引用本文
司赶上, 刘家祥, 李振钢, 宁志强, 方勇华, 程真, 斯贝贝, 杨长平. 基于新型样品池的液体拉曼光谱增强方法研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2023,43(3): 712-717.
SI Gan-shang, LIU Jia-xiang, LI Zhen-gang, NING Zhi-qiang, FANG Yong-hua, CHENG Zhen, SI Bei-bei, YANG Chang-ping. Raman Signal Enhancement for Liquid Detection Using a New Sample Cell[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2023,43(3): 712-717.
Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2023)03-0712-06  
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基于新型样品池的液体拉曼光谱增强方法研究
司赶上1,2, 刘家祥1, 李振钢1,2, 宁志强1,2, 方勇华1,2,*, 程真1,2, 斯贝贝1,2, 杨长平1,2
1.中国科学院合肥物质科学研究院, 安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2.中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
*通讯作者 e-mail: yhfang@aiofm.ac.cn

作者简介: 司赶上, 1992年生, 中国科学院合肥物质科学研究院博士研究生 e-mail: oucsgs0903@126.com

收稿日期: 2022-02-07 修回日期: 2022-07-05 接受日期: 2022-07-05
基金: 国家自然科学基金项目(61875207), 中国科学院科研仪器设备研制项目课题(YJKYYQ20190050), 安徽省杰出青年科学基金项目(1908085J23)资助
摘要

拉曼光谱技术在液体检测方面具有诸多优点, 如多组分同时探测、 非接触、 检测周期短、 分子指纹特性等, 已成功用于多个领域的样品分析, 但是较低的探测灵敏度制约了该技术的进一步发展。 为了提高液体样品拉曼光谱探测灵敏度, 文章报道了一种基于新型液体样品池的拉曼光谱增强方法。 该方法在传统比色皿底端加入一个凹面反射镜, 一方面可以使作用于样品后的激光再次反射聚焦重新作用于样品, 另一方面凹面反射镜可以使拉曼光谱探测装置同时收集前向与后向拉曼散射信号, 相较于传统拉曼光谱技术该方法可提高液体拉曼探测灵敏度。 首先理论分析了影响拉曼散射强度的因素以及在非偏振光激发下拉曼散射信号强度与收集角度之间的关系, 得出结论: 当收集角度相较于光源传播方向为前向或后向时(即0°或180°)拉曼散射强度最大, 为样品池的设计提供理论基础。 进一步设计并制作了一种新型样品池, 采用UV胶将镀银凹面反射镜(直径12.5 mm, 焦距10 mm)与石英管(外径12 mm, 壁厚1 mm, 长度30 mm)粘合形成新型液体样品池。 为了验证新型样品池的效果, 搭建了785 nm拉曼探头装置并开展了相关实验研究, 对三种典型的液体样品(75%乙醇、 异丙醇、 甲醇)进行探测并与传统比色皿的探测效果进行对比, 结果表明: 新型样品池对不同液体样品探测灵敏度均有明显的增强, 增强因子近4倍。 为了分析新型样品池制作方法的重复性, 制作了3个样品池, 实验对比了三个样品池的探测效果, 并对其结果进行分析。 为了验证该方法对低浓度样品的探测能力, 对稀释20倍的75%乙醇溶液进行探测, 利用新型样品池可获得样品的拉曼光谱信息, 而传统拉曼光谱技术无法获得有效的拉曼信号。 上述结果表明报道的新型样品池具有结构简单、 适用范围广的优点, 且可有效提高液体拉曼光谱探测灵敏度。

关键词: 拉曼光谱技术; 液体探测; 灵敏度; 新型样品池
中图分类号:O433.1 文献标志码:A
Raman Signal Enhancement for Liquid Detection Using a New Sample Cell
SI Gan-shang1,2, LIU Jia-xiang1, LI Zhen-gang1,2, NING Zhi-qiang1,2, FANG Yong-hua1,2,*, CHENG Zhen1,2, SI Bei-bei1,2, YANG Chang-ping1,2
1. Key Laboratory of Environmental Optics and Technology, Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei 230031, China
2. University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
*Corresponding author
Abstract

