一种拉曼散射信号全反射样品瓶及其制备方法和应用与流程

1.本发明涉及拉曼光谱检测技术领域，具体涉及一种拉曼散射信号全反射样品瓶及其制备方法，以及将所述全反射样品瓶用于盛放液态样品并进行拉曼光谱检测的应用。


背景技术：

2.拉曼光谱(raman)富含样品化合物分子基团的信息，能够实现样本快速、无损、便捷的分析。并且raman操作比较简单、已广泛应用于医学、化学、物理及材料等领域，如用于开展包括分子振动相位关联的弛豫、分子间微观动态能量的转换、蛋白质构象动力学等在内的分子微观动力学研究，以及病理组织成像、生理指标定性定量分析、疾病辅助诊断等。由于拉曼是受特定波长的激发波长激发后产生的散射信号，信号本身微弱，且受荧光干扰和基线漂移的影响，raman的信噪比、灵敏度和分辨率比较低，很难直接用于浓度较低的液体样本的检测分析。
3.近年来，相关学者广泛开展了拉曼光谱信号增强方法研究，如专利cn201710026744.4《一种拉曼增强剂的制备及其应用》，制备获得了au/cu-ps复合微球表面增强溶胶，采用的是向样品中添加表面增强溶胶的方法实现增敏；专利cn201910333986.7《高重现性表面增强拉曼散射的基底材料及其使用方法》，制备获得了包括纳米金属粒子表面增强剂、疏水载体及液膜制备板在内的整套装置，使用过程较为繁琐；也有采用傅里叶变换拉曼光谱、激光共振拉曼光谱及高温激光拉曼光谱等，但是对于浓度较低的液体样品而言，拉曼光谱的灵敏度仍然不够高，其适用范围较窄，通常只能检测具有较高浓度(≥1％)的样品。
4.相比红外光谱，拉曼光谱可得到更为丰富的谱带，例如：s＝s、s-s、n＝n、c＝c、c≡c及o2等红外较弱的官能团，在拉曼光谱中信号较为强烈。由于激光束的直径较小，且可进一步聚焦，因而极微量样品都可测量。由于水的拉曼散射却极微弱，因而水溶液样品可直接进行测量，这对生物大分子的研究非常有利，可以在接近自然状态下研究生物分子。因此，拉曼光谱在生物代谢样品中的分析检测方面具有独特的优势，可提供快速、简单、可重复、无损伤的定性定量分析。
5.传统的拉曼光谱测量系统测量液态样品一般采用90
°
几何散射结构，有效激发光程小。由于拉曼散射截面小，其量子效率只有10-10
～10-4
，导致其在低浓度液体样本中应用受到限制。因此需要设计适宜盛放液态样品并进行拉曼光谱检测的容器。
6.鉴于此，特提出本发明。


技术实现要素：

7.针对现有技术存在的问题，本发明的第一目的在于提供一种拉曼散射信号全反射样品瓶，其包括彼此套合的内芯和瓶体，能够盛装液态样品并进行拉曼光谱检测。
8.本发明的第二目的在于提供上述全反射样品瓶的制备方法，通过在瓶体和内芯上涂覆特定的聚合物溶液并形成涂覆层，能够实现拉曼散射信号增强。
9.本发明的第三目的在于提供上述全反射样品瓶在拉曼光谱检测中的应用。
10.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
11.本发明涉及一种拉曼散射信号全反射样品瓶，包括瓶体、内芯和密封盖，
12.其中，所述瓶体为圆柱体，其一端为封闭端，另一端为开口端，所述开口端设有供所述内芯伸入的容纳腔，所述容纳腔从所述开口端向所述封闭端延伸形成圆柱体的容纳空间，
13.所述内芯一端位于所述圆柱体空间内，另一端延伸至所述瓶体的开口端，
14.所述密封盖可拆卸设置于所述瓶体的开口端，用于对所述开口端进行封闭。
15.优选地，所述内芯一端位于所述容纳腔内，并向远离所述瓶体的开口端的方向延伸，直至与所述瓶体的封闭端重合。
16.优选地，所述内芯与所述瓶体之间具有间隙，在所述内芯外侧与所述瓶体内侧均具有涂覆层。
