壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱测试系统设计

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光谱 检测技术是物质分析检 测的重要手段之-，广泛应用于环境检测 、生物医学检测和军事等各个领域1-1。拉曼光谱技术是光谱检测技术中的-个重要分支。拉曼光谱技术(RS)是具有分子指纹信息的振动光谱 ，广泛应用于材料、化学 、物理、生命等领域。然而。-般的拉曼光谱技术存在着-个极大的缺陷 ，即散射截面非常小(每分子 10-30 10 cm2)，这将导致所获得的拉曼散射信号太小，检测灵敏度远低于其他光谱 ，限制了其应用领域。因此，直接使用拉曼光谱技术作为-种实用的测量工具几乎是不可能的。

为了解决这-问题 ↑三十年来 .具有超高灵敏度的表面增强拉曼光谱(SERS)技术将拉曼光谱检测灵敏度提高了百万倍3 1。1974年，Fleishmann等人发现f31，对光滑银 电极表面进行粗糙化处理后 .首次获得吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量的拉曼光谱。随后 Van Duyne及其合作者通过系统的实验和计算发现吸附在粗糙银表面上的每个吡啶分子 的拉曼散射信号与溶液相 中的吡啶的拉曼散射信号相 比，增强约 6个数量级(即-百万倍)，指出这是-种 与粗糙表面相关 的表 面增 强效应 .被称为SERS效应4。但是为了保证基底的 SERS效应 ，要求采用传统 的金属基底(如 Ag，Au，Cu等)，且表 面必须具有-定的粗糙度或者纳米结构 .这大大限制了SERS的实际应用。因此 。为了将 SERS技术拓展至非传统基底 ，人们开发了-系列的方法 。其 中，最引人注 目的是针尖增强拉曼光谱(TERS)ts- 1，是将待测物质(分子或者材料表面)与作为拉曼信号放大器的纳米级别的金针尖分离 。但是由于拉曼增强只来源于针尖区域 ，信号太弱。因此 ，迄今为止 TERS研究只局限于某些拉曼散射截面比较大的分子。

为了同时解决拉曼光谱技术信号太弱和基底材料及其表面形貌普适性差的问题 .2010年厦门大学田中群院士课题组提出了壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)技术8J，极大地拓宽 了拉曼光谱仪器的应用范围。

在文 中，为了促进该技术的推广应用 ，开发了基于 SHINERS技术的测试 系统 .实现了 SHINERS技术对痕量物质拉曼光谱的快速检测。

1 SHINERS1.1 激元增强拉曼光谱效应金属表面存在着大量的价电子 .它们 自由地运动在费米面内，由于库仑作用的长程性 。导致 电子系统存在着集体激发 。其密度起伏相对于原子核的正电荷背景而言。形成-个正负离子的集体振荡 ，称为表面离子体激元(surface plasmon)，如图 1所示 。被激图 t人 射光 激发金 属纳 米球 型粒子 形成 的表 面离 子体激 兀Fig.1 Surface plasmon excited by the incident light to the metalnanoparticles发的表面等离子体激元 .会在纳米材料附近形成 比激发电场强数倍甚至数十倍 的电场 .其振动频率可表示为[91：、 ，Ne、2 ] (1)式 中： 为等离子体激元 的频率 ； 为周 围材料 的介 电常数 ；Ⅳ为价电子浓度 ；e为电子电量 ；m为电子有效质量； 为金属材料的介 电常数。

距半径为 r的纳米颗粒表面距离 d处 .由纳米金属颗粒的表面等离子体激元 引起的电场强度可表示为 ： ，3 (2)由于表面等离子体的极化场与入射光场方向上的-致性 。上式表示为简化后 的标量叠加 ，亦 即该处～###④-第 7期 范贤光等：壳层 隔绝纳米粒子增强拉 曼光谱测试 系统设计 1800的电场强度应该等于入射场与表面等离子体 电场 的叠加.即： 巴(1，3监8(t0)2m南 ) (3)式中：Eo的系数(1，3 )为增强因子。因此，当 8(∞)2 全小值时，可以获得最大的增强因子 。文中利用经过壳层隔绝处理的 Au纳米粒子作为激元增强的材料。

1.2 壳层隔绝纳米粒子SHINERS技术利用 包裹有极 薄的二氧化硅 或者氧化铝壳层(这里表示为 Au###SiO 或者 Au###AI203纳米粒子)的单层 Au纳米粒子代替 Au针尖(如图 2所示)。每个纳米粒子都可视为针尖隔离系统中-个Au针尖，因而这种方法相当于在待测基底表面同时引人 了上千个 TERS针尖。因此 ，壳层隔绝拉曼光谱技术能够获得所有纳米粒子共 同增强 的拉曼信号 ，比单个 TERS针尖大 2-3个数量级。此外 ，使用化学惰 性壳层包裹 Au纳米粒子还能 防止 SERS活性纳米结构直接接触待测物质。这种壳层隔绝模式最大的优点就是它具有更高 的检测灵敏度 ，并且可在任何基底材料和任何形状 的电极表面上应用。

