本发明涉及拉曼信号样品检测技术，具体涉及一种液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选方法及其装置。
背景技术：
当光束照射到样品上时，其散射光绝大部分光子以瑞利散射的形式出射，其散射光与入射光频率相等。另外，存在着极少些部分的光子将发生拉曼散射，这些光子与样品相互作用时产生能量交换，出射光的频率会发生蓝移或红移，统称为拉曼位移(RamanShift)，两者分别对应于反斯托克斯(anti-Stokes)线和斯托克斯(Stokes)线。实际研究中通常用光谱仪收集拉曼散射光形成拉曼光谱。相对于生物学研究中最为常用的荧光研究方法，拉曼光谱最突出的优点是非标记、无光漂白、光谱线很窄，灵敏性高、信息丰富，可以定量反映样品的化学组分和含量，被誉为“分子指纹识别技术”。而普通拉曼散射信号极其微弱，是研究、应用发展的最大制约因素。
针对拉曼信号很弱的问题，目前，发展了一系列的增强拉曼信号的方法，具体包括两类。第一类是基于局域表面等离子共振(LocalizedSurfacePlasmonResonance，LSPR)效应的表面增强拉曼(SurfaceEnhancedRamanSpectroscopy,SERS)和点增强拉曼(TipEnhancedRamanSpectroscopy,TERS)。根据增强原理，待测样品需要与能产生等离子效应的基底材料有足够近的物理距离。所以SERS、TERS常与电子显微镜结合在真空环境下实现拉曼信号增强，对材料科学领域等无机样品研究较多。该方法对于基本都在水环境中的生物领域样品研究受到很大限制。近年来，相应发展了一系列基于SERS原理的拉曼光谱方法来原位研究微生物等样品，取得了一定的进展[1,2]。目前，利用SERS进行生物样品研究，最主要的实现形式是仍是将SERS敏感纳米颗粒以基底的形式置于样品底部，不能有效保证样品的生物活性。
第二类拉曼信号增强依赖于非线性光学效应，具体包含有：共振拉曼(ResonanceRamanSpectroscopy,RRS),受激拉曼(StimulatedRamanSpectroscopy，SRS)，相干反斯托克斯拉曼(Coherentanti-StocksRamanSpectroscopy,CARS)。此类增强主要是依靠超快激光系统实现，实现过程相对复杂，对仪器硬件、实验操作要求均较高。
目前，利用SERS技术对生物样品进行研究中与本发明最相似的方法是用胶体形式的金或银纳米颗粒与生物等样品直接混合成溶液，然后将其滴到测量基底片上，待干燥后直接进行测量。常用的基底有氟化钙、硅、铝片等。实验改变的参量通常包含纳米颗粒胶体大小、颗粒聚集形式等。干燥后能保证待测样品与纳米颗粒有足够近的物理距离以达到增强的效果。此方法最大的特点是实现过程简便，增强效果是最重要的考量标准。
将金属颗粒(薄层)直接合成到样品表面或细胞壁内，是另一种SERS增强方法。合成各种类型的纳米颗粒、纳米尺度沟(gap)增强LSPR效应，或者将颗粒进行三维组装以扩大样品与金属表面的接触面积。此外，将合成金属纳米颗粒“撒”到样品上；在纳米金属颗粒表面包被生物相容性好的表壳；与生物样品共同孵育培养以实现内吞等都是近来发展的SERS方法。
技术实现要素：
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选方法及其装置。
本发明的一个目的在于提出一种液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选方法。
本发明的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测方法，包括以下步骤：
1)样品制备：
准备待测样品，并制备金属纳米颗粒，将待测样品和金属纳米颗粒均匀混合后，溶于盛放在透明的样品池中的液体中；
2)打开照明光装置，照明光装置发射出明场光，照射在样品池中，经物镜聚焦后，分别经第一和第二二向色镜后，成像在成像装置上，并将图像传输至监视器，实时显示样品池内部的待测样品；
3)关闭照明光装置；
4)打开诱导光装置，诱导光装置发出近红外激光作为诱导光，经合束镜后，再经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点位于悬浮在样品池中的待测样品上，在液体中形成三维光阱，悬浮固定待测样品，并富集金属纳米颗粒于待测样品的表面；