17.优选地，所述瓶体的开口端设有外螺纹，所述密封盖设有与所述开口端外螺纹相对应的内螺纹，所述瓶体的开口端与所述密封盖通过螺纹连接。
18.优选地，所述样品瓶还包括遮光板，所述遮光板为环形板，位于所述瓶体与所述密封盖之间，且所述遮光板的外径大于所述瓶体与所述密封盖的外径。
19.优选地，所述遮光板的内环直径介于所述瓶体与所述密封盖之间，装配时将所述遮光板置于所述瓶体开口端与所述密封盖之间，然后拧紧密封盖。
20.优选地，所述瓶体和内芯均采用无色透明材料，所述无色透明材料选自钙钠玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。
21.优选地，通过向所述内芯外侧与所述瓶体内侧涂覆氟树脂溶液，从而制备涂覆层，所述氟树脂溶液的制备方法包括以下步骤：
22.(1)向三氟三氯乙烷中加入引发剂、四氟乙烯和1,3-二氧杂环戊烯，搅拌条件下发生共聚反应，得到共聚物溶液；
23.优选地，所述四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯的摩尔比为1:(3～4)，引发剂为全氟丙酰过氧化物，引发剂加入量为所述四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯用量之和的1质量％。
24.优选地，所述共聚反应的温度为60～80℃，时间为3～8min。
25.(2)将所述共聚物溶液溶于全氟(2-丁基四氢呋喃)中，得到所述氟树脂溶液。
26.优选地，所述共聚物溶液与所述全氟(2-丁基四氢呋喃)的质量比为1:(20～40)。
27.本发明还涉及所述样品瓶的制备方法，包括采用喷涂、旋转刷涂或动态扩散涂渍的方式，将所述氟树脂溶液涂覆于所述内芯外侧与所述瓶体内侧，干燥后形成所述涂覆层。
28.优选地，所述涂覆层的厚度为20～50μm。涂覆完成后在210～260℃处理3～7min，得到所述样品瓶。
29.本发明还涉及所述样品瓶在拉曼光谱检测液态样品中的应用。
30.本发明的有益效果：
31.本发明提供了一种拉曼散射信号全反射样品瓶，其包括彼此套合的内芯和瓶体。内芯能够起到占容作用，采用较少的样品量就可以进行检测，通过向所述内芯外侧与瓶体内侧涂覆氟树脂溶液，能够实现光在涂覆界面的全反射，从而增强其内盛装的液态样品的拉曼光谱检测信号。
32.所述样品瓶涂覆结构牢靠，可重复使用，安全可靠。将其用于样品检测时不添加任何化学试剂，采用物理方法解决拉曼散射信号的增强问题。利用液芯波导管内激发光全反射累积采集方法，可以有效增强受激分子拉曼光谱信号强度。此外，液芯波导中的光漂白效应可以消除荧光背景，光散射机制有利于拉曼信号的增益。
附图说明
33.图1为本发明中的拉曼散射信号全反射样品瓶工作原理示意图；
34.图2为本发明中的拉曼散射信号全反射样品瓶的结构示意图；
35.图3为本发明中的全反射样品瓶对乙二醇拉曼散射信号的增强效果图；
36.图4为本发明中的全反射样品瓶对硝酸钠溶液拉曼散射信号的增强效果图。
37.其中，1-瓶体；
38.11-封闭端；12-开口端；
39.2-内芯；
40.3-间隙；
41.4-密封盖；
42.5-遮光板。
具体实施方式
43.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
44.〔全反射样品瓶〕
45.本发明实施例涉及一种拉曼散射信号全反射样品瓶，如图1和2所示，包括瓶体、内芯和密封盖。
46.其中，瓶体1为圆柱体，其一端为封闭端11，另一端为开口端12。在图1和2中，封闭端11为瓶体1下端，开口端12为瓶体1上端。在开口端12设有供内芯2伸入的容纳腔，该容纳腔从开口端12向封闭端11延伸形成圆柱体的容纳空间，用于容纳内芯2。