The most significant advantages include multi-component, noncontact detection, short testing period and molecular fingerprint characteristics. Raman spectroscopy has been successfully used in many fields. However, the low Raman-scattering signal limits its further development. In order to improve the sensitivity of Raman liquid detection, a method for enhancing the liquid Raman signal based on a new sample cell is reported in this paper. A concave mirror is added to the bottom of the traditional cuvette. On the one hand, the laser can be reflected and focused again after acting on the sample. On the other hand, the Raman scattering signals of forward and backward are collected by the setup at the same time. Thereby the Raman signal can be improved. Firstly, the influencing factors of Raman scattering intensity and the relationship between the Raman scattering signal intensity and the collection angle excited by unpolarized light are analyzed theoretically. It is concluded that the scattering intensity is the largest when the collection angle is forward and backward (0° or 180°). A new sample cell was designed, and the silver-plated concave mirror (diameter 12.5 mm, focal length 10 mm) and quartz tube (outer diameter 12 mm, wall thickness 1 mm, length 30 mm) was bonded with UV glue to form a liquid sample cell. A 785 nm Raman probe setup was used to conduct relevant experimental research, and different samples (75% ethanol, isopropanol, methanol) were detected and compared with traditional cuvettes. The results showed that the new sample cell is effective for different liquid samples, and the detection sensitivity can be improved, the enhancement factor is nearly 4 times. In order to analyze the repeatability of the new sample cell manufacturing method, the detection effects of the three sample cells were compared in the experiment. Lastly, to verify the detection ability of low-concentration samples, the 75% ethanol solution diluted 20 times was detected using the new sample cell. The result shows that the new sample can obtain effective Raman spectroscopy information. The experimental results prove that the new sample cell can improve the detection sensitivity of liquid Raman spectroscopy. It has a simple structure and a wide range of applications.

Keyword: Raman spectroscopy; Liquid detection; Detection sensitivity; New sample cell
引言

拉曼光谱技术具有检测周期短、 多组分同时探测、 无需样品制备的优势被广泛用于危化品检测[1]、 食品安全[2]、 生物医学[3]及海洋探测[4, 5]等诸多领域, 但是灵敏度不足的问题限制了该技术的进一步发展。 为了提高拉曼光谱液体探测灵敏度, 目前常用的方法主要有表面增强拉曼光谱技术[6]、 光纤增强拉曼光谱技术[7, 8]、 共振增强拉曼光谱技术[3]等。 虽然这些技术在液体拉曼灵敏度提高方面具有明显的优势, 但是也存在一些不足, 如表面增强拉曼光谱技术基底具有选择性且重复性不高, 光纤增强拉曼光谱技术存在着进样困难问题而共振拉曼光谱技术需要波长调谐激光器, 通常对于生物样品效果较好。

实际上, 激光作用于样品后产生拉曼散射在空间中各个方向均有分布, 常规的拉曼装置仅对后向散射进行收集, 造成信号的损失。 针对此问题, 诸多学者采用不同方法对此进行改进。 Tian等利用抛物面反射镜增大收集立体角从而实现更高的探测灵敏度, 拉曼信号增强了3.15~4.24倍[9]。 Liu等设计了一个锥形光束整形器和一个自由曲面分段反射器用于表面增强拉曼光谱分析, 提高光谱信号收集效率, 文章结果表明相较于传统技术罗丹明B的拉曼信号强度提高30%[10]。 Lewis等采用镜面不锈钢板对生物组织和细胞进行探测, 利用基底镜面反射特点可对前后向拉曼散射信号进行收集, 并使激光两次作用于样品, 从而提高拉曼光谱探测灵敏度, 实验结果表明相较于传统氟化钙基底, 组织样品的拉曼信号提高1.43倍, 细胞样品的拉曼信号提高1.64倍[11]。

为进一步探索液体样品的拉曼光谱灵敏度增强方法, 设计了一种新型比色皿, 在传统比色皿底端引入镀银凹面反射镜, 并采用785 nm拉曼光谱探头装置对该样品池液体检测增强效果进行了评估。