5)打开激发光装置，激发光装置发出可见光波段的激光，作为激发光，经合束镜与诱导光合束后，经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜聚焦，焦点同样位于样品池中的待测样品上，激发富集在待测样品表面的纳米金属颗粒产生局域表面等离子共振LSPR效应，同时激发待测样品产生拉曼信号，拉曼信号与局域表面等离子共振LSPR效应相互作用，形成激光诱导增强拉曼信号；
6)激光诱导增强拉曼信号由物镜聚焦，经第一二向色镜与诱导光和激发光分路，经第二二向色镜与照明光分路，经过激发光滤波器，再经聚焦透镜聚焦后，进入拉曼光谱仪，得到激光诱导增强拉曼光谱；
7)拉曼光谱仪将数据传输至计算机，分析激光诱导增强拉曼光谱得到待测样品的信息。本发明的液体中激光诱导增强拉曼光谱的分选方法，包括以下步骤：
1)样品制备：
准备待测样品，并制备金属纳米颗粒，将待测样品和金属纳米颗粒均匀混合后，溶于盛放在透明的样品池中的液体中，样品池固定在载物台上；
2)打开照明光装置，照明光装置发射出明场光，照射在样品池中，经物镜聚焦后，分别经第一和第二二向色镜，成像在成像装置上，并将图像传输至监视器，实时显示样品池内部的待测样品；
3)关闭照明光装置；
4)打开诱导光装置，诱导光装置发出近红外激光作为诱导光，经合束镜，再经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点位于悬浮在样品池中的待测样品上，在液体中形成三维光阱，悬浮固定待测样品，并富集金属纳米颗粒于待测样品的表面；
5)打开激发光装置，激发光装置发出可见光波段的激光，作为激发光，经合束镜与诱导光合束后，经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点同样位于样品池中的待测样品上，激发富集在待测样品表面的纳米金属颗粒产生局域表面等离子共振LSPR效应，同时激发待测样品产生拉曼信号，拉曼信号与局域表面等离子共振LSPR效应相互作用，形成激光诱导增强拉曼信号；
6)激光诱导增强拉曼信号由物镜聚焦，经第一二向色镜与诱导光和激发光分路，并经第二二向色镜与照明光分路，经过激发光滤波器，再经聚焦透镜聚焦后，进入拉曼光谱仪，得到激光诱导增强拉曼光谱；
7)拉曼光谱仪将数据传输至计算机，分析激光诱导增强拉曼光谱得到待测样品的信息，得到待测样品的性质；
8)关闭激发光装置；
9)打开照明光装置，照明光装置发射出明场光，照射在样品池中，经物镜聚焦后，经第一二向色镜与诱导光分路，再经第二二向色镜与激光诱导增强拉曼信号分路，成像在成像装置上，并将图像传输至监视器，实时显示样品池内部的待测样品；
10)控制诱导光的焦点位于选定的样品上，待诱导光在液体中形成的三维光阱稳定后，控制载物台的移动带动样品池的移动，从而控制诱导光所形成的三维光阱相对样品池移动，使得选定的样品与样品池发生相对移动，实现样品分选和提取。
其中，在步骤10)中，样品池中固定一个毛细管，其内径略大于选定的样品的尺寸，将毛细管的一端放入样品池，另一端与微注射器相连，当选定的样品移动到毛细管在样品池中的端口时，注射器施加负压，将选定的样品吸出。在步骤10)进行分选前，还包括洗脱：控制诱导光不动，待测样品被诱导形成的三位光阱束缚悬浮固定在溶液中，对样品池进行灌流冲洗，实现金属纳米粒子的洗脱。
本发明的另一个目的在于提供一种液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选装置。
本发明的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选装置包括：诱导光装置、激发光装置、合束镜、第一二向色镜、物镜、样品池、金属纳米颗粒、聚焦透镜、激发光滤波器、拉曼光谱仪和计算机；其中，待测样品与金属纳米颗粒均匀混合，溶于盛放在透明的样品池中的液体中；诱导光装置发出近红外激光作为诱导光，经合束镜，再经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点位于悬浮在样品池中的待测样品上，在液体中形成三维光阱，悬浮固定待测样品，并富集金属纳米颗粒于待测样品的表面；激发光装置发出可见光波段的激光，作为激发光，经合束镜与诱导光合束后，经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点同样位于样品池中的待测样品上，激发富集在待测样品表面的纳米金属颗粒产生局域表面等离子共振LSPR效应，同时激发待测样品产生拉曼信号，拉曼信号与局域表面等离子共振LSPR效应相互作用，形成激光诱导增强拉曼信号；激光诱导增强拉曼信号由物镜聚焦后，经第一二向色镜与激发光和诱导光分路，经过激发光滤波器，再经聚焦透镜聚焦后，进入拉曼光谱仪，得到激光诱导增强拉曼光谱；拉曼光谱仪经数据线连接至计算机，分析激光诱导增强拉曼光谱得到待测样品的信息。
