒的样品溶液。尽管通过优选实施例对本发明进行了描述，应当理解的是，这样的公开并不能解 释作对本发明的限制。对于本领域技术人员来说，上述公开使得各种变换和修改都是 显而易见的。因此，在本发明的实质精神和范围内，所附权利要求书应解释为涵盖了 所有的变换和修改。例如，适用于本发明公开系统和方法的纳米级表面结构不应局限 于上述例子。所述纳米级表面结构可包括纳米柱(或柱)、纳米洞(或孔隙)及其他 纳米级表面结构，和沉积在探测器表面上的纳米颗粒。
权利要求
1.一种检测化学物或生化物物质的方法，其步骤包括将样品材料引入含有纳米克拉的样品溶液中；用一激光束照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶液；采集样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光；从样品溶液中的样品材料和纳米颗粒的散射光获得拉曼光谱；确定拉曼光谱中一预定波长附近与化学物或生化物物质相关的光谱信号的存在；根据拉曼光谱中的该光谱信号鉴定样品材料中的化学物或生化物物质。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括在引入步骤后， 使样品材料的分子吸附到纳米颗粒上。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于,所述纳米颗粒包含一磁性或铁磁材料。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒包含的材料选自铁、 钴和镍。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括在采集步骤至少部分采集过程对样品溶液施加一电场、磁场或电磁场。
6. 如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述电场、磁场或电磁场是固定的 或交变的。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的材料选自金属、金属合金、氧化物材料、聚合物材料和它们的组合。
8. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的材料选自二氧化钛、二氧化硅和氧化锌。
9. 如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的材料选自Al， Ag， Au, Cu, Fe, Co, Ni, Cr， Zn, Sn, Pd, Pt和它们的组合。
10. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的平均尺寸为1 nm-100(jm。
11. 如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的平均尺寸为 5nm-500nm。
12. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒的粒径分布以平均尺 寸和分布宽度来表征，分布宽度与平均尺寸的比值范围是0.01-3。
13. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品溶液中含有多价离子。
14. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括在样品溶液中 加入离子材料，所述离子材料含有的离子选自Na+， K+, Li+， Ca2+， Ba2+， Sr2+， Mg2+,Mn2+， A3+, Zn2+, Sn2+, Sn4+, F Cl Br 禾口 I.。
15. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述样品溶液的离子浓度为10 到饱和水平。
16. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述光谱信号至少包括拉曼光谱中预定波长附件的一个光谱峰，该方法进一步包括如果样品材料中的化学物或生 化物物质是确定的，则通过光谱信号测定该化学物或生化物物质的浓度。
17. 如权利要求l所述的方法，其特征在于，所述样品材料提取自食品。
18. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述食品包括乳制品、糖果、饼干、饮料、酒、肉、海鲜、茶叶、新鲜的或罐藏蔬菜、水果、粮食、谷物、玉 米片、马铃薯片或含有蛋白质的食品。
19. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述乳制品包括鲜奶、奶粉、乳 酪、乳酪蛋糕、酸奶、冰淇淋、奶糖或饼干。
20. 如权利要求18所述的方法，其特征在于，所述食品包括乳制品，所述化学 物或生化物物质包括三聚氰胺和三聚氰胺氰尿酸酯，所述光谱信号包括678 cm-1、 698 cm"或712 cm"附近，或者1648 cm"附近的一个或多个光谱峰。
21. 如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述化学物或生化物物质包括 三聚氰胺、甜蜜素、环己基氨基磺酸钠、蔗糖、淀粉、亚硝酸盐、硝酸酯、苏丹 红I、 II、 III和IV、孔雀石绿、甲胺磷、乙酰甲胺磷、DDT、 DDV、马拉硫磷、 杀螟硫磷、溴氰菊酯、氯氰菊酯、甲基对硫磷、亚胺硫磷、乐果、硝基呋喃、呋 喃唑酮、氯霉素、氯四环素、环丙沙星、氨哮素或恩诺沙星。
22. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述样品材料包括来自人体的体液， 该方法进一步包括根据拉曼光谱中的光谱信号检测与人体疾病相关的化学物物 质。
23. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述体液包括血、唾液、尿、血清、泪、汗、胃液、精液和分泌液。
24. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述疾病包括肺癌、乳癌、胃癌、 肝硬化、肾衰、溃疡癌、卵巢癌、子宫癌、宫颈癌、口腔癌、食道癌、甲状腺癌、 喉癌、白血病、结肠癌、膀胱癌、前列腺癌、支气管癌、胰腺癌、头部肿瘤、颈 部肿瘤、皮肤癌、艾滋病、糖尿病、吸烟状态和药瘾。
25. 如权利要求22所述的方法，其特征在于，所述疾病包括使用违禁药物，所 述违禁药物选自海洛因、脱氧麻黄碱、古柯碱、咖啡因、吗啡、可待因、安非 他明、麻黄素、罂粟碱、那可汀和MDMA。
26. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述纳米颗粒包括碳纳米管。
27. 如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述碳纳米管包括单壁或多壁碳 纳米管，为富勒体、花托形、纳米花蕾或纳米花朵形式的碳纳米管。
28. —种检测化学物或生化物物质的方法，包括 将样品材料引入含有纳米颗粒的样品溶液中，其中纳米颗粒的平均尺寸为5nm-500nm，所述纳米颗粒以平均尺寸和分布宽度来表征其粒径分布，分布宽度 与平均尺寸的比值范围是0.01-3，且所述纳米颗粒含有磁性或铁磁材料； 用一激光束照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶液； 采集样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光； 从样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光获得拉曼光谱； 确定拉曼光谱中预定波长附近是否存在与化学物或生化物物质相关的光谱 信号；基于拉曼光谱中的该光谱信号鉴定样品材料中的化学物或生化物物质。
29. —种检测化学物或生化物物质的方法，包括 将样品材料引入样品溶液中，所述样品溶液含有平均尺寸为5nm-500nm的纳米颗粒，其中纳米颗粒的粒径分布以平均尺寸和分布宽度来表征，分布宽度与 平均尺寸的比值范围是0.01-3;将含有多价离子的离子材料加入样品溶液中；用一激光束照射含有样品材料和纳米颗粒的样品溶液；采集样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光；从样品溶液中的样品材料和纳米颗粒产生的散射光获得拉曼光谱； 确定拉曼光谱中预定波长附近是否存在与化学物或生化物物质相关的光谱 信号；基于拉曼光谱中的该光谱信号鉴定样品材料中的化学物或生化物物质。
全文摘要
本发明属于微痕量物质检测领域，涉及一种检测化学物或生化物物质的方法。本发明使样品溶液与探测器中的纳米级表面结构相接触，其中所述纳米级表面结构包含基底上的多个柱体，基底中的多个孔隙，或样品溶液中多个纳米颗粒；用一激光束照射探测器纳米级表面结构上的样品溶液；用光谱分析仪获得来自散射光的拉曼光谱；识别拉曼光谱中的光谱信号以样品溶液中是否存在特定化学物或生化物物质。所述样品溶液可以为来自食品的样品溶液，或来自人体的体液。本发明提供了简单和非侵入的检测方法，易于操作，可用于反恐、刑侦、检测违禁药物、医学诊断、疾病预防、工业过程监测、环境清理和监测、检测假冒商品、产品鉴定、酒中甲醇含量的检测、食品和药物质量控制等领域。
文档编号G01N21/65GK101629909SQ20091013645
公开日2010年1月20日 申请日期2009年5月8日 优先权日2008年7月20日
发明者刘春伟, 泓 汪, 浔 郭 申请人:欧普图斯科技有限公司