一种增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法

1.本发明涉及基于表面增强拉曼散射光谱的定量分析技术领域，更为具体地，涉及一种增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法。


背景技术：

2.表面增强拉曼散射(sers)光谱技术已成为一种重要的非弹性散射光谱分析方法，具有速度快、灵敏度高、制样简单、指纹特性准确等优点，在生化检测、有机污染物检测、医药分析、农药残留和食品添加剂检测等诸多领域中有着广阔的应用前景。从传统贵金属(金、银、铜)纳米结构sers基片到半导体sers基片，在基片开发领域已取得巨大进步，但提升基片灵敏度、稳定性、均匀性仍是该领域研究热点，同时柔性sers基片、针尖增强拉曼散射技术(ters)、电化学与表面增强拉曼散射耦合技术也在不断拓展表面增强拉曼散射技术的应用范围。虽然在基于sers技术定性分析方面已取得巨大进步，但sers技术在半定量和定量分析领域仍未建立类似于x射线衍射或者x射线光电子能谱等技术的通用半定量及定量分析方法，主要是因为对于给定分子和sers基片构成的系统，在确定激发波长下增强机制的定量化解析依然面临诸多困难。
3.对于sers光谱，实际测试中出现的光谱强度波动是半定量和定量分析中的重要干扰因素，这一干扰使基于目标物浓度/含量与拉曼散射特征峰强度的工作曲线关系不具有通用性。sers光谱强度容易受到实际测试条件波动、sers基片均匀性差及不同批次间差异性等因素的影响，导致实际sers光谱强度发生很大波动。化学计量学的分析方法及机器学习的算法都已被用于sers光谱的定量分析研究，研究发现，相比于绝对强度，表面增强拉曼散射光谱的相对强度能够有效降低绝对强度波动给定量分析带来的影响，但目前尚未建立起通用的半定量和定量分析方法。基于内标方法的相对灵敏度因子(relative sensitive factor,rsf)是半定量和定量分析中的常用方法，如在x射线光电子能谱中，不同元素的rsf可用于样品表面元素的定量分析。目前在sers光谱定量分析中采用的相对峰强度法，也是利用相对强度内标法开展定量分析，但目前对分子在增强状态下拉曼散射截面随sers基片增强效果的变化规律尚不清楚。
4.综上所述，目前在sers光谱定量分析技术中缺少一种通用性的半定量和定量分析方法。


技术实现要素：

5.鉴于上述讨论，本发明的目的是提供一种增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，以解决目前sers光谱定量分析技术中缺少一种通用性的半定量和定量分析方法这一问题。
6.本发明提供一种增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，包括如下步骤：
7.s1、采用浸泡吸附的方式，测试不同分子的拉曼散射强度与浸泡吸附时间的关系，
得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图；
8.s2、对所述不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图进行吸附动力学曲线拟合处理，得到不同分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度；
9.s3、选定一分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度作为参考，并通过将其它分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度与选定的分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度进行比较，得到所述其它分子的相对拉曼散射截面数值。
10.此外，优选的方案是，所述采用浸泡吸附的方式，测试不同分子的拉曼散射特征峰强度与浸泡吸附时间的关系，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图包括：
11.将表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制所述样品的吸附时间，得到在不同吸附时间时不同吸附量的样品；
12.对所述不同吸附量的样品采集表面增强拉曼散射光谱，得到不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱；
13.根据所述不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱，计算每种分子在不同吸附时间时的拉曼散射特征峰强度，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图。
14.此外，优选的方案是，在所述将表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制所述样品的吸附时间，得到在不同吸附时间时不同吸附量的样品的过程中，是将同一批次的表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制所述样品的吸附时间，得到各分子不同吸附量的样品。