47.内芯2一端位于容纳腔内，另一端延伸至瓶体1的开口端12。内芯2能够起到占容作用，实现较少的样品量就可以进行检测。优选内芯2位于圆柱体空间内的一端延伸至瓶体1的封闭端11，并与封闭端11重合。这样可以最大利用瓶体1内部的长度空间，且内芯2与瓶体1之间的结合更加牢固。
48.密封盖4可拆卸设置于瓶体1的开口端12，用于对开口端12进行封闭，防止内芯2中的液体试样漏出。
49.在本发明的一个实施例中，由于要在样品瓶内部制备具有拉曼增强效应的涂覆层，为了避免该涂覆层直接与液体试样接触，将样品瓶设计为彼此套合的瓶体1和内芯2。在内芯2中盛装液体试样，内芯2与瓶体1之间具有间隙，在内芯2外侧与瓶体1内侧均具有涂覆层。优选在内芯2与瓶体1之间之间设有2～5mm的单边间隙3，这样能够使激发光在液体试样中反复激发产生拉曼散射，同时对瓶体1空间进行最大限度的利用。
50.在本发明的一个实施例中，为了实现密封盖4与瓶体1开口端12的可拆卸配合，在瓶体1的开口端12设有外螺纹，密封盖4设有与开口端12外螺纹相对应的内螺纹，瓶体1的开口端12与密封盖4通过螺纹连接。当然，密封盖4与瓶体1开口端12还可以采用其它的配合方式。
51.在本发明的一个实施例中，为了避免环境杂散光对检测的影响，样品瓶还包括遮光板5。遮光板5为环形板，位于瓶体1与密封盖4之间，遮光板5的外径大于瓶体1与密封盖4的外径。
52.进一步地，如图1和2所示，遮光板的内环直径介于瓶体1与密封盖4之间，装配时将遮光板5置于瓶体1开口端12与密封盖4之间，然后拧紧密封盖4。这样遮光板5被限位在瓶体1与密封盖4之间，且不会突然倾斜或脱落。
53.在本发明的一个实施例中，瓶体1直径为5mm～10mm，瓶体1高度为10mm～20mm；内芯2直径为3mm～8mm，瓶体1壁厚为0.6mm～1.5mm。为了较好地实现透光和散射，瓶体1和内芯2均采用无色透明材料，其材质为钙钠玻璃、硼硅玻璃或石英玻璃。密封盖4材质为聚丙烯或工程塑料，采用螺纹形式与瓶体1开口端12旋紧，内衬硅胶垫密封。遮光板5材质为工程塑料或聚丙烯，外径为10mm～15mm。
54.〔用于制备涂覆层的氟树脂溶液〕
55.本发明实施例通过向内芯外侧与瓶体内侧涂覆氟树脂溶液，从而制备涂覆层。氟树脂溶液为两种单体的共聚合产物，其反应式如下所示：
[0056][0057]
在本发明的一个实施例中，氟树脂溶液的制备方法包括以下步骤：
[0058]
(1)向三氟三氯乙烷中加入引发剂、四氟乙烯和1,3-二氧杂环戊烯，搅拌条件下发生共聚反应，得到共聚物溶液；
[0059]
进一步地，三氟三氯乙烷作为溶剂，四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯的摩尔比为1:(3～4)，引发剂为全氟丙酰过氧化物，引发剂加入量为四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯用量之和的1质量％。
[0060]
进一步地，共聚反应的温度为60～80℃，时间为3～8min。
[0061]
(2)将共聚物溶液溶于全氟(2-丁基四氢呋喃)中，得到氟树脂溶液。
[0062]
进一步地，全氟(2-丁基四氢呋喃)作为溶解共聚物溶液的溶剂，共聚物溶液与全氟(2-丁基四氢呋喃)的质量比为1:(20～40)。
[0063]
在本发明的一个具体实施例中，共聚合反应在一个带有搅拌功能的不锈钢槽式容器内密闭进行，容器外配置超声发生器，确保反应过程体系分散均匀。共聚合反应以三氟三氯乙烷作为溶剂，以四氟乙烯(cas116-14-3)和1,3-二氧杂环戊烯(cas37685-92-0)作为反应单体，两者按照1:3～1:4的摩尔比例混合，全氟丙酰过氧化物作为引发剂，引发剂加入量为四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯用量之和的1质量％。在搅拌器转速800r/min，超声功率