1 理论分析与样品池设计
1.1 拉曼散射光强影响因素分析

激光作用样品时, 除了产生与入射光频率相同的弹性散射光以外, 还有频率分量与入射光不同的非弹性散射即拉曼信号。 关于激光作用样品产生拉曼信号强度可由式(1)[12]表示

Ii=kΩ∂σ∂ΩniVI0(1)

式(1)中, Ii为拉曼信号强度, k为样品散射系数, Ω 是收集立体角, V是激光与样品相互作用体积, ∂σ∂Ω是样品的微分散射截面, ni样品粒子数密度, I0激发光强。 通过上述分析可以看出, 通过增加激发光强、 有效作用体积, 增大收集立体角等手段, 可提高拉曼光谱探测灵敏度。

1.2 拉曼散射强度与收集角度之间的关系

根据偶极矩辐射理论, 拉曼信号散射强度与收集角度之间的关系为[13]

IRaman=< Qk0> (ω0∓ωk)432πc3sin2θ|α'kE0|2(2)

式(2)中, Qk0为其振动坐标, ω 0为激发光频率, ω k为拉曼频移, c为光速, θ 为散射方向与激光偏振方向的夹角, E0为激发光电场强度。 从上述公式可以看出, 拉曼光强随散射方向与偏振方向的夹角变化而变化。 但是一般情况下, 实验所用光束为非偏振光, 即电场方向平均分布在垂直于光传播方向的平面内。 关于自然光的拉曼散射强度与收集角度之间的关系, 其中γ 为非偏振光传播方向与收集方向之间的夹角, 有如式(3)关系[14]

IRaman=< Qk0> (ω0∓ωk)432πc3(2π-πsin2γ)|α'kE0|2(3)

通过式(3)绘制拉曼散射强度随γ 变化结果如图1所示。

图1 拉曼散射强度随收集角度变化Fig.1 Raman scattering intensity with different collection angles

从图1可以看出: 拉曼散射强度随着收集角度变化而发生变化, 在后向散射和前向散射即0° 或者180° 达到最大, 并且两者大小相等。 传统拉曼光谱技术(探头式拉曼光谱技术)仅对后向散射的信号进行收集造成拉曼信号的损失, 若同时收集前向和后向拉曼散射信号, 将提高探测灵敏度。

1.3 样品池设计

根据上述理论分析, 在传统样品池底端加入一个凹面反射镜可提高探测灵敏度。 一方面激光经透镜聚焦耦合至样品池内, 激光与样品发生相互作用后经凹面反射镜激光将再次聚焦作用样品; 另一方面, 凹面反射镜可使装置同时收集拉曼前向和后向散射信号进而提高光谱探测灵敏度, 样品池设计及实物如图2所示。

图2 新型样品池示意及实物图
(a): 示意图; (b): 实物图Fig.2 Schematic of the new sample cell
(a): Schematic diagram; (b): Physical diagram

本文样品池所用凹面镜的参数为: 直径12.5 mm, 焦距10 mm, 凹面反射镜为表面镀银, 在785 nm拉曼光谱探测范围内具有较高的反射率。 由于光在液体中折射率的变化, 焦距变长, 所以样品池的高度应大于2fn (n为液体折射率, f为透镜焦距)。 以乙醇为例(折射率n为1.3)样品池高度应大于26 mm, 综合考虑本实验中所设计样品池的高度为30 mm。 样品池所用石英管尺寸外径为12 mm, 壁厚1 mm, 长度30 mm, 两者通过UV胶进行粘接, 方法简单, 效果好, 并验证无渗水情况。 为了与设计的样品池进行对比, 采用相同的方法将石英管与玻璃板进行黏合作为传统样品池。

2 实验部分

基于近红外拉曼光谱探头开展相关实验研究, 拉曼探头具体参数为: 激光波长为785 nm, 激光功率为0~500 mW, 激光焦距约为7.5 mm, 探测器采用海洋光学公司生产的QEPRO光谱仪, 有效探测范围为: 650~1 020 nm, 实验示意及实物如图3所示。 实验所用样品为: 75%乙醇(75%酒精消毒液, Retouch Co., Ltd), 异丙醇(分析纯, ≥ 99.7%), 甲醇(色谱级, ≥ 99.9%)。

