专利名称：动态表面增强拉曼光谱检测方法
技术领域：
本发明属一种分析检测技术，具体是一种表面增强拉曼光谱检测方法。
背景技术：
拉曼光谱和红外光谱一样同属于分子振动光谱，可以反映分子的特征结构。但是拉曼散射效应是个非常弱的过程，一般其光强仅约为入射光强的10,。所以拉曼信号都很弱， 要对表面吸附物种进行拉曼光谱研究几乎都要利用某种增强效应。当选取的入射激光波长非常接近或处于散射分子的电子吸收峰范围内时，拉曼跃迁的几率大大增加，使得分子的某些振动模式的拉曼散射截面增强高达IO6倍，这种现象称为共振拉曼效应(Resonance Raman, RR)，共振拉曼增强使得检测亚单层量的分子成为可能。但是只有少数分子具有与处于可见光区的激发光相匹配的电子吸收能级，而且，RR不是一种表面专一的效应， 特别是研究固液界面时，溶液中相同物种可能会对表面谱产生严重的干扰，因而，RR对于表面拉曼光谱研究不是很适合。相反，表面增强拉曼光谱(Surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)就是一种具有表面选择性的增强效应。
自1974年SERS发现以来，实现SERS衬底在痕量、超痕量分析检测方面的研究工作一直是人们努力研究的目标。三十多年来，尽管检测限高达10_12-10_14 M的SERS衬底已有人报道，但他们的制备技术，操作条件都及其复杂，操作繁琐，并且只能停留在实验室阶段，难以推广使用。过于复杂的SERS衬底制备和编制方案，从检测成本上，没有任何实用和商用价值。此外，这些超痕量SERS衬底的研究能耗都很高，从低碳，环保角度考虑都是不可取的。而大多数商业化的SERS衬底再采用传统的SERS检测方案时，其检测限很难超越10_6 M，这样在痕量分析检测应用领域将没有任何优势而言。传统SERS技术检测方案很难在现场检测中得到应用，其研究成果也只能停留在实验室阶段。
发明内容
本发明的目的是提供一种动态表面增强拉曼光谱检测方法，可以将传统SERS衬底的检测限提高IO4IOki数量级，从而使拉曼光谱在痕量，超痕量检测领域得到深度应用。本发明的技术方案如下
动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于将乙醇滴加到含有待测目标分子的 SERS沉底上，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。按照传统SERS测试方案，将SERS衬底在待测目标溶液中充分浸泡之后晾干或者将待测目标溶液多次滴加在SERS沉底上，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号，其缺点是测试药品消耗量大；检测灵敏度低，对于非特殊处理的SERS沉底无法超越10_6M检测限度；而当用一滴乙醇加到上述含有待测目标分子的传统SERS沉底上，检测结果可以轻松提高2-4个数量级。见图1。其科学原理分析
一、外加溶剂——浸润、萃取、激活或者改变待测分子在贵金属基底上的位置，取向等。
二、激光加速悬浮动力——加速挥发动力+快速回到焦点+加速布朗运动+热量进一步激活紧贴在基底表面的待测“死分子”；
三、基底表面的吸附的分子，激活后快速碰撞运动，概率上存在最佳散射面+最佳ET场作用距离+最佳Hot-spot热点接触机会——共同提高SERS检测量级；
四、待测分子在溶剂快速挥发过程中——有可能在表面重新构筑规则排列，从而呈现最佳散射面；
五、溶剂挥发干，焦点回位时，待测分子重新沉降到基底表面，存在最佳SERS出现几率。
六、SPR大幅度红移，有利于共振SERS发生。
动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于在空白的SERS沉底上滴加5微升待测目标分子溶液，然后立即在拉曼光谱仪下检测目标物信号。这里将空白溶剂(乙醇)更换为待测目标分子，其分子被悬浮进行重新分配到焦点区域的概率加大，而且信号质量，灵敏度和重复性更好。
动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于将制备的SERS沉底溶胶直接和待测目标分子充分混合，然后将上述混合溶胶放置在拉曼光谱仪下检测目标物信号。结果见图2。其科学原理分析
一、悬浮SERS——溶剂挥发激活待测分子，加速待测分子碰撞基底机会，但是有限时间内大部分分子仍未被激活；
二、单纯依靠分子碰撞基底，倒不如采用“基底”和“目标分子”互相碰撞，概率大大提
闻；
三、相对溶液体系，sra移动仍有限。
四、动沉底-动SERS体系下，目标分子与沉底的碰撞几率加大，最佳SERS机会多，SPR 红移更严重，进一步促使目标分子拉曼信号的出现。
动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于直接将SERS沉底溶胶滴加在受目标物分子污染的表面，经过一段时间充分润湿受污染表面，将待测目标分子在受污染的表面悬浮起来，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号
