基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，將混合溶液中包含的多種溶質(zhì)分子分別吸附在表面增強拉曼散射基底上，檢測拉曼光譜；對拉曼光譜的譜線進行主成分分析建模繪出得分圖；利用主成分分析建模的過程中得到的載荷向量計算出相應(yīng)于主成分的得分值，并繪于得分圖中；配置樣品混合溶液，計算組元的相對吸附系數(shù)，根據(jù)相對吸附系數(shù)得到混合溶液的配比。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：通過分析表面增強拉曼光譜直接得出溶液的配比，使得混合溶液組分分析的半定量方法可用于吸附能力各異的物質(zhì)組成的混合體系，可用性強。
【專利說明】
基于表面増強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及光譜分析技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混合 物組分分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 表面增強拉曼散射(SERS)效應(yīng)能夠使吸附于金、銀等物質(zhì)納米結(jié)構(gòu)表面的分子拉 曼信號大幅度增強，從而實現(xiàn)痕量物質(zhì)檢測的目的。本項發(fā)明采用批〇 2超薄膜包覆的Ag納 米棒陣列作為SERS基底，Ag納米棒是在電子束蒸鍍系統(tǒng)中以傾斜生長法沉積在硅片上的， 而后為了保護化學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的Ag，使其免于氧化、硫化等，故使用原子層沉積法在Ag表面 均勻、完整地包覆了厚度為0.9nm的超薄膜。在這種固態(tài)SERS基底上，痕量分子吸附的方法 是將基底浸泡在溶液中。
[0003] 主成分分析是一種常用于光譜數(shù)據(jù)降維的化學(xué)計量學(xué)方法。將一系列拉曼光譜進 行主成分分析建模，可得到最能夠反映光譜間差異信息的主成分，計算出相應(yīng)于每個主成 分的載荷向量，并可利用載荷向量計算出每條光譜相應(yīng)于各主成分的得分值。對于兩種化 學(xué)物質(zhì)的SERS光譜，僅采用第一個主成分即可反映原始光譜中的絕大部分差異信息。實際 上從幾何角度講，對于任意兩點，總能找到唯一的一條直線，令這兩點在該直線上的投影之 間的距離最大，而這條直線就是這兩個點的連線。所以，得分圖的橫縱坐標(biāo)都采用主成分1 的得分。而對于三種化學(xué)物質(zhì)的SERS光譜，則是前兩個主成分即可反映原始光譜中的絕大 部分差異信息，因此得分圖的橫縱坐標(biāo)分別為主成分1和主成分2的得分。
[0004] 中國專利"用表面增強拉曼光譜對痕量混合物進行半定量分析的方法"（申請?zhí)?為= 201510342417.0)公開了 ：根據(jù)杠桿規(guī)則，對于二元混合溶液，用于建模的兩種單溶質(zhì)溶 液所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點在主成分得分圖中分居兩處，而混合溶液所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點位置則根據(jù)兩 種溶質(zhì)的比例不同，處在兩組建模數(shù)據(jù)點之間連線的不同位置上。如圖1所示，若兩種溶質(zhì) 各自的低濃度溶液SERS譜所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點分別為A、B，由建模溶液混合配制成的某未知溶 液的SERS譜所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點為C，則C點必然位于A、B兩點連線上，因為隨著兩種溶質(zhì)的比例 改變，混合物SERS譜線的變化情況是由與一種建模溶液的譜線很相似，逐漸變?yōu)榕c另一種 建模溶液的譜線很相似，而整個變化過程中不會出現(xiàn)不屬于這兩種溶質(zhì)的譜線特點。顯然， 未知樣品的數(shù)據(jù)點距離哪一種建模樣品的數(shù)據(jù)點更近，該種溶質(zhì)的比例就越高。每種溶質(zhì) 配比的計算方法符合初始的"杜桿規(guī)則"，即