图3 基于785 nm拉曼探头实验示意及实物图
(a): 示意图; (b): 实验装置Fig.3 785 nm Raman spectroscopy
(a): Schematic diagram; (b): Experimental setup

为了验证新型样品池可提高液体拉曼光谱探测灵敏度, 本文开展了系列实验: (1) 为了验证灵敏度增强效果, 对75%乙醇、 异丙醇、 甲醇三种溶液进行探测, 并对效果进行分析; (2) 为了验证制作方法的重复性, 制作了三个样品池, 分别对75%乙醇溶液进行探测并对结果进行分析; (3) 为了验证该方法对低浓度样品探测能力, 将75%乙醇溶液进行稀释20倍, 采用新型样品池对其进行探测并与传统方法进行对比。

3 结果与讨论
3.1 光谱处理

探测器实际采集到拉曼光谱数据, 通常会有仪器背景或漂移的影响, 为了准确地分析新型样品池的增强效果, 需要对原始光谱的基线进行校正。 文中所用基线校正方法为偏最小二乘方法(partial least squares, PLS), 其主要原理是通过最小化误差的平方和找到一组数据的最佳函数匹配[15]。 光谱仪曝光时间为1s, 所获75%乙醇溶液原始光谱如图4(a)所示, 探测器的探测范围为650~1 020 nm, 激发波长为785 nm, 则拉曼频移有效范围为0~2 800 cm-1。 从原始光谱可以看出, 样品的拉曼信号范围位于700~1 650 cm-1, 对此范围光谱进行PLS基线校正处理, 结果如图4(b)所示。

图4 75%乙醇溶液原始光谱(a)及基线校正结果(b)Fig.4 Baseline correction of Raman spectrum
(a): Origin Raman signal; (b): Raman signal with baseline correction

通过对原始光谱进行基线校正处理后可较好的识别拉曼信号的峰位及峰值强度, 75%乙醇溶液的拉曼信号位置分别在: 878.1, 1 045.7, 1 089.1, 1 277.5和1 449.9 cm-1处, 其中878 cm-1处的特征峰强度最大。

3.2 灵敏度增强效果对比

为了验证所设计的新型样品池具有提高液体拉曼光谱探测灵敏度的能力, 采用搭建的装置对75%乙醇溶液进行探测, 对照组为传统比色皿。 所用基线校正方法为PLS, 分别对75%乙醇溶液在600~1 650 cm-1处出现的5个拉曼特征峰增强效果进行了对比分析, 所获结果如图5和表1所示。

图5 75%乙醇溶液拉曼信号强度增强效果对比图Fig.5 Comparison of Raman spectra (75% ethanol) with traditional and new sample cell

表1 不同拉曼峰强度增强效果对比 Table 1 Comparison of Raman signal intensity (75% ethanol) at different position

由上述结果可以看出, 传统和新型样品池均可探测到75%乙醇溶液的拉曼信号, 但是新型样品池对应的拉曼信号强度明显高于传统样品池。 分别对溶液不同峰位的拉曼信号强度增强倍数进行计算, 从表1中可以看出增强倍数相差较小, 最大增强倍数为4.0倍(1 277.5 cm-1), 最小增强倍数为3.7倍(1 449.9 cm-1)。 其原因在于1 277.5 cm-1处的拉曼强度较弱, 1 449.9 cm-1处的拉曼信号范围较宽, 基线校正后拉曼强度与实际值可能存在偏差, 而878 cm-1处的拉曼信号强度高且光谱峰型较窄, 因此878 cm-1处的增强倍数更为接近实际值。 通过实验对比, 相较于传统样品池, 新型样品池对75%乙醇溶液拉曼信号强度提高了3.9倍。

为了验证新型样品池对不同样品的探测效果, 对异丙醇和甲醇两种样品进行探测, 焦点处激光功率为248 mW, 探测器曝光时间为1 s。 异丙醇的拉曼信号峰出现在200~1 600 cm-1, 甲醇的信号出现在800~1 750 cm-1, 采用偏最小二乘对此范围光谱进行基线校正处理, 结果如图6所示。