样品池采用无荧光的透明材料。在样品池中盛放溶于液体的被测样品，待测样品包括生物样品和非生物颗粒物；若待测样品为细胞、蛋白、微生物和化学分子中的一种或多种，液体采用缓冲液、培养液和水溶液中的一种；若待测样品为空气中的固体颗粒物，则液体为水溶液或有机溶剂。在样品池的顶部设置盖玻片，用于盖住液体，以降低液体与空气接触交换，增加检测结果的稳定性，尤其在挥发性检测中有效降低误差。
金属纳米颗粒的材料采用金、银、铂和铜等钱币金属中的一种，激光激发局域表面等离子共振LSPR效应。激光的入射波长大于金属纳米颗粒的直径10倍，金属纳米颗粒的直径小于100nm。诱导光和激发光均有可能激发金属纳米颗粒产生局域表面等离子共振LSPR。
诱导光装置包括：近红外激光器、第一电子快门和耦合透镜组；其中，近红外激光器发出近红外激光，经第一电子快门，由耦合透镜组扩束后，光束的直径大于物镜的后瞳的直径，形成诱导光。第一电子快门作为诱导光装置的开关，控制近红外激光器的开关，从而控制诱导光的诱导时间、洗脱分选时使用激光进行操作的时间等。
激发光装置包括：TEM00模激光器、第二电子快门和扩束镜组；其中，固体激光器发出可见光波段的激光，由扩束镜组扩束，形成激发光，在扩束镜组中设置第二电子快门。第二电子快门作为激发光装置的开关，控制固体激光器的开关，从而控制激发光的拉曼散射激发时间。第一电子快门和第二电子快门由遥控器手动控制。
进一步，本发明还包括照明光装置和成像装置，在样品池外与物镜相对的一侧设置照明光装置，并且在样品池外与物镜同侧设置成像装置；照明光装置发射出明场光，照射在样品池中，透射光经物镜聚焦后，经第一二向色镜与诱导光分路，再经第二二向色镜与激光诱导增强拉曼信号分路，成像在成像装置上，成像装置经数据线连接至监视器，实时显示样品池内部的待测样品。成像装置通过数据线连接至计算机，实现对成像装置的控制。成像装置采用CCD相机。
本发明的优点：
本发明通过诱导光聚焦在悬浮的待测样品上，在液体中形成三维光阱，使金属纳米颗粒富集在待测样品的表面，通过激发光与诱导光焦点重合，共同作用，同时激发LSPR和拉曼信号，拉曼信号与LSPR相互作用产生激光诱导增强拉曼信号增强效果，从而更方便得到待测样品的信息；本发明的实现方法简便，光谱增强效果明显，适合于液体环境中的生物样品原位拉曼光谱快速检测；本发明不需要待测样品与金属纳米颗粒共同孵育，能有效提高实验效率，减少耗材消耗，特别适用于疾病、疫情、食品安全等快速检测领域；同时，由于增强效应，能有效减少了激发光的强度和光谱采集时间，减少激光对样品产生的影响；此外，本发明的方法中金属纳米颗粒与待测样品作用时间短，大大降低了金属纳米颗粒对生物样品的毒性损伤，从而能最大程度地反应活细胞真实生理状态。
再有，近红外激光无损的将待测样品非接触悬浮固定在液体中，同时又将金属纳米颗粒富集到待测样品的表面，使待测样品与样品池的池壁无接触，有效降低了底部玻片的自发荧光对拉曼信号的干扰；同时，避免了对待测样品的机械性损伤。
更重要的是，整个检测过程都是在液体环境中快速完成的，对生物样品(如活细胞)几乎无损，有利于拉曼光谱检测后进一步培养、扩增等研究，从而拉曼光谱测量后的待测样品可以方便地用本发明形成的光镊进行分选、提取和洗脱，实现单个活细胞的拉曼光谱识别和分选功能，有利于生物样品的后续研究。
附图说明
图1为本发明的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选装置的示意图；
图2为根据本发明的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测方法的一个实施例得到的激光诱导增强拉曼光谱图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1所示，本实施例的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测与分选装置包括：诱导光装置1、激发光装置2、合束镜3、第一二向色镜4、物镜5、样品池6、金属纳米颗粒、聚焦透镜、拉曼光谱仪7、照明光装置8和计算机9；其中，透明的样品池6中盛放溶于液体中的待测样品，金属纳米颗粒注入至样品池的液体中；诱导光装置1发出近红外激光作为诱导光，先经第一反射镜M1反射后经合束镜3，由第一二向色镜4反射进入物镜5，由物镜5高度聚焦，从样品池的底部聚焦至样品池