图2 SHINERS技术示意图[91Fig.2 W orking principle of the SHINERS2 基于 SHINERS技术的拉曼光谱测试系统文中所开发的基于 SHINERS技术 的测试系统 ，其原理如图 3所示。该系统包括 3大拈，即光学模块 、机械拈和电气控制拈。首先 ，待测物(如液态样本)被盛放在样本槽中，然后利用光学拈产生激光并照射被测物 ，同时收集被测物上的散射信号。机械模块即粒子施加装置 ，用于 自动地将 SHINERS粒子定量 自动施加到被测样本中。而电气控制拈则用于控制其余两个拈并通过 USB接 口与计算机相连接。

M eehanical module图3基于 SINERS技术的拉曼光谱测试系统原理图Fig.3 Schematic diagram of the measurement system basedon SHINERS2.1 光学拈光学拈主要 由 3部分组成 ：激光光源、光谱仪和光纤探头。

其中，系统采用的光源是波长为 785Bil的高功率蝶型激光器(线宽≤0.2nm)，其内部采用布拉格-光栅(VBG)技术以稳定激光波长 .以便将其用于窄带拉曼光谱测量。同时，为了进-步保证在工作过程中，激光器发射的激光波长的稳定性 ，必须保证激光器的工作温度和光功率的稳定。这在电气控制拈中有相应的温度控制器和光功率反镭制电路相配合。

光谱仪用于测量从被测物上散射回来的拉曼信号，由焦距为 101.6mtn的线性 CCD阵列组成 ，其光谱 的测试范围为 165～l 100nm。与激光器相同，光谱仪在工作时同样需要进行温度控制，在 电气控制模块 中有相应 的控制电路。

激光器管芯和光谱仪中的 CCD器件的温度控制都是借助温度执行器件-热电制冷器(TEC)，以及温度传感器-负温度系数的热敏电阻(参数 B3450)，TEC和热敏电阻二者构成的全闭环 PID控制系统来实现 自动温度控制。

光纤探头的功能是向被测样品发射激光 ，在接收光路上滤除包括激光在 内的非拉曼信号 ，并将信号导人分光系统进行测量 。光纤探头的结构如图 4所示 .它是-个 同轴的双光纤探头 ：-个光纤用于发射激光，另-个用于收集散射光。两个光纤探头的重叠部分共用-个透镜 ，该透镜既用于对发射激光进行调焦，又用于收集散射光。

1801 红外与激光 工程 第 42卷 Scattering path。 。 。。 。。 。。 。。 Commonpath图 4光纤探 头结 构 图Fig.4 Structure of the fiber optic probe2.2 机械模 块机械拈仅包含 SHINERS粒子的施加装置 .其功能是将 SHIENRS粒子添加到被测物质中，并与被测物质充分混合 。所设计 的 SHINERS粒子的施加装置，如图 5所示。由于食品的物质形态-般为固态和液态 ，因此 ，图 5分别给出了针对于这两种物质形态的 SHINERS粒子施加装置示意图。

(a)被测物为固态(a)Solid samples(b)被 测物 为液态(b)Liquid sam ples图5 SHINERS粒子施加装置示意图Fig.5 Giving device for SHINERS图 5(a)和(b)分别对应被测物为固态和液态时的SHINERS粒子施加装置 ，分别利用喷雾器和蠕动泵将 SHINERS粒子和被测物质进行混合 。对于液态的被测物 ，还需利用搅拌器进行充分搅拌 。喷雾器 、蠕动泵和搅拌器均由主控系统进行控制 。能够实现 自动定量地将 SHINERS粒子施加到被测物质中。

2.3 电气控制拈电气控制拈 由计算机及其软件进行控制 。并通过 USB接 口实现计算机与电气拈之间的通信 。

电气控制拈采用双处理器模式 ，ARM (Cortex A8)和 DSP(TMS320C6713)分别用 于系统的控制显示和数据的处理 .并在 ARM 处理器上加载 WinCE操作系统。因此，电气控制拈也可以脱离计算机独立工作。电气控制拈的主要功能如下 ：(1)接收计算机的命令和参数 ，并将测试结果传输给计算机 ；(2)对接收到的拉曼信号进行硬件算法处理，如平滑 、滤波和基线校正等 ；(3)控制 DA和 AD转换器 ，并实现同步的数据采集 ：(4)使用负反镭制策略控制激光器的驱动 电流和光功率以保证发射激光的稳定性。这里 .光功率的范围为 10～500mW ：(5)控制激光器的工作温度 ，温度控制范围为0-60 oC，控制精度优于 0.1℃，稳定度为±0.05℃；(6)驱动 CCD并控制其工作温度。

