重庆邮电大学光电工程学院, 光电信息感测与传输技术重庆重点实验室, 重庆 400065
表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、 检测速度快、 能够实时分析等优势, 广泛应用于医疗、 生物、 食品安全、 环境监测等领域。 目前SERS信号探测方式主要有单点探测、 长程探测两种方式。 由于存在样品分子分布不均、 激光光斑探测范围有限等因素干扰, 单点探测方式的重复性易受到影响。 为了弥补单点探测的不足, 近年来以光波导和光纤为载体的拉曼信号长程探测被大量研究。 归纳总结了近几年SERS信号长程探测的研究进展, 并分析了当前长程探测方式面临的挑战和未来发展趋势。 首先, 介绍了单点探测和长程探测基本原理。 其次, 介绍了基于光纤的SERS信号长程探测研究进展。 基于光纤的SERS信号长程探测方式包括空心光纤和实心光纤两类。 基于空心光纤的SERS信号长程探测方式采用空心光纤作为液体输运与信号传输的复合通道, 具有厘米量级的有效探测距离以及较高灵敏度, 但该探测方式进样困难且复合通道内待测样本分子不易彻底清洗; 基于实心光纤的SERS信号长程探测, 通常使用物理或化学手段对实心光纤的固有结构进行处理, 探测距离一般在微米至毫米量级, 该类型的制作难度相对较高。 然后概述了基于光波导的SERS信号长程探测研究情况。 基于液芯光波导的SERS信号长程探测方式将微流体与SERS相结合, 可有效增加样品分子与SERS“热点”的接触面积, 提高其探测灵敏度。 该方式可达到单分子检测水平, 但在微通道中制备增强介质存在困难。 基于固体光波导的SERS信号长程探测目前大多处于理论分析阶段, 常通过仿真软件对SERS长程探测结构进行研究分析, 探明其作用过程机理。 最后, 对SERS信号长程探测方式研究进展进行了总结和展望, 并提出可行的研究建议, 为SERS信号长程探测相关研究提供参考依据。
表面增强拉曼散射 长程探测 光纤 光波导 Surface-enhanced Raman scattering Long-range detection Optical fiber Optical waveguide 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2325
1 重庆邮电大学光电工程学院,重庆 400065
2 重庆邮电大学生物信息学院,重庆 400065
硝酸根过量是导致水污染的主要原因之一。针对表面增强拉曼光谱技术直接检测水中硝酸根检出限低,无法达到国家地下水环境质量标准的问题,本课题组制备了一种半胱胺修饰金纳米粒子(AuNPs)的复合SERS基底,利用带正电荷的半胱胺对周围带负电荷的金纳米颗粒进行功能化修饰,增加SERS基底对硝酸根的亲和性,提高其对硝酸根的检测灵敏度。实验结果表明:使用去离子水浸泡自组装10-3 mol/L半胱胺的盖玻片3 h,再修饰20 mL金溶胶,这样制成的金纳米颗粒-半胱胺复合SERS基底的增强性能最佳,对硝酸钾的增强因子为2.14×105;8片不同基底上硝酸钾SERS信号的相对标准偏差为10.36%,检出限为0.01 mg/L,达到国家地下水环境质量标准规定的Ⅰ类水的检测标准,对光谱法测量水中总氮含量具有重要意义。
光谱学 金纳米颗粒-半胱胺 SERS基底 硝酸盐 中国激光
2022, 49(11): 1111002
锶元素是人体不可缺少的微量元素, 饮用富锶矿泉水可以为人体补充锶。 目前用于检测富锶矿泉水中锶元素的常规分析方法如原子吸收光谱法、 原子荧光光谱法、 离子色谱法、 电感耦合等离子体-原子发射光谱法/质谱法等, 具有检测灵敏度高、 检测稳定性好的优点, 但是相关仪器体积庞大, 价格昂贵, 能耗高, 有些还需要使用惰性/特殊气体, 不适合现场、 实时和在线连续监测。 因此, 发展小型化、 低成本、 快速的光谱检测对锶元素的有效测量具有重要意义。 溶液阴极辉光放电-原子发射光谱法是近年来发展迅速的水体金属离子测量方法, 具有检出限低、 成本低、 小型化等优点。 因此, 建立溶液阴极辉光放电-原子发射光谱系统, 实现了富锶矿泉水中锶元素的浓度测量。 实验考察了溶液阴极辉光放电装置中放电电流、 溶液流速和pH值等参数对锶的信背比的影响, 确定了定量分析元素锶的最佳实验条件: 溶液流速1.85 mL·min-1、 溶液阴极辉光放电装置的放电电流75 mA, pH 1.0的HNO3作为电解质。 选取波长为460.77 nm的光谱线作为锶元素的分析谱线。 在上述最佳工作条件下对锶的溶液进行测定, 锶元素的发射光谱稳定性为0.52% (n=21)。 锶的质量浓度在0.1~20 mg·L-1范围内与其发射强度呈线性关系, 线性相关系数为0.999 6。 所建立的溶液阴极辉光放电-原子发射光谱法测得锶的检出限为29 μg·L-1。 采用搭建的溶液阴极辉光放电-原子发射光谱检测系统测量了市场上常见的三种富锶矿泉水, 测量结果与电感耦合等离子体发射光谱法一致。 此外, 该方法对富锶矿泉水的加标回收率为98.8%~107.6%。 结果表明: 溶液阴极辉光放电-原子发射光谱法是测定富锶矿泉水中锶的一种有效方法。