[0006]而根據(jù)三角形規(guī)則，對于三元混合溶液，建模的三種單溶質(zhì)溶液所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點 在主成分得分圖中張成三角形狀，如圖2,三組數(shù)據(jù)點分別處于三角形的三個頂點，命名為 A、B、C，三者的混合溶液SERS譜所對應(yīng)的數(shù)據(jù)點為0位于點A、B、C張成的三角形中。經(jīng)過0點 分別做三角形三條邊的平行線DE、FG、HI，則每條邊上得到兩個交點，這兩個交點之間的距 離由相對頂點所代表的溶質(zhì)在混合溶液中的配比決定。因此，根據(jù)初始的"三角形規(guī)貝f，每 種溶質(zhì)的配比分別為：
[0008] 但從更嚴格的意義上講，直接依照初始的杠桿規(guī)則和三角形規(guī)則對SERS譜線進行 計算，得到的結(jié)果應(yīng)當(dāng)是SERS基底上吸附的各種分子的比例，與溶液中各組元的比例有差 另IJ。因為檢測溶液SERS譜線的方法是先令溶液中的溶質(zhì)分子吸附在SERS基底上，然后再測 拉曼光譜。當(dāng)SERS基底浸泡在溶液中，一方面，各種溶質(zhì)分子向基底表面吸附時存在相互競 爭，吸附能力越強的分子越有可能獲得更大的吸附量，另一方面，溶質(zhì)分子之間也可能存在 一定的相互作用，對吸附過程造成影響。即使采用滴加法實現(xiàn)分子在SERS基底上的吸附，從 溶液接觸到SERS基底表面到溶劑完全揮發(fā)的時間段內(nèi)，溶質(zhì)分子仍然存在競爭吸附和相互 作用。所以，對于向SERS基底吸附的能力差異比較大的幾種物質(zhì)組成的混合體系，采用初始 的杠桿規(guī)則和三角形規(guī)則，計算出的混合溶液組分誤差可能會比較嚴重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明旨在至少解決上述技術(shù)問題之一。
[0010] 為此，本發(fā)明的一個目的在于提出一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分 分析方法。
[0011] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實施例公開了一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混 合物組分分析方法，包括以下步驟:S1:將混合溶液中包含的多種溶質(zhì)分子分別吸附在表面 增強拉曼散射基底上，檢測拉曼光譜;S2:對所述拉曼光譜的譜線進行主成分分析建模繪出 得分圖，其中，如果所述混合溶液為二元混合溶液，所述得分圖的橫縱坐標(biāo)均為第一主成分 的得分值;如果所述混合溶液為三元混合溶液，所述得分圖的橫縱坐標(biāo)分別為第一主成分 和第二主成分的得分值;S3:利用所述主成分分析建模的過程中得到的載荷向量計算出相 應(yīng)于主成分的得分值，并繪于所述得分圖中；S4:如果所述混合溶液為二元混合溶液，所述 二元混合溶液的譜線在所述得分圖中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點位置在兩種組元的數(shù)據(jù)點連線上;計算 第一樣品混合溶液中兩種組元的第一相對吸附系數(shù)，所述第一樣品混合溶液的組元與所述 二元混合溶液相同且所述第一樣品混合溶液的各組元配比已知;根據(jù)所述第一相對吸附系 數(shù)和所述二元混合溶液的譜線相應(yīng)的第一主成分的得分值得到所述二元混合溶液中兩種 組元的配比；如果所述混合溶液為三元混合溶液，所述三元混合溶液的譜線在所述得分圖 中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點位置在三種組元的數(shù)據(jù)點所圍成的三角形內(nèi)；計算第二樣品混合溶液中兩 種組元分別相對于剩余組元的第二相對吸附系數(shù)和第三相對吸附系數(shù)，所述第二樣品混合 溶液的組元與所述三元混合溶液相同且所述第二樣品混合溶液的各組元配比已知;根據(jù)所 述第二相對吸附系數(shù)、第三相對吸附系數(shù)和所述三元混合溶液的譜線相應(yīng)的第一主成分的 得分值和第二主成分的得分值得到所述三元混合溶液中三種組元的配比。