上述方法完全颠覆了传统SERS测试手段，因为传统的SERS解决方案是必须将待测分子与SERS沉底预先接触，换句话说必须先将SERS沉底泡在待测目标溶液中，或者将待测目标分子预先滴加在SERS沉底上，这显然只是实验室的研究内容，而现实生活中，遇到的情况通常都是待测目标分子已经洒落或者污染了某一物体并且已经挥发至干燥状态，如何将其检测出来，显然传统SERS无能为力，本发明上述方法可以完全突破传统SERS的应用限制，真正的实现SERS作为一种超灵敏无污染从实验室走向应用的检测手段，可以在吸毒残留器具，农药残留，爆炸现场、环境监控等原位非损伤检测中发挥重要作用。
本发明的优点
可以将传统SERS衬底的检测限提高IO4IOki数量级，快速为分析人员提供检测结果 (在10秒之内)，从而使拉曼光谱在痕量，超痕量检测领域得到深度应用，在环境监测、毒品监控、农药残留检测、犯罪调查等现场检测领域中极具重要意义。
同时，采用现有商业化的SERS衬底就可以实现灵敏度大幅度升级，无需在在材料制备上等进行高能耗、高成本投入。
图1 动态-空白溶剂悬浮SERS解决技术方案”示意图 A 表示传统SERS基底；
B 外加空白溶剂(乙醇悬浮过程)；
C 在激光作用下，外加溶剂将传统SERS基底上的目标分子重新分布； D 目标分子在SERS基地上的动态取向； E 采用动态采谱，CXD记录目标分子光谱。
图2 “动沉底-动SERS解决技术方案”示意图
I传统SERS基底(Ag溶胶)
II=Ag溶胶(这里称其为动沉底)直接与待测分子混合
III在激光作用下，动沉底与待测分子高速碰撞，动态采集SERS信号图3、传统常规SERS检测门槛
(A)基于传统方法的Ag-壳SERS基底检测R6G分子实验结果
(B)基于传统方法的Ag-球SERS基底检测R6G分子实验结果
(C)基于传统方法的Ag-壳SERS基底检测4-MPy分子实验结果
(D)基于传统方法的Ag-阵列SERS基底检测4-ATP分子实验结果图4 :R6G分子的“动态-空白悬浮SERS结果
A :Ag-壳“动态-空白悬浮SERS结果(R6G I(T10M) B :Ag-壳“动态-空白悬浮SERS结果(R6G I(T12M) 图5:空白溶剂反复调谐激发基底SERS信号——开关效应图6 :R6G分子的“动态-自悬浮SERS结果 A :Ag-壳“动态-自悬浮” SERS结果(R6G I(T10M) B :Ag-壳“动态-自悬浮” SERS结果(R6G 10_12M) 图7 其它分子和衬底的“动态_自悬浮SERS结果 A =Ag-球衬底的R6G “动态-自悬浮” SERS结果； B =Ag-壳衬底的4-MPy “动态-自悬浮SERS结果； C =Ag-阵列衬底的4-ATP “动态-自悬浮” SERS结果； D 三种目标分子不同检测限的紫外光谱解释。图8 “动沉底-动SERS方案” R6G分子的超痕量检测 A :Ag-壳“动沉底-动SERS方案” SERS结果(R6G I(T14M) B :Ag-壳“动沉底-动SERS方案” SERS结果(R6G I(T16M) 图9 :R6G分子的“悬动-联合动SERS”现场测试结果
图10 冰毒和甲基对硫磷的现场检测 A 注射器表面和地面唾液残留物中冰毒现场检测结果；B 橘子表面残留的甲基对硫磷现场检测结果。
具体实施例方式
实验结果一
本发明米用〈〈Facile size-controlled synthesis of silver nanoparticles in UV-irradiated tungstosilicate acid solution》文献中报道的SERS衬底制备方案，基于传统的SERS测试方案，对罗丹明(R6G)、4-巯基吡啶(4-ATP)、对氨基苯硫酚(4-ATP)检测限均无法跨越IO-6M,其检测结果分别见图3。
实验结果二、
动态表面增强拉曼光谱检测方法之一，将乙醇滴加到含有待测目标分子的SERS沉底上，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。采用该方法对R6G进行检测，其测试结果明显优于图3中的传统SERS测试方案，其结果见图4。通过对比图4和图3，可以明显发现，该方法可以将R6G分子的检测线提高4个数量级。为了进一步验证上面的实验结果，对10_6M的R6G进行空白溶剂悬浮实验，采用传统的干态SERS检测，尽管R6G可以出现SERS信号，但是随着激光照射时间延长，信号逐步衰减并最终消失(由于分子最终被激光碳化所致)；而当我们采用空白溶剂乙醇滴加到上述基底进行悬浮测试时，我们可以通过滴加乙醇反复激活出R6G的强SERS信号，其结果见图 5，也即空白溶剂在这里起到开关作用，图5的实验结果进一步验证该方法是可行的。
实验结果三