溶液阴极辉光放电-原子发射光谱 矿泉水 锶 检测 Solution cthode gow dscharge Mineral water Strontium Detection
重庆邮电大学光电工程学院, 光电信息感测与传输技术重庆重点实验室, 重庆 400065
化学需氧量(COD)是反映水体受有机物污染程度的重要指标。 紫外吸收光谱法是目前水体COD检测研究中应用最为广泛的方法, 具有样品无需预处理, 成本低, 无污染, 测定速度快等优点。 但是, 原始光谱数据维数高, 光谱信息中包含大量冗余变量, 直接将全光谱数据进行建模存在精度低, 计算复杂等问题。 针对紫外吸收光谱全光谱建模精度低, 光谱数据存在大量共线性的问题, 提出了一种基于粒子群算法(PSO)结合偏最小二乘(PLS)优选特征波长建立预测模型的方法, 以提高紫外吸收光谱预测模型的精度和适用性, 简化模型。 利用搭建的紫外吸收光谱装置, 采集29份不同浓度的COD标准溶液的紫外光谱数据, 每份标准溶液采集5次取平均值并对其进行平滑处理, 减少仪器和环境带来的误差。 考虑到标准溶液在200~310 nm的光谱范围内存在吸收, 故选取该波段范围内246个波长点作为建模数据, 每个波长点下的吸光度数据作为一个粒子并按照顺序编号, 以PLS为建模方法, 相关系数r和均方根误差(RMSE)为评价指标, 设置粒子群算法适应度函数f(x)=min(RMSE), 取粒子初始种群数为20个, 惯性权重w=0.6, 自我学习因子c1=1.6, 群体学习因子c2=1.6, 最大迭代次数为200次, 算法终止条件为达到最大迭代次数。 算法输出全局最优变量取值为168, 94, 181, 183, 175, 209, 106和142。 采用粒子群算法优选的8个波长点建立PLS预测模型的相关系数r和预测均方根误差RMSE分别为0.999 98和0.155 1。 为了验证PSO-PLS建立的预测模型效果, 建立了PLS, iPLS和SVR三种预测模型进行对比。 验证结果表明, PSO-PLS模型的相关系数r和均方根误差RMSE均优于其他三种预测模型, 说明粒子群算法能有效的提取用于PLS建模的特征波长, 消除子区间变量的共线性, 提高预测模型的精度。 该方法为实现水体COD实时在线监测提供了一种有效途径。
粒子群算法 紫外吸收光谱 COD测量 PLS回归 Particle swarm optimization UV absorption spectroscopy COD measurement PLS regression
溶液阴极辉光放电-原子发射光谱法是近年来兴起的一种新型水体金属离子检测技术, 它具有快速, 在线和低成本检测的显著特点。 以工业注射泵实现溶液阴极辉光放电激发源的流动注射进样, 再以窄带滤光片分别提取Na, K, Ca, Li, Sr和Cs金属元素发射光谱信号, 最后由光电倍增管和皮安表接收光谱信息光谱信号, 实现了水质金属元素的检测。 实验分析了注射容量分别为100和166 μL对1 mg·L-1的Na元素产生的信号强度的影响, 研究发现其信号强度的相对标准偏差(RSD)分别为4.64%和1.95%, 说明两种注射量稳定性都较好。 为了获得更好的分析性能, 实验分析了直流放电电压, 狭缝的宽度以及光电倍增管供压等参数对信号强度的影响。 实验结果表明, 在直流放电电压为1 000 V, 狭缝宽度为70 μm和光电倍增管供压为-800 V时获得了较高的信背比。 采用此装置在流动注射模式下, 测得了Na, K, Ca, Li, Sr和Cs六种金属元素检出限, 分别为2.78, 4.23, 589, 9.45, 981和83.6 μg·L-1。 实验最后对混合溶液标定物质中的Na和K元素进行了定量分析测量, 测量的误差分别为7.5%和6.67%, 精密度分别为1.24%和0.89%, 研究结果表明基于滤光片提取光谱的流动注射分析-溶液阴极辉光放电-原子发射光谱方法具有较高的检测准确度。
溶液阴极辉光放电 滤光片 流动注射分析 检出限 Solution cathode glow discharge Filter wheel Flow injection analysis Limit of detection
本文设计了一种基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片, 利用介质波导激发等离子波导的耦合结构减小传输损耗, 增加传输距离, 以实现拉曼信号的长程探测。在632.8 nm的激发光入射下, 以金(Au)作为等离子波导芯层材料, PTFE做为介质光波导芯层材料, 经仿真分析发现: 介质光波导宽度为4 μm、厚度为0.2 μm, 等离子体波导宽度为4.5 μm、厚度为13 nm, 两波导间距D为3.1 μm时, 耦合效果最好, 场强大小约1.8024×108, 传输距离约0.3 mm, 是单独使用等离子波导传输距离的两倍。该研究为实现表面增强拉曼微流体芯片长程探测提供了理论依据。