[0012] 根據(jù)本發(fā)明實施例的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，考慮到 不同分子吸附能力的差異，對初始的杠桿規(guī)則和三角形規(guī)則計算出的SERS基底上吸附的混 合體系組分進行修正，從而實現(xiàn)通過分析表面增強拉曼光譜直接得出溶液的配比。這樣的 修正處理使得混合溶液組分分析的半定量方法可用于吸附能力各異的物質(zhì)組成的混合體 系，因此這種半定量方法更具有可用性。
[0013] 另外，根據(jù)本發(fā)明上述實施例的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方 法，還可以具有如下附加的技術(shù)特征：
[0014] 進一步地，在步驟S1中，對所述拉曼散射基底的多個位置進行多次測量，當(dāng)多次測 量結(jié)果之間的差異小于預(yù)設(shè)范圍時，進入步驟S2。
[0015] 進一步地，在步驟S2中，對所述拉曼光譜的主要特征峰的區(qū)段進行主成分分析描 繪出所述得分圖。
[0016] 進一步地，在步驟S4中，所述第一相對吸附系數(shù)的計算方法為：
[0018] 其中，k為第一相對吸附系數(shù)，nA和nB分別為溶液中溶質(zhì)A和B的配比，r/A和n%分別 為溶質(zhì)A和B配比的杠桿定律得到的計算值；
[0019]對于原二元混合溶液：
[0021 ] 其中，nAm和nBm分別為原二元混合溶液的溶質(zhì)Am和Bm的配比，tA、tB和tc分別為溶質(zhì) A、溶質(zhì)B的單溶質(zhì)溶液和第一樣品混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所述第一主成分的得分值。 [0022]進一步地，在步驟S4中，所述第二相對吸附系數(shù)和第三相對吸附系數(shù)的計算方法 為：
[0024] 其中，ki和k2分別第二相對吸附系數(shù)和第三相對吸附系數(shù)，nA、nB和nc分別為溶液中 溶質(zhì)A、B、C的配比，r/Ad、和r/c分別為溶質(zhì)A、B、C的杜桿定律得到的計算值；
[0025] 對于原三元混合溶液：
[0027] 其中XA、XB、XC和Xm分別為溶質(zhì)A、B、C和混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所述第一主成 分的得分值，yA、yB、ydPy m分別為溶質(zhì)A、B、C和所述第二樣品混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所 述第二主成分得分值。
[0028] 本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變 得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。
【附圖說明】
[0029] 本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實施例的描述中將變得 明顯和容易理解，其中：
[0030] 圖1是本發(fā)明的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法的流程圖；
[0031] 圖2是本發(fā)明一個實施例的二元體系的主成分得分圖示意圖；
[0032] 圖3是本發(fā)明一個實施例的元體系的主成分得分圖示意圖；
[0033]圖4是本發(fā)明一個實施例的對3-Mba和4-Mba溶液及混合溶液SERS譜進行主成分分 析得到的得分圖；
[0034] 圖5是本發(fā)明另一個實施例的對3-Mba、4-Mba和1，4-BDT溶液及混合溶液SERS譜進 行主成分分析得到的得分圖。
【具體實施方式】
[0035] 下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終 相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附 圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。