图6 异丙醇(a)和甲醇(b)溶液拉曼信号强度增强效果对比图Fig.6 Comparison of Raman spectra (Isopropyl alcohol (a) and Methanol (b) with traditional and new sample cell

异丙醇的拉曼信号峰出现在200~1 600 cm-1, 选择强度最大的拉曼峰(817 cm-1)位作为参考, 此位置处传统拉曼信号强度为1 164.6(a.u.), 新型样品所测拉曼信号强度为4 629.1(a.u.), 信号增强倍数为4.0。 甲醇的拉曼信号出现在800~1 750 cm-1范围内, 选择强度最大的拉曼峰(1 031.1 cm-1)位作为参考, 此位置处传统拉曼信号强度为572.5(a.u.), 新型样品所测拉曼信号强度为2 253.3(a.u.), 信号增强倍数为3.9。 结果说明, 新型样品池对不同溶液均有明显的增强效果且灵敏度增强倍数也较为接近。

3.3 新型样品池制作方法重复性分析

为了研究新型样品池制作方法的重复性, 共制作了三个新型样品池, 所用凹面反射镜和石英管的型号相同。 新型样品池的制作过程较为简单, 只需通过UV胶将凹面反射镜与石英管粘合, 步骤为: 将胶置于石英管的底端, 再用UV光照射将胶水固化。 采用三个样品池对相同体积的75%乙醇溶液进行测量, 实验采集参数保持一致: 焦点处激光功率为238 mW, 探测器曝光时间为1 s, 所用基线校正方法与上节一致(以878 cm-1处拉曼信号为例), 结果如图7所示。

图7 三个样品池探测效果对比图Fig.7 Comparison of Raman spectra with three sample cell

从图7中可以看出, 新型样品池的制作过程会对拉曼信号强度有影响, 三个样品池所测75%乙醇溶液, 在878 cm-1处的拉曼信号强度分别为2 132.7, 1 757.6, 2 066.9 (a.u.)。 1号和3号拉曼信号强度几乎一致, 而1号与2号样品池所测样品拉曼信号强度相差最大, 误差为17.6%。 三个样品池增强效果不同原因是制作过程通过UV胶将凹面反射镜和石英管粘合过程中, 胶用量过多会将其固化于反射镜表面进而影响光路传播, 最终影响探测效果。

3.4 低浓度样品探测效果

为了验证新型样品池对低浓度样品的探测能力, 将75%乙醇溶液进行稀释20倍, 采用两种样品池分别对其进行探测, 焦点处激光功率为248 mW, 探测器曝光时间为1 s, 所获结果如图8所示。

图8 低浓度样品探测效果对比Fig.8 Comparison of Raman spectra (low concentration sample) with different sample cell

从图8可以看出, 利用传统样品池对稀释后溶液进行探测无法获得拉曼信号, 而新型样品池可以获得位于878.1, 1 045.7, 1 089.1以及1 449.9 cm-1处的乙醇拉曼信号。 此结果说明, 新型样品池可提高拉曼光谱探测灵敏度, 在低浓度样品检测方面具有一定潜力。

4 结论

为了进一步探索液体拉曼灵敏度增强方法, 本文报道了一种结构简单、 适用范围广的新型样品池。 首先分析了影响拉曼信号强度的参数及其与收集角度之间的关系, 从理论上证明了本文设计的样品池可提高液体拉曼光谱探测灵敏度。 进一步基于785 nm拉曼探头搭建了一套液体探测装置, 并开展了系列实验研究: (1)对典型的液体样品75%乙醇、 异丙醇和甲醇溶液进行探测分析, 相较于传统样品池, 拉曼信号强度增强了近4倍, 获得较好的结果; (2)对新型样品池制作方法的重复性进行分析, 制作了三个样品池, 对相同溶液进行探测, 并分析了信号强度差别的原因; (3)基于新型样品池对低浓度(75%乙醇溶液稀释20倍)样品进行探测, 结果表明新型样品池可有效探测到低浓度样品的拉曼信号。

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