等离子波导表面增强拉曼散射 长程探测 plasma waveguide surface-enhanced Raman scattering long-range detecting
本文设计了一种基于长程等离子波导的表面增强拉曼光流体芯片, 利用介质波导激发等离子波导的耦合结构减小传输损耗, 增加传输距离, 以实现拉曼信号的长程探测。在632.8 nm的激发光入射下, 以金(Au)作为等离子波导芯层材料, PTFE做为介质光波导芯层材料, 经仿真分析发现: 介质光波导宽度为4 μm、厚度为0.2 μm, 等离子体波导宽度为4.5 μm、厚度为13 nm, 两波导间距D为3.1 μm时, 耦合效果最好, 场强大小约1.8024×108, 传输距离约0.3 mm, 是单独使用等离子波导传输距离的两倍。该研究为实现表面增强拉曼微流体芯片长程探测提供了理论依据。
等离子体波导 表面增强拉曼散射 远程探测 plasma waveguide surface-enhanced Raman scattering long-range detecting
重庆邮电大学 光通信与网络重点实验室, 重庆 400065
针对准循环低密度奇偶校验(LDPC)码在高信噪比区域可能存在错误平层的问题, 提出了一种基于等差数列(AP)和消除基本陷阱集(ETS)的低错误平层QC-LDPC码构造方法。该方法利用改进的ETS消除算法构造基矩阵, 以减少基本矩阵中的小基本陷阱集。然后利用特殊性质的等差数列(AP)确定循环移位系数, 扩展得到最终的校验矩阵。该构造方法的计算复杂度低且码字的码长、码率可灵活设计。并且仿真结果表明, 所构造码率为0.5的PEG-Trap set-AP(PTAP)-QC-LDPC(1200,600)码, 在误码率为10-6时, 与IEEE 802.16标准中QC-LDPC(1200,600)码、利用PEG算法与AP的PEG-AP-QC-LDPC(1200,600)码、通过控制环(CC)的CC-QC-LDPC(1200,600)码和基于等差数列的AP-QC-LDPC(1200,600)码相比较, 其净编码增益分别提升了0.08, 0.31, 0.57和0.64dB, 有效地改善了高信噪比区域的纠错性能, 且未出现明显的错误平层。
准循环低密度奇偶校验(QC-LDPC)码 陷阱集 等差数列 错误平层 QC-LDPC codes trap sets arithmetic progression error floor
1 西华师范大学物理与电子信息学院, 南充 637009
2 重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
本文介绍一种集成微通道的表面增强拉曼基底.采用湿法刻蚀方法在硅片上形成微通道,然后电子束蒸发沉积金薄膜,最后在300 ℃温度下高真空退火30分钟,使微通道内形成均匀且高密度的金纳米颗粒结构.用场发射扫描电子显微镜(SEM)对基底表面进行表征发现:金膜厚度对基底的表面形貌影响很大,5 nm厚的金膜在退火后形成了均匀的高密度的纳米颗粒结构,而10 nm厚的金膜退火后没有得到高密度纳米颗粒结构.用10-6 M的罗丹明6G作为探测分子进行拉曼实验测试结果同样表明:5 nm厚的金膜退火后形成高密度的金纳米颗粒显著地增强了R6G拉曼信号.同时,对比了宽度分别为25、60、110 μm三种尺寸的微通道的基底表面形貌和拉曼增强效应,微通道尺寸对表面形貌和拉曼增强效应影响均很小.
表面增强拉曼 金纳米颗粒 微通道 基底 surface enhanced Raman scattering gold nanoparticle micro-channel substrate
1 西华师范大学 物理与电子信息学院, 四川 南充 637009
2 重庆大学 光电工程学院 光电技术及系统教育部重点实验室, 重庆 400044
研究了纳米金粒子修饰碳纳米管阵列结构的表面增强拉曼散射性能。通过FDTD理论模拟仿真了不同粒径纳米金颗粒的场强分布; 并采用化学还原的方法制备出直径分别为20、40和60nm三种不同粒径的金颗粒, 然后将纳米金粒子修饰到有序定向的碳纳米管阵列表面, 并将该结构作为表面增强拉曼基底。FDTD软件仿真结果表明, 60nm粒径的纳米金颗粒周围场强分布最强, 是入射场场强的15倍。同时将罗丹明6G溶液用于测试几组不同尺寸的金颗粒对拉曼散射光强的影响, 发现60nm金颗粒对R6G拉曼信号增强最大。FDTD理论模拟仿真和罗丹明6G溶液实验测试结果表明: 金颗粒尺寸在20~60nm内, 颗粒尺寸越大, 拉曼散射光的光强越大。
拉曼光谱 表面增强拉曼散射 碳纳米管 纳米金颗粒 Raman spectroscopy surface enhanced Raman scattering carbon nanotubes gold nanoparticle