[0036] 在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語"中心"、"縱向"、"橫向"、"上"、"下"、 "前"、"后"、"左"、"右"、"豎直"、"水平"、"頂"、"底"、"內(nèi)"、"外"等指示的方位或位置關(guān)系為 基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗 示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對 本發(fā)明的限制。此外，術(shù)語"第一"、"第二"僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對 重要性。
[0037] 在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規(guī)定和限定，術(shù)語"安裝"、"相 連"、"連接"應(yīng)做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接;可 以是機械連接，也可以是電連接;可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是 兩個元件內(nèi)部的連通。對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以具體情況理解上述術(shù)語在本 發(fā)明中的具體含義。
[0038] 參照下面的描述和附圖，將清楚本發(fā)明的實施例的這些和其他方面。在這些描述 和附圖中，具體公開了本發(fā)明的實施例中的一些特定實施方式，來表示實施本發(fā)明的實施 例的原理的一些方式，但是應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的實施例的范圍不受此限制。相反，本發(fā)明的 實施例包括落入所附加權(quán)利要求書的精神和內(nèi)涵范圍內(nèi)的所有變化、修改和等同物。
[0039] 以下結(jié)合附圖描述根據(jù)本發(fā)明實施例的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組 分分析方法。
[0040] 請參考圖1，一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，包括以下步 驟：
[0041 ] S1:將混合溶液中包含的多種溶質(zhì)分子分別吸附在表面增強拉曼散射基底上，檢 測拉曼光譜。
[0042] 在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟S1中，對拉曼散射基底的多個位置進行多次測 量，當(dāng)多次測量結(jié)果之間的差異小于預(yù)設(shè)范圍時，表明SERS基底非常均勻，分子在基底上吸 附得也很均勻。此時進入步驟S2。
[0043] S2:對拉曼光譜的譜線進行主成分分析建模繪出得分圖，其中，
[0044] 如果混合溶液為二元混合溶液，得分圖的橫縱坐標(biāo)均為第一主成分的得分值；
[0045] 如果混合溶液為三元混合溶液，得分圖的橫縱坐標(biāo)分別為第一主成分和第二主成 分的得分值。
[0046] 在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟S2中，包括對建模光譜進行扣背底和中心化預(yù) 處理。
[0047] 在本發(fā)明的一個實施例中，在步驟S2中，對拉曼光譜的主要特征峰的區(qū)段進行主 成分分析描繪出得分圖。光譜中的其它數(shù)據(jù)并不反映溶質(zhì)分子的化學(xué)信息，因此不被納入 分析范圍，以避免無效信息干擾建模準(zhǔn)確性。
[0048] S3:利用主成分分析建模的過程中得到的載荷向量計算出相應(yīng)于主成分的得分 值，并繪于得分圖中。
[0049] 具體地，是通過令線性變換后得到的主成分方差最大化，得到載荷矩陣，該矩陣由 相應(yīng)于每一個主成分的載荷向量組成。將經(jīng)過預(yù)處理的光譜向量與每個主成分的載荷向量 相乘，得到相應(yīng)于該主成分的得分值。