动态表面增强拉曼光谱检测方法之二，在空白的SERS沉底上滴加5微升待测目标分子溶液，然后立即在拉曼光谱仪下检测目标物信号。对R6G进行检测时，目标分子被悬浮到激光焦点区域的概率远大于实验结果二中所示的检测方法之一，其对应的SERS测试结果是信号强于检测方法之一实验结果，并且出信号的概率也大大提高，这里同样以R6G作为评价标准，进行试验，其结果见图6。通过对比图4和图6，我们可以发现，方法之二采用的方法的SERS的图谱质量明显好于方法之一采用的空白溶剂悬浮结果，并且我们在实验中也发现，方法之二 SERS中信号出现的概率和重复性都明显好于方法之一。这也在其它分子或者其它SERS衬底的对照实验中得到进一步验证，详细结果见图7。通过图7我们可以发现，无论是Ag-壳，还是Ag-球，以及Ag-阵列作为SERS基底， 采用所述的方法之一、之二，都可以跨越传统SERS的检测瓶颈(10_6M)，图7中，我们也可以发现对4-MPy和4-ATP的检测线明显低于R6G，这是因为4_MPy和4-ATP紫外吸收峰不想 R6G接近激发波长(514nm)，见图7-D，没有出现共振SERS效应所致，但它们的SERS检测限度都明显优于传统的SERS检测结果，详见图1和图7。实验结果四
动态表面增强拉曼光谱检测方法之三，将制备的SERS沉底溶胶直接和待测目标分子充分混合，然后将上述混合溶胶放置在拉曼光谱仪下检测目标物信号。当我们采用方法之三对R6G进行检测时，其检测限得到进一步提高，检测结果见图8。从图8中我们可以看出，采用方法之三，R6G的检测限可以提高8-10个数量级，也即从传统的ΙΟ—Μ提高到10_14 IiT16M超痕量水平。
实验结果五
动态表面增强拉曼光谱检测方法之四，直接将SERS沉底溶胶滴加在受目标物分子污染的表面，经过一段时间充分润湿受污染表面，将待测目标分子在受污染的表面悬浮起来， 然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。采用方法之四可以轻松实现现场检测，我们依旧以R6G作为研究对象，其检测结果见图9。这里我们先将R6G滴加在空白载玻片上(模拟目标分子洒落在地面的现场状况)， 然后我们测定其拉曼光谱，即使IiT2M浓度的R6G都无法检测出来，然后我们直接向上述被 R6G污染的载玻片上滴加合成的Ag-壳溶胶(也即动衬底)，经过大约Imin侵润，我们可以轻松悬浮出10_8M R6G的信号，结果见图9，这个测试结果对现场检测具有重要意义。
实验结果六
针对致幻类药物冰毒和农药甲基对硫磷进行了现场模拟检测，效果非常明显，见图10。图9A是我们将用注射器抽取冰毒后，将注射器晾干，然后测其表面无冰毒信号， 然后我们向注射器表面滴加我们合成的Ag-壳溶胶(动衬底)，采用前面提到的方法之四，可以从注射器表面轻松提取ICT4M冰毒信号；
我们又将健康人的唾液和IiT4M冰毒按体积1 :1比例混合，然后滴加在干净的载玻片上 (模拟地面)，空气中自然晾干后，我们测其信号，无信号，然后同样借助上面的方法之四，我们可以轻松从吸毒现场残留唾液泽中提取出毒品信号。图9B是我们在洗净的橘子皮上涂抹10_6M甲基对硫磷，然后让其自然晾干，以模拟农产品表面的农药残留。我们直接对橘子皮进行检测，只能测得两个橘子皮自身的背景信号，当我们采用上面的方法之四，ΙΟ—Μ甲基对硫磷信号呈现出来，见图9B。
备注R6G最为常见SERS探针分子，化学名为罗丹明6G ； 4-MPy常见SERS探针分子，化学名为4-巯基吡啶； 4-ATP常见SERS探针分子，化学名为4-氨基苯硫酚。
权利要求
1.动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于将乙醇滴加到含有待测目标分子的 SERS沉底上，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的含有待测目标分子的SERS沉底是将 SERS衬底在待测目标溶液中充分浸泡之后晾干或者将待测目标溶液多次滴加在SERS沉底上得到。
3.动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于在空白的SERS沉底上滴加5微升待测目标分子溶液，然后立即在拉曼光谱仪下检测目标物信号。
4.动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于将制备的SERS沉底溶胶直接待测目标分子充分混合，然后将上述混合溶胶放置在拉曼光谱仪下检测目标物信号。
5.动态表面增强拉曼光谱检测方法，其特征在于直接将SERS沉底溶胶滴加在受目标物分子污染的表面，经过一段时间充分润湿受污染表面，将待测目标分子在受污染的表面悬浮起来，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。
全文摘要
本发明属于一种分析检测技术，具体是一种表面增强拉曼光谱检测方法，将乙醇滴加到含有待测目标分子的SERS沉底上，然后在拉曼光谱仪下检测目标物信号。本发明检测方法可以将传统SERS衬底的检测限提高104-1010数量级，从而使拉曼光谱在痕量，超痕量检测领域得到深度应用。
文档编号G01N21/65GK102262083SQ20111003174
公开日2011年11月30日 申请日期2011年1月29日 优先权日2011年1月29日
发明者刘锦淮, 李民强, 杨良保, 马宏伟, 马永梅 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院