15.此外，优选的方案是，所述根据所述不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱，计算每种分子在不同吸附时间时的拉曼散射特征峰强度，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图包括：
16.根据所述不同分子在样品表面的增强拉曼散射光谱，对于每种分子，将该分子的主要表面增强拉曼散射特征峰作为选定拉曼散射特征峰；
17.计算所述选定拉曼散射特征峰的强度；
18.建立所述选定拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系，得到不同分子的选定拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图。
19.此外，优选的方案是，在所述对所述不同吸附量的样品采集表面增强拉曼散射光谱，得到不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱的过程中，还包括：对所述从不同分子溶液中在不同吸附时间捞取出的样品进行表面残留溶液所包含分子的去除处理。
20.此外，优选的方案是，所述对所述从不同分子溶液中在不同吸附时间捞取出的样品进行表面残留溶液所包含分子的去除处理包括：
21.当所述样品表面残留溶液所包含的分子与所述表面增强拉曼散射基片间为化学吸附关系时，采用溶剂冲洗的方式去除残留分子；
22.当所述样品表面残留溶液所包含的分子与所述表面增强拉曼散射基片间为物理吸附关系时，采用减少样品表面所残留液膜厚度的方式去除残留分子。
23.此外，优选的方案是，构建基于所述任一分子做为参考的分子相对拉曼散射截面数据库。
24.从上述技术方案可知，本发明提供的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，通过利用分子吸附动力学过程得到分子在相同表面覆盖度下的相对拉曼散射截面，所测量的分子相对拉曼散射截面，在表面性质相同而几何形貌不同的表面增强拉曼散射基片间具有通用性，可有效降低表面增强拉曼散射基片均匀性、批次间差异性、测试条件波动、几何形貌变化等因素对定量分析带来的干扰，可据此建立分子间相对拉曼散射截面数据库，使sers技术能类似于x射线光电子能谱，在同类型基片间不需要反复建立工作曲线即可直接利用sers光谱和分子相对拉曼散射截面数值直接开展定量分析，在微痕量分子定量分析领域有着广阔的应用前景和必要的基础支撑作用。
25.为实现上述及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征，下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅是可使用本发明原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
26.通过参考以下结合附图的说明，将对本发明进行更全面的解释，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
27.图1为根据本发明实施例的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法的流程示意图；
28.图2为根据本发明实施例的不同分子在银纳米结构基片上的表面增强拉曼散射光谱图；
29.图3为根据本发明实施例的4-mba分子1074cm-1
拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系曲线图；
30.图4为根据本发明实施例的1,2-bdt分子1034cm-1
拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系曲线图；
31.图5为根据本发明实施例的2-nat分子1064cm-1
拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系曲线图。
32.在附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
33.在下面的描述中，出于说明的目的，为提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了更多具体细节。然而，这些具体细节是说明性的而并非限制性，不能依据实施例的具体细节对本专利进行限制。
34.针对前述提出的目前sers光谱定量分析技术中缺少一种通用性的半定量和定量分析方法这一问题，提出了一种增增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法。
35.以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