[0050] S4:如果混合溶液為二元混合溶液，二元混合溶液的譜線在得分圖中對應(yīng)的數(shù)據(jù) 點位置在兩種組元的數(shù)據(jù)點連線上;計算第一樣品混合溶液中兩種組元的第一相對吸附系 數(shù)，第一樣品混合溶液的組元與二元混合溶液相同且第一樣品混合溶液的各組元配比已 知;根據(jù)第一相對吸附系數(shù)和二元混合溶液的譜線相應(yīng)的第一主成分的得分值得到二元混 合溶液中兩種組元的配比；
[0051] 如果混合溶液為三元混合溶液，三元混合溶液的譜線在得分圖中對應(yīng)的數(shù)據(jù)點位 置在三種組元的數(shù)據(jù)點所圍成的三角形內(nèi)；計算第二樣品混合溶液中兩種組元分別相對于 剩余組元的第二相對吸附系數(shù)和第三相對吸附系數(shù)，第二樣品混合溶液的組元與三元混合 溶液相同且第二樣品混合溶液的各組元配比已知;根據(jù)第二相對吸附系數(shù)、第三相對吸附 系數(shù)和三元混合溶液的譜線相應(yīng)的第一主成分的得分值和第二主成分的得分值得到三元 混合溶液中三種組元的配比。
[0052] 如圖2所示，在本發(fā)明的一個實施例中，相對吸附系數(shù)k定義為兩種組元濃度比的 初始杠桿規(guī)則計算值與二者在溶液中的濃度比之比;選取一種組分的混合溶液作為基準(zhǔn)混 合溶液，則溶質(zhì)B對于溶質(zhì)A的第一相對吸附系數(shù)
[0054] 其中，k為第一相對吸附系數(shù)，nA和nB分別為溶液中溶質(zhì)A和B的配比，r/A和n%分別 為溶質(zhì)A和B配比的杠桿定律得到的計算值，因此nB/nA為混合溶液配制時分子B和分子A的摩 爾比，n' B/n'A為根據(jù)杠桿規(guī)則計算出的分子B和分子A摩爾比的初始計算值。從而對于其它 組分的混合溶液，有
[0056] 其中，tA、tB、tc分別為溶質(zhì)A、溶質(zhì)B的單溶質(zhì)溶液和第一樣品混合溶液的拉曼光譜 相應(yīng)的主成分1得分值。在得分圖中，數(shù)據(jù)點的橫縱坐標(biāo)均為主成分1的得分值，即t A、tB、tc 分別為溶質(zhì)A、溶質(zhì)B的單溶質(zhì)溶液和混合溶液相應(yīng)的數(shù)據(jù)點在得分圖中的橫(縱)坐標(biāo)值。
[0057] 如圖3所不，在本發(fā)明的一個實施例中，兩種分子分別相對于另一種分子的相對吸 附系數(shù)均定義為前者與后者配比的初始三角形規(guī)則計算值與二者在溶液中的配比之比；選 取一種組分的混合溶液作為基準(zhǔn)混合溶液，則溶質(zhì)B對于溶質(zhì)A的第二相對吸附系數(shù)h和溶 質(zhì)C對于溶質(zhì)A的第三相對吸附系數(shù)k 2分別為
[0059] 其中，k#Pk2分別第二相對吸附系數(shù)和第三相對吸附系數(shù)，nA、nB和nc分別為溶液中 溶質(zhì)A、B、C在溶質(zhì)總量中的配比，和r/c分別為溶質(zhì)A、B、C的配比初始計算值。從而對 于其它組分的混合溶液，有
[0061 ] 其中XA、XB、XC和Xm、分別為溶質(zhì)A、B、C和混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的第一主成分的 得分值，yA、yB、ydPym分別為溶質(zhì)A、B、C和第二樣品混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的第二主成分 的得分值。在得分圖中，數(shù)據(jù)點的橫坐標(biāo)為第一主成分的得分值，縱坐標(biāo)為第二主成分的得 分值，即 XA、XB、xdPXm分別為溶質(zhì)A、B、C和第二樣品混合溶液相應(yīng)的數(shù)據(jù)點在得分圖中的橫 坐標(biāo)值，yA、y B、yc和ym分別為溶質(zhì)A、B、C和第二樣品混合溶液相應(yīng)的數(shù)據(jù)點在得分圖中的縱 坐標(biāo)值。
[0062]為使本領(lǐng)域技術(shù)人員進一步理解本發(fā)明，將通過以下實施例進行詳細說明。
[0063] 實施例1