3 实验与结果3.1 孔雀石绿的检测在实验 中，利用所开发的拉曼光谱测试系统测量孔雀石绿∽雀石绿是 日常生活中常见的对人体有害的有机物质 。常用于农贸市场鱼类的养殖。虽然已经被法律禁止用于渔业生产中，但是为了提高鱼类产品的鲜活率 .仍有不少商家超标使用。因此 ，需要对其进行严格的检测与控制。

在孔雀石绿 的检测 实验 中 .为了更好地 比较SHINERS技术对物质拉曼光谱信号的影响 ，分别检测未加人 SHINERS粒子的孔雀石绿溶液 以及加入SHINERS粒子之后的孔雀石绿溶液 。在实验 中，光功率设置为 100mW ，实验结果如图 6所示。在未加入 SHINERS粒子之前 .尽管使用了 10xlO 溶度的孔雀石绿溶液和 10 S的 CCD积分时间 ，测试系统仍然无法获得具有明显拉曼光谱特征峰的信号。然而 ，在加入 SHINERS粒子之后 。尽管只用了 lxl0 溶度的孔雀石绿溶液和 0.1 S的 CCD积分时间 ，测试系统能够很容易地检测到拉曼光谱特征峰信号。

因此 ，从实验中可看出，SHINE RS粒子能够在很大程度上增强物质的拉曼光谱特征峰的强度 ，使其更第 7期 范贤光等：壳层 隔绝纳米粒子增强拉 曼光谱 测试 系统设计 1802易于检测和识别，从而大大提高测试系统的灵敏度。

图 6孔 雀 石绿 的拉 曼光谱 图Fig.6 Raman spectroscopy of malachite green3.2 牛奶中三聚氰胺的检测为进- 步验证该 系统在食 品安全检测 中的性能 ，将其用于牛奶 中的三聚氰胺的检测。三聚氰胺是- 种对人体有害的有机化学物质 .国家法律禁止将其用作食品添加剂 。在国家多部委联合发布的《乳制品及含乳食品中三聚氰胺临时管理限量值》n伽中，严格规定乳制品中三聚氰胺的限量值为 2.5x10-6。

在实验中 ，利用该系统对含不同浓度三聚氰胺的牛奶进行 了检测。通过人为添加不同含量的三聚氰胺获得待测牛奶 .并利用该系统以体积 l：1的比例施加 SH/NERS粒子。系统的光功率设置为120 mW ，CCD积分时间设为 5 S。所获得的检测结果如图 7所示 。三聚氰胺 的拉曼光谱特征波峰处于 714 cm 附近，牛奶中含三聚氰胺 的浓度越高.则该位置的波峰越明显 .而未含有三聚氰胺 的空 白牛奶 ，则在该位置检测不到波峰。

4000020000，14 cm - -- ～ ， / I：≥乏耋i≥ ：二 二：：≥≮/ / 二：.二广 - 二 二.：/～/50 x10镏 ：2.5 x10M ilk600 8o。 l000Raman shift/cm 。

图 7含三聚氰胺牛奶的拉曼光谱图Fig.7 Raman spectroscopy of milk with melamine因此 ，从实验 中可看 出，所开发 的拉曼光谱测试系统以及 SHINERS技术能够用于食品安全的痕量物质检测 。具有较高的可靠性和有效性。

3.3 SHINERS技术与常见的食品检测技术比较通过 以上两个实验可以看出 .SHINERS技术具有较高的灵敏度和较短的检测时间。目前 ，常见的食品安全检测技术有两种 ，-种是常规检测方法 ，-种是快速检测方法～ SHINERS技术与 目前常见的检测方法进行比较 ，如表 1所示。表 l中，常规检测方法 的前处理包括粉碎 、称样、提取 、浓缩、过柱 、净化、浓缩、定容 、过膜和上机。从表 l中可看出.SHINERS技术无需前处理 .检测精度和准确度较高.检测速度快 ，且能够实现无损检测和现踌测 .与常规检测和快速检测方法相 比，具有较大的优势 .适用于食品的安全检测 。

表 1 SHINERS检测方法与现有检测方法对比Tab.1 Comparison between SH ERS detectionmethod and existing detection methodsSHINERs basedmethodConventional High-speeddetection detecfionmethod method4 结 论基于 SHINERS技术 ，研制 了等离激元增强拉曼光谱测试系统 .通过在被测物中添加壳层隔绝金属纳米粒子以增强被测物质的拉曼光谱信号强度。该系统能够 自动定量地 向被测 物质 中添加 SHINERS粒子 ，并检测其拉曼光谱 ，同时在线地对检测到的拉曼光谱信号进行处理。实验表明 ，基于壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术的测试系统能够有效地提高拉曼光谱的检测灵敏度 、缩短测试时间，适用于食品安全的快速检测。