36.为了说明本发明提供的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，图1示出了根据本发明实施例的增强状态下分子相对拉曼散射截面的测量流程；图2示出了根据本发明实施例的不同分子在银纳米结构上的表面增强拉曼散射光谱；图3示出了根据本发明实施例的4-mba分子拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系；图4示出了根据本发明实
施例的1,2-bdt分子拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系；图5示出了根据本发明实施例的2-nat分子拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系。
37.如图1至图5共同所示，本发明提供的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，包括如下步骤：
38.s1、采用浸泡吸附的方式，测试不同分子的拉曼散射强度与浸泡吸附时间的关系，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图；
39.s2、对不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图进行吸附动力学曲线拟合处理，得到不同分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度；
40.s3、选定一分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度作为参考，并通过将其它分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度与选定分子在满覆盖度下的拉曼散射特征峰强度进行比较，得到所述其它分子的相对拉曼散射截面数值。
41.通过吸附动力学过程可测试得到相同表面覆盖度下的分子相对拉曼散射截面，所测定的分子相对拉曼散射截面，在表面性质相同而几何形貌不同的sers基片间具有通用性，可降低sers基片均匀性、批次间差异性、测试条件波动、几何形貌变化等因素对定量分析带来的影响。据此可建立分子相对拉曼散射截面数据库，使sers光谱技术能类似于x射线光电子能谱技术，无需建立工作曲线即可直接利用sers光谱相对拉曼散射特征峰强度与分子相对拉曼散射截面开展定量分析，在微痕量分子定量分析领域有着广阔的应用前景和重要的基础支撑作用。
42.通过曲线拟合的方式，可提升相对拉曼散射截面的测量准确度，减小同批次不同样品间差异对测试结果的影响。
43.作为本发明的一个优选方案，采用浸泡吸附的方式，测试不同分子的拉曼散射特征峰强度与浸泡吸附时间的关系，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图包括：
44.将表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制样品的吸附时间，得到在不同吸附时间时不同吸附量的样品；
45.对不同吸附量的样品采集表面增强拉曼散射光谱，得到不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱；
46.根据不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱，计算每种分子在不同吸附时间时的拉曼散射特征峰强度，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图。
47.通过将sers基片(即表面增强拉曼散射基片)样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制吸附时间，得到不同吸附量的样品，对不同吸附量的样品进行sers光谱测试，从而得到各分子不同吸附量样品的sers光谱，然后根据各样品sers光谱计算每种分子在不同吸附时间的拉曼散射特征峰强度，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图。其中，预设浓度可根据不同分子的吸附动力学过程进行设定，只要保证不同分子吸附满一个单层的时间合适即可。
48.作为本发明的一个优选方案，在将表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制所述样品的吸附时间，得到在不同吸附时间时不同吸附量的样品的过程中，是将同一批次的表面增强拉曼散射基片样品置于预设浓度的不同分子溶液中进行浸泡吸附，通过控制样品的吸附时间，得到各分子不同吸附量的样品。
49.选择同一批次的sers基片样品，可降低测试过程中不同批次间sers基片样品差异性对测试结果的影响。
50.作为本发明的一个优选方案，根据不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱，计算每种分子在不同吸附时间时的拉曼散射特征峰强度，得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图包括：
51.根据不同分子在样品表面的增强拉曼散射光谱，对于每种分子，将该分子的主要表面增强拉曼散射特征峰作为选定拉曼散射特征峰；
52.计算选定拉曼散射特征峰的强度；