[0064]為證明此項發(fā)明中修正的杠桿規(guī)則可以確定吸附能力差別很大的兩種化學(xué)物質(zhì) 組成的混合溶液成分，選取兩種分子3-巰基苯甲酸(3-Mba)和4-巰基苯甲酸(4-Mba)作為建 模物質(zhì)。實驗及分析步驟如下：
[0065] 1、配制兩種物質(zhì)的濃度為1 X 1(T5M的乙醇溶液。
[0066] 2、取3-Mba和4-Mba溶液各lmL，浸泡面積約為25mm2的SERS基底20min。浸泡結(jié)束 后，用乙醇沖洗SERS基底，然后將SERS基底平放在載玻片上晾干，則分子已經(jīng)吸附在基底 上。
[0067] 3、使用BWTEK便攜式拉曼光譜儀測兩種分子的拉曼光譜。激光波長為785nm，功率 為300mW，積分時間10s。在每片樣品上隨機選取10個位置測光譜，測得的光譜差異很小，表 明SERS基底非常均勻，分子在基底上吸附得也很均勻。
[0068] 4、對建模光譜進行扣背底和中心化預(yù)處理。
[0069] 5、選取拉曼光譜中兩種分子主要特征峰的區(qū)段進行主成分分析。光譜中的其它數(shù) 據(jù)并不反映分子的化學(xué)信息，因此不被納入分析范圍，以避免無效信息干擾建模過程。
[0070] 6、對拉曼光譜進行主成分分析運算，得到這些光譜相應(yīng)于第一主成分的得分值， 計算出平均得分和標(biāo)準(zhǔn)差，繪制成得分圖，如圖3,橫縱坐標(biāo)均為第一主成分的得分。
[0071] 7、配制幾種混合溶液，溶液中的分子總量與用于建模的兩種溶液相同。以下表1中 的幾種混合溶液為例：
[0073]表1配制兩種溶質(zhì)的混合溶液
[0074] 8、取以上混合溶液各lmL，分別浸泡面積約為25mm2的SERS基底半小時。浸泡結(jié)束 后，用乙醇沖洗SERS基底，然后將SERS基底平放在載玻片上晾干，則分子已經(jīng)吸附在基底 上。
[0075] 9、測混合體系的拉曼光譜。激光波長為785nm，功率為300mW，積分時間10s。在每片 樣品上隨機選取10個位置測光譜。
[0076] 10、對以上5種混合溶液的各10條譜線進行如步驟4的預(yù)處理，然后代入上面建立 的PCA模型中，計算出各自相應(yīng)于第一主成分的得分值，計算出平均得分和標(biāo)準(zhǔn)差，也繪于 得分圖（圖4)中。
[0077] 11、以3號混合溶液為基準(zhǔn)樣品，計算出4-Mba對于3-Mba的相對吸附系數(shù)k = 0.29。
[0078] 12、根據(jù)修正的杠桿規(guī)則計算兩種分子的其它四種混合物組分，如下表2所示，其 中誤差的含義為根據(jù)模型計算出的組分值與混合溶液配制的組分值之間的偏差?？梢钥?至1J，計算出的組分比較準(zhǔn)確。
[0080] 表2根據(jù)修正的杠桿規(guī)則計算二元混合物成分
[0081] 以上實驗結(jié)果表明，吸附能力不同的兩種物質(zhì)在SERS基底上的配比與溶液中的配 比差異明顯，但是通過定義的相對吸附系數(shù)k對初始的杠桿規(guī)則進行修正，可以較為準(zhǔn)確地 計算出溶液的組分。
[0082] 實施例2
[0083]為證明此項發(fā)明中修正的三角形規(guī)則可以確定吸附能力差別很大的三種化學(xué)物 質(zhì)組成的混合溶液成分，選取三種分子3-巰基苯甲酸(3-Mba)、4-巰基苯甲酸(4-Mba)、l，4-苯二硫醇（1，4-BDT)作為建模物質(zhì)。實驗及分析步驟如下：
[0084] 1、配制三種物質(zhì)的濃度為1 X 1(T5M的乙醇溶液。
[0085] 2、取3-Mba、4-Mba和1，4-BDT溶液各lmL，浸泡面積約為25mm2的SERS基底20min。浸 泡結(jié)束后，用乙醇沖洗SERS基底，然后將SERS基底平放在載玻片上晾干，則分子已經(jīng)吸附在 基底上。
[0086] 3、使用BWTEK便攜式拉曼光譜儀測兩種分子的拉曼光譜。激光波長為785nm，功率 為300mW，積分時間10s。在每片樣品上隨機選取10個位置測光譜，測得的光譜差異很小，表 明SERS基底非常均勻，分子在基底上吸附得也很均勻。
[0087] 4、對建模光譜進行扣背底和中心化預(yù)處理。
[0088] 5、選取拉曼光譜中兩種分子主要特征峰的區(qū)段進行主成分分析。光譜中的其它數(shù) 據(jù)并不反映分子的化學(xué)信息，因此不被納入分析范圍，以避免無效信息干擾建模過程。