800w的条件下，70℃熔合5min，制备获得共聚物溶液。将该共聚物溶液按1:30的质量比溶解于全氟(2-丁基四氢呋喃)(fc-75)中，制备获得氟树脂溶液，用于后续样品瓶内壁的涂覆。
[0064]
〔涂覆层的制备〕
[0065]
本发明实施例采用喷涂、旋转刷涂或动态扩散涂渍的方式，将氟树脂溶液涂覆于内芯外侧与瓶体内侧。涂覆层的厚度为20～50μm。涂覆完成后在210～260℃处理3～7min，得到样品瓶。
[0066]
在本发明的一个实施例中，为确保氟树脂溶液在玻璃内壁有效牢固涂覆，采用1％氟硅酸盐溶液对样品瓶内壁进行惰化处理，处理温度为110℃，10min，使得内壁呈现毛玻璃样，便于涂覆操作。
[0067]
喷涂法：取氟树脂溶液1ml，通过微型蠕动泵，以0.1ml/min的速度注入同心v型雾化器中，采用0.2mpa高压氩气以流速5l/h的流速驱动雾化。雾化得到的树脂液体粒径在5μm以内，将其均匀的喷在样品瓶内壁，采用喷涂法得到的薄膜厚度在20～50μm。
[0068]
旋转刷涂法：取直径为2mm的球形玻璃珠或钢珠，浸入氟树脂溶液中1min，取出，表面均匀黏附一层树脂，然后置于样品瓶的瓶体和内芯之间，匀速旋转样品瓶5min，使得瓶内的球形珠与瓶壁反复摩擦，实现旋转刷涂树脂，采用本法得到的薄膜厚度为20～40μm。
[0069]
将涂覆完毕的样品瓶在245℃处理5min，将内壁黏附的氟系溶剂脱除，得到具有光全反射功能的无定型氟树脂涂覆样品瓶。通过向内芯外侧与瓶体内侧涂覆氟树脂溶液，能够实现光在涂覆界面的全反射，从而增强其内盛装的液态样品的拉曼光谱检测信号。
[0070]
本发明实施例还涉及上述样品瓶在拉曼光谱检测液态样品中的应用，其工作原理如图1所示。将盛有液态样品的样品瓶置于拉曼测试腔内，开启拉曼光谱仪激光器激发，激发光通过瓶体进入液态样品，激光在芯体与瓶体内壁之间进行全反射，实现在样品中反复激发产生拉曼散射信号的增强。从样品中散射出的光进入光谱仪检测器，得到待测样品的拉曼信号。
[0071]
实施例1
[0072]
1、样品瓶准备
[0073]
一种拉曼散射信号全反射样品瓶，包括瓶体、内芯、密封盖、遮光板、内芯涂覆层及瓶体内壁涂覆层。瓶体及芯体材质均为无色透明的钙钠玻璃，瓶体直径：5mm，瓶体高10mm；芯体直径3mm，瓶体壁厚0.6mm。瓶塞为聚丙烯材质，采用螺纹形式与瓶口旋紧，内衬硅胶垫密封。遮光板材质为工程塑料，外直径10mm。
[0074]
2、涂覆溶液制备
[0075]
瓶内壁涂覆溶液为氟树脂溶液，氟树脂为两种单体的共聚反应产物。共聚反应过程在一个带有搅拌功能的不锈钢槽式容器内密闭进行，容器外配置超声发生器，确保反应过程体系分散均匀。以三氟三氯乙烷作为溶剂，以四氟乙烯(cas116-14-3)和1,3-二氧杂环戊烯(cas37685-92-0)按照1：3摩尔比例混合。引发剂为全氟丙酰过氧化物，加入量为四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯用量之和的1质量％。搅拌器转速800r/min，超声功率800w的条件下，70℃熔合5min，制备获得共聚物溶液，按1:30的质量比溶解于fc-75中，制备获得树脂溶液，用于后续样品瓶内壁的涂覆。
[0076]
3、内壁涂覆
[0077]
为确保氟树脂溶液在玻璃内壁有效牢固涂覆，采用1％氟硅酸盐溶液对样品瓶内