53.建立选定拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系，得到不同分子的选定拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系图。
54.作为本发明的一个优选方案，在对不同吸附量的样品采集表面增强拉曼散射光谱，得到不同分子吸附量样品的表面增强拉曼散射光谱的过程中，还包括：
55.对从不同分子溶液中在不同吸附时间捞取出的样品进行表面残留溶液所包含分子的去除处理。降低表面残留溶液中所含分子对sers光谱测试结果的影响。
56.作为本发明的一个优选方案，对从不同分子溶液中在不同吸附时间捞取出的样品进行表面残留溶液所包含分子的去除处理包括：
57.当样品表面残留溶液所包含的分子与表面增强拉曼散射基片间为化学吸附关系时，采用溶剂冲洗的方式去除残留分子；
58.当样品表面残留溶液所包含的分子与表面增强拉曼散射基片间为物理吸附关系时，采用减少样品表面所残留液膜厚度的方式去除残留分子。
59.对于与sers基片表面吸附方式不同的分子采用不同的去除方法，降低sers基片表面残留溶液所包含分子对测试结果的影响。当分子在表面为化学吸附时，可对浸泡后的样品用溶剂冲洗，去除表面液膜中残留分子的影响，当分子在表面为物理吸附时，可通过选取较低的溶液浓度，并降低浸泡后样品表面所残留液膜的厚度来降低表面液膜中残留分子的影响。
60.作为本发明的一个优选方案，还包括：
61.构建基于某一选定分子作为参考的分子相对拉曼散射截面数据库。
62.此方法测定的吸附一个单层时的分子相对拉曼散射截面可直接用于表面吸附分子相对覆盖度的定量分析，是分子与sers基片所构成系统的本征特性参数，对于同类型sers基片，可构建分子拉曼散射特性数据库。
63.根据本发明提供方法测定的增强状态下分子相对拉曼散射截面可用于表面吸附分子相对覆盖度的定量分析和分子含量的定量分析。
64.为更好地对本发明提供的增强状态下分子相对拉曼散射截面的测量方法进行说明，提供以下具体实施例。
65.首先，通过浸泡吸附实验，测试得到不同分子的拉曼散射特征峰强度与吸附时间的关系曲线，进一步通过吸附动力学方程拟合得到增强状态下分子吸附满一个单层时的拉曼散射特征峰强度并计算得到分子间的相对拉曼散射截面数值，从而进一步研究分子相对拉曼散射截面与sers基片纳米结构几何形貌及表面性质的关系。选定三种药物中间体分子，包括4-巯基苯甲酸(4-mba)，1,2-苯二硫醇(1,2-bdt)，2-萘硫酚(2-nat)。通过将一系列
贵金属银纳米棒结构的sers基片在预设浓度(5
×
10-7
mol/l)的溶液浸泡不同的时间，测试其sers光谱，三种分子的表面增强拉曼散射光谱如图2所示，分别选定三种分子的拉曼散射特征峰位为1074cm-1
(4-mba)，1034cm-1
(1,2-bdt)，1064cm-1
(2-nat)，如图中虚线所标注。
66.三个分子的特征峰强度与浸泡吸附时间的关系曲线如图3至图5所示，通过吸附动力学方程拟合可得到吸附达一个单层时的拉曼散射特征峰强度，选定4-mba分子的1074cm-1
特征峰作为参考，可以得到1,2-bdt和2-nat分子的相对拉曼散射截面数值。同样，可测试得到各分子在不同几何形貌银纳米结构sers基片上的相对拉曼散射截面，表1示出了不同结构银sers基片所测定的分子相对拉曼散射截面：
[0067][0068]
表1
[0069]
由表1可看出，吸附一个单层时的分子相对拉曼散射截面不随sers基片纳米结构形貌发生变化，是分子与sers基片所构成系统的本征参数。
[0070]
更进一步，对于金纳米结构，表2示出了不同结构金sers基片所测定的分子相对拉曼散射截面：
[0071][0072]
表2
[0073]
从表2可以看出，对于不同金纳米结构sers基片，各分子相对拉曼散射截面保持不变。
[0074]
对比表1和表2可以发现，不同表面性质所对应的分子相对拉曼散射截面不同。因此，在增强状态下，对于表面性质相同而纳米结构几何形貌不同的sers基片与分子所构成的系统间，具有稳定的分子相对拉曼散射截面；而对于表面性质不同的sers基片与分子所构成的体系间，具有不同的分子相对拉曼散射截面。
[0075]
通过上述具体实施方式可看出，本发明提供的增强状态下分子相对拉曼散射截面的测量方法，利用分子的吸附过程得到分子在相同表面覆盖度下的相对拉曼散射截面，所测量的分子相对拉曼散射截面，在表面性质相同而几何形貌不同的sers基片间具有通用
性，可降低表面增强拉曼散射基片的均匀性、批次间差异性、测试条件波动、几何形貌变化等因素对定量分析带来的干扰，由此可构建分子相对拉曼散射截面数据库，使得sers技术能类似于x射线光电子能谱等技术，可直接利用所测定参数开展基于sers光谱的定量分析，在微痕量分子定量分析领域有着广阔的应用前景和重要的基础支撑作用。
[0076]
如上参照附图以实施例的方式描述了根据本发明提出的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的增强状态下相对拉曼散射截面的吸附动力学测量方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。