[0089] 6、對拉曼光譜進行主成分分析運算，得到這些光譜相應(yīng)于第一主成分和第二主成 分的得分值，計算出平均得分和標(biāo)準(zhǔn)差，繪制成得分圖，如圖5所示，橫坐標(biāo)為第一主成分的 得分，縱坐標(biāo)為第二主成分的得分。
[0090] 7、配制幾種混合溶液，溶液中的分子總量與用于建模的兩種溶液相同。以下表3中 的幾種混合溶液為例：
[0093] 表3配制三種溶質(zhì)的混合溶液
[0094] 8、取以上混合溶液各lmL，分別浸泡面積約為25mm2的SERS基底半小時。浸泡結(jié)束 后，用乙醇沖洗SERS基底，然后將SERS基底平放在載玻片上晾干，則分子已經(jīng)吸附在基底 上。
[0095] 9、測混合體系的拉曼光譜。激光波長為785nm，功率為300mW，積分時間10s。在每片 樣品上隨機選取10個位置測光譜。
[0096] 10、對以上5種混合溶液的各10條譜線進行如步驟4的預(yù)處理，然后代入上面建立 的模型中，計算出各自相應(yīng)于第一主成分和第二主成分的得分值，計算出平均得分和標(biāo)準(zhǔn) 差，也繪于圖4中。
[0097] 11、以1號混合溶液為基準(zhǔn)樣品，計算出4-Mba對于3-Mba的相對吸附系數(shù)ki = 2.16，1，4-BDT對于3-Mba的相對吸附系數(shù)k2 = 0.51。
[0098] 12、根據(jù)修正的三角形規(guī)則計算三種分子的其它三種混合物成分，如下表4所示， 其中誤差的含義為根據(jù)模型計算出的組分值與混合溶液配制的組分值之間的偏差?？梢钥?至1J，計算出的組分比較準(zhǔn)確。
[0100] 表4根據(jù)修正的三角形規(guī)則計算三元混合物成分
[0101] 以上實驗結(jié)果表明，吸附能力不同的三種物質(zhì)在SERS基底上的配比與溶液中的配 比差異明顯，但是通過定義的相對吸附系數(shù)k對初始的三角形規(guī)則進行修正，可以較為準(zhǔn)確 地計算出溶液的組分。
[0102] 本發(fā)明的有意效果是本發(fā)明考慮到不同分子在SERS基底上的吸附能力有差異，使 得基底上和溶液中的組分不同，定義了相對吸附系數(shù)k，以一種組分的混合溶液作為基準(zhǔn)樣 品，計算出k值，從而對初始的杠桿規(guī)則和三角形規(guī)則進行修正。這種方法解決了吸附因素 導(dǎo)致的組分計算偏差問題，實現(xiàn)了由表面增強拉曼光譜直接計算出溶液的組分。此項發(fā)明 使得混合物無論各組元的吸附能力是否有較大差別，都能夠準(zhǔn)確地被測定出組分，這種基 于表面增強拉曼光譜的半定量方法具有廣泛的適用性。
[0103] 另外，本發(fā)明實施例的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法的其它 構(gòu)成以及作用對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員而言都是已知的，為了減少冗余，不做贅述。
[0104] 在本說明書的描述中，參考術(shù)語"一個實施例"、"一些實施例"、"示例"、"具體示 例"、或"一些示例"等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特 點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不 一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何 的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
[0105] 盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解:在不 脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對這些實施例進行多種變化、修改、替換和變型，本 發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同限定。
【主權(quán)項】