6内，焦点位于悬浮在样品池6中的待测样品上，形成三维光阱，悬浮固定待测样品，并富集金属纳米颗粒于待测样品的表面；激发光装置2发出可见光波段的激光，作为激发光，先经第二反射镜M2反射后经合束镜3与诱导光合束后，由第一二向色镜4反射进入物镜，由物镜5高度聚焦，焦点同样位于样品池中的待测样品上，激发富集在待测样品表面的纳米金属颗粒产生局域表面等离子共振LSPR效应，同时激发待测样品产生拉曼信号，拉曼信号与局域表面等离子共振LSPR效应相互作用，形成激光诱导增强拉曼信号；激光诱导增强拉曼信号由物镜5收集，经第一二向色镜4透射，第二二向色镜83反射，经第三反射镜M3反射，经激发光滤波器71过滤瑞利散射光后，经聚焦透镜72聚焦，进入拉曼光谱仪7，得到激光诱导增强拉曼光谱；拉曼光谱仪7经数据线连接至计算机9，拉曼散射测的是分子键的振动信号，通过分析测得的拉曼光谱，可以进一步推测出待测样品的成分和相对含量。合束镜3采用二向色镜。激发光滤波器71采用陷波滤波器。
在本实施例中，样品池6采用厚度约为5mm的有机塑料中间打孔，底部粘贴石英波片62，顶部盖上石英的盖波片61。待测样品为吡啶，液体采用1mL浓缩的银溶胶，加入10uL、1M的NaCl盐溶液，终浓度约为10mM。
金属纳米颗粒的材料采用银，银纳米颗粒的直径约60nm，球形。
诱导光装置1包括：近红外激光器11、第一电子快门12和耦合透镜组13；其中，近红外激光器1发出波长1064nm的单横模激光，经第一电子快门12，由耦合透镜组13扩束后，光束的直径大于物镜的后瞳的直径，形成诱导光。
激发光装置2包括：固体激光器21、第二电子快门22和扩束镜组23；其中，固体激光器21发出532nm(500mW)TEM00模激光，由扩束镜组扩束23，形成激发光，在扩束镜组中设置第二电子快门22。
照明光装置8设置在样品池的上面，照明光装置包括明场照明卤素灯81和聚光镜82，明场照明卤素灯81发射出明场光，由聚光镜82聚焦后照射在样品池6中，样品经物镜5聚焦后，经第一二向色镜4和第二二向色镜83透射，成像在成像装置84上，成像装置84经数据线连接至监视器85，实时显示样品池内部的待测样品。成像装置84通过数据线连接至计算机9，实现对成像装置的控制。成像装置采用CCD相机。
本实施例的液体中激光诱导增强拉曼光谱的检测方法包括：
1)样品制备：
a)金属颗粒制备：金属纳米颗粒采用银，银纳米颗粒存在于银溶胶中；
b)样品制备：99％分析纯浓度的吡啶稀释10倍，配制1M的NaCl溶液；
c)将10uLNaCl溶液，8uL吡啶注入1mL银溶胶中混合均匀；
d)注入样品池，盖上盖玻片。
2)打开照明光装置，照明光装置发射出明场光，照射在样品池中，经物镜聚焦后，分别经第一和第二二向色镜透射后，成像在成像装置上，并将图像传输至监视器，实时显示样品池内部的待测样品。
3)关闭照明光装置。
4)打开诱导光装置，诱导光装置发出1064nm激光作为诱导光，经合束镜后，再经第一二向色镜反射进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点位于悬浮在样品池中的待测样品上，距样品池底部5～10μm，形成三维光阱，富集金属纳米颗粒于待测样品的表面。
5)打开激发光装置，激发光装置发出532nm(500mW)TEM00模激光，作为激发光，经合束镜与诱导光合束后，经第一二向色镜进入物镜，由高数值孔径的物镜高度聚焦，焦点同样位于样品池中的待测样品上，激发富集在待测样品表面的纳米金属颗粒产生局域表面等离子共振LSPR效应，同时激发待测样品产生拉曼信号，拉曼信号与局域表面等离子共振LSPR效应相互作用，形成激光诱导增强拉曼信号。
6)激光诱导增强拉曼信号由物镜收集，经第一二向色镜与诱导光和激发光分路，经第二二向色镜与照明光分路，经过激发光滤波器，再经聚焦透镜聚焦后，进入拉曼光谱仪，得到激光诱导增强拉曼光谱。拉曼光谱由光谱仪附带的液氮制冷光谱CCD接收。
7)拉曼光谱仪将数据传输至计算机，分析激光诱导增强拉曼光谱得到待测样品的成分和相对含量。
图2是本实施例的激光诱导增强拉曼光谱装置所采集的一组数据。图2中X表示拉曼位移，单位cm-1；Y轴表示拉曼散射光强，任意单位。光滑实线表示激光诱导增强拉曼谱信号，贴近X轴的带三角标记实线表示自发拉曼谱信号。自发拉曼组用蒸馏水代替纳米银颗粒，其他与实验组保持一致。
在本发明的激光诱导增强拉曼光谱装置下，吡啶分子增强拉曼与自发拉曼光谱信号相比，增强超过两个数量级。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。