壁进行惰化处理，处理温度为110℃，10min，使得内壁呈现毛玻璃样，便于涂覆操作。
[0078]
取氟树脂溶液1ml，通过微型蠕动泵，以0.1ml/min的速度注入同心v型雾化器中，采用0.2mpa高压氩气以流速5l/h的流速驱动雾化，雾化得到的树脂液体粒径在5μm以内，将其均匀的喷在样品瓶内壁，采用喷涂法得到的薄膜厚度在30μm。
[0079]
4、溶剂脱除及固化
[0080]
将涂覆完毕的样品瓶在245℃处理5min，将内壁黏附的氟系溶剂脱除，得到的具有光全反射功能的无定型氟树脂涂覆样品瓶。
[0081]
5、拉曼散射信号的增强效果
[0082]
采用拉曼光谱仪，以乙二醇为液态样品，对实施例1的树脂涂覆样品瓶和普通样品瓶分别进行测定。普通样品瓶仅有相同材质的玻璃瓶体、密封盖及遮光板，无涂覆层及内芯。设定拉曼功率400mw，激发波长785nm，拉曼信号采集积分时间10s，重复采集次数2次取平均值。本发明中的全反射样品瓶对乙二醇拉曼散射信号的增强效果图，以及普通样品瓶的检测效果见图3所示。具体为使用本发明的样品瓶，在乙二醇特征拉曼位移860cm-1
处，散射信号增强3.08倍。
[0083]
实施例2
[0084]
1、样品瓶准备
[0085]
一种拉曼散射信号全反射样品瓶，包括瓶体、内芯、密封盖、遮光板、内芯涂覆层及瓶体内壁涂覆层组成。瓶体及芯体材质均为无色透明的硼硅玻璃，瓶体直径：10mm，瓶体高20mm；芯体直径8mm，瓶体壁厚1.5mm。瓶塞为工程塑料材质，采用螺纹形式与瓶口旋紧，内衬硅胶垫密封。遮光板材质为聚丙烯，外直径15mm。
[0086]
2、涂覆溶液制备
[0087]
瓶内壁涂覆溶液为氟树脂溶液，氟树脂为两种单体的共聚反应产物。共聚反应过程在一个带有搅拌功能的不锈钢槽式容器内密闭进行，容器外配置超声发生器，确保反应过程体系分散均匀。以三氟三氯乙烷作为溶剂，以四氟乙烯(cas116-14-3)和1,3-二氧杂环戊烯(cas37685-92-0)；按照1：4摩尔比例混合，引发剂为全氟丙酰过氧化物，加入量为四氟乙烯与1,3-二氧杂环戊烯用量之和的1质量％。搅拌器转速800r/min，超声功率800w的条件下，70℃熔合5min，制备获得共聚物溶液，按1:30质量比溶解于fc-75中，制备获得树脂溶液，用于后续样品瓶内壁的涂覆。
[0088]
3、内壁涂覆
[0089]
为确保氟树脂溶液在玻璃内壁有效牢固涂覆，采用1％氟硅酸盐溶液对样品瓶内壁进行惰化处理，处理温度为110℃，10min，使得内壁呈现毛玻璃样，便于涂覆操作。
[0090]
旋转刷涂法：取直径为2mm的球形玻璃珠或钢珠，浸入氟树脂溶液中1min，取出，表面均匀黏附一层树脂，然后置于样品瓶的瓶体和内芯之间，匀速旋转样品瓶5min，使得瓶内的球形珠与瓶壁反复摩擦，实现旋转刷涂树脂，采用本法得到的薄膜厚度为20-40μm。
[0091]
4、溶剂脱除及固化
[0092]
将涂覆完毕的样品瓶在245℃处理5min，将内壁黏附的氟系溶剂脱除，得到的具有光全反射功能的无定型氟树脂涂覆样品瓶。
[0093]
5、拉曼散射信号的增强效果
[0094]
采用拉曼光谱仪，以质量分数为15％的硝酸钠水溶液为液态样品，对实施例1的树
脂涂覆样品瓶和普通样品瓶分别进行测定。设定拉曼功率400mw，激发波长785nm，拉曼信号采集积分时间10s，重复采集次数2次取平均值。本发明中的全反射样品瓶对15％硝酸钠溶液的拉曼散射信号的增强效果图，以及普通样品瓶的检测效果见图4所示。具体为使用本发明的样品瓶，在硝酸钠特征拉曼位移1045cm-1
处，散射信号增强3.02倍。
[0095]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。