1. 一種基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，其特征在于，包括W下步 驟： SI:將混合溶液中包含的多種溶質(zhì)分子分別吸附在表面增強拉曼散射基底上，檢測拉 曼光譜； S2:對所述拉曼光譜的譜線進行主成分分析建模繪出得分圖，其中， 如果所述混合溶液為二元混合溶液，所述得分圖的橫縱坐標(biāo)均為第一主成分的得分 值； 如果所述混合溶液為=元混合溶液，所述得分圖的橫縱坐標(biāo)分別為第一主成分和第二 主成分的得分值； S3:利用所述主成分分析建模的過程中得到的載荷向量計算出相應(yīng)于主成分的得分 值，并繪于所述得分圖中； S4:如果所述混合溶液為二元混合溶液，所述二元混合溶液的譜線在所述得分圖中對 應(yīng)的數(shù)據(jù)點位置在兩種組元的數(shù)據(jù)點連線上;計算第一樣品混合溶液中兩種組元的第一相 對吸附系數(shù)，所述第一樣品混合溶液的組元與所述二元混合溶液相同且所述第一樣品混合 溶液的各組元配比已知;根據(jù)所述第一相對吸附系數(shù)和所述二元混合溶液的譜線相應(yīng)的第 一主成分的得分值得到所述二元混合溶液中兩種組元的配比； 如果所述混合溶液為=元混合溶液，所述=元混合溶液的譜線在所述得分圖中對應(yīng)的 數(shù)據(jù)點位置在=種組元的數(shù)據(jù)點所圍成的=角形內(nèi)；計算第二樣品混合溶液中兩種組元分 別相對于剩余組元的第二相對吸附系數(shù)和第=相對吸附系數(shù)，所述第二樣品混合溶液的組 元與所述=元混合溶液相同且所述第二樣品混合溶液的各組元配比已知;根據(jù)所述第二相 對吸附系數(shù)、第=相對吸附系數(shù)和所述=元混合溶液的譜線相應(yīng)的第一主成分的得分值和 第二主成分的得分值得到所述=元混合溶液中=種組元的配比。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，其特征 在于，在步驟Sl中，對所述拉曼散射基底的多個位置進行多次測量，當(dāng)多次測量結(jié)果之間的 差異小于預(yù)設(shè)范圍時，進入步驟S2。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，其特征 在于，在步驟S2中，對所述拉曼光譜的主要特征峰的區(qū)段進行主成分分析描繪出所述得分 圖。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，其特征 在于，在步驟S4中，所述第一相對吸附系數(shù)的計算方法為：其中，k為第一相對吸附系數(shù)，riA和M分別為溶液中溶質(zhì)A和B的配比，n/A和n/B分別為溶 質(zhì)A和B配比的杠桿定律得到的計算值； 對于原二元混合溶液：其中，riAm和郵m分別為原二元混合溶液的溶質(zhì)Am和Bm的配比，tA、tB和tc分別為溶質(zhì)A、溶 質(zhì)B的單溶質(zhì)溶液和第一樣品混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所述第一主成分的得分值。5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的基于表面增強拉曼光譜的痕量混合物組分分析方法，其特 征在于，在步驟S4中，所述第二相對吸附系數(shù)和第=相對吸附系數(shù)的計算方法為：其中，ki和k2分別第二相對吸附系數(shù)和第=相對吸附系數(shù)，nA、M和nc分別為溶液中溶質(zhì) A、B、C的配比，r/A、n/B和n/C分別為溶質(zhì)A、B、C的杠桿定律得到的計算值； 對于原=元混合溶液：其中XA、XB、Xe和Xm分別為溶質(zhì)A、B、C和混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所述第一主成分的得 分值，yA、ye、yc和ym分別為溶質(zhì)A、B、C和所述第二樣品混合溶液的拉曼光譜相應(yīng)的所述第二 主成分得分值。
【文檔編號】G01N21/65GK105911045SQ201610458195
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年6月22日
【發(fā)明人】張政軍, 侯孟婧, 梁威
【申請人】清華大學(xué), 中國人民解放軍火箭軍裝備研究院第二研究所