2020年, 第32卷, 第1期　刊出日期：2020-03-10

  

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综述
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  微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

  徐迪, 黄青

  光散射学报. 2020, 32(1): 1-22. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001001

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  微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。
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  拉曼光谱在墨迹鉴定中的应用研究进展

  刘英霞, 贾硕果

  光散射学报. 2020, 32(1): 23-29. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001002

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  拉曼光谱因其微量、无损、高效等优点被广泛应用于法庭科学领域尤其是墨迹分析鉴定中,文章总结了常用的拉曼光谱技术及其在圆珠笔、钢笔、签字笔、激光打印机、喷墨打印机等的墨迹鉴定中的应用,提出建立标准的墨迹拉曼谱图数据库、探索与其他仪器技术联用以及与化学计量学等分析方法的结合将是拉曼光谱技术应用于墨迹鉴定中的发展趋势。
光散射理论
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  不同笼占据率Ⅰ型甲烷水合物结构和光学性质的第一性原理研究

  邓蓉, 王赵, 杨亮, 李劲, 杨则金

  光散射学报. 2020, 32(1): 30-39. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001003

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  本文基于第一性原理计算,对三种不同结构的Ⅰ型甲烷水合物进行弛豫,得到优化后的结构、电子态密度及光学性质,通过对结果的分析揭示不同笼子占据率对水合物的结构和相关性质的影响。这三种结构分别为:(cI) 只有一个大笼未被占据; (cII)只有一个小笼未被占据; (cIII) 每个笼子都被甲烷分子占据。结果显示,cIII是最稳定的,因为它有完美的晶体结构;cII和cI相对较不稳定,其中cI在缺失一个甲烷分子的情况下,结构出现了较大的变形,这导致它成为三种情况中最不稳定的结构;相反,同样缺失了一个甲烷分子的cII的结构变形就很小。cII和cI的体积变化分别是0.56%和2.1%,cII的电子态密度和能带几乎与cIII的一致,而cI的则与前两者差别很大。计算结果表明,相对于电子转移,质子无序对水合物的介电常数的影响更为主要;甲烷水合物只对紫外光有响应,无论结构和占据率差异如何,甲烷水合物都具有相近的光学性质。本文的结果证明,缺失一个甲烷分子,对cII造成的影响很小,其晶体结构、介电常数和光学性质与cIII的一致,然而同样缺失一个甲烷分子的cI的结构及性质却出现了巨大变化。这些结果可为水合物探测提供有价值的参考。
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  金纳米旋转椭球的折射率传感特性分析与优化

  夏伊丁·亚库普, 帕尔哈提江·吐尔孙, 武盼盼

  光散射学报. 2020, 32(1): 40-45. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001004

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  对于金纳米颗粒在化学和生物传感中的应用,找到具有高品质因子的金纳米颗粒形状是近年来的研究热点。基于T矩阵方法和介电函数的尺寸修正模型,本文从理论上定量研究了金纳米旋转椭球的尺寸对其折射率灵敏度、半峰宽以及品质因子的影响。为了获得最佳传感性能,对品质因子进行了优化,并得到了最优的颗粒尺寸参数。结果发现,短半轴为11 nm和长半轴为49 nm的金纳米旋转椭球具有最大品质因子6.76。优化后的金纳米旋转椭球可以作为理想的化学和生物传感器。本研究为金纳米旋转椭球在化学和生物传感的应用中提供重要的理论依据。
表面增强拉曼散射技术
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  基于单个花状银纳米颗粒的表面增强拉曼散射效应研究

  陶晨阳, 宁欢, 陈海艺, 范天瑜, 詹依婷, 杨硕

  光散射学报. 2020, 32(1): 46-51. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001005

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  在室温下,以硝酸银为银源,抗坏血酸为还原剂,通过调节表面活性剂聚乙烯吡络烷酮的浓度,实现对花状银纳米颗粒的可控制备。利用扫描电子显微镜、原子力显微镜、X射线衍射和X射线能谱等手段检测并分析了材料的形貌结构和成分组成。实验结果表明,当聚乙烯吡络烷酮的浓度为0.1 mol/L时,所制备花状银纳米颗粒的表面结构达到最精细的状态且颗粒的尺寸达到微米量级,适合对单颗粒进行定位与光学性质研究。以结构最优化的花状银纳米颗粒为表面增强拉曼散射基底材料,以羟基苯甲酸为探针,对单个和少数颗粒的表面增强拉曼散射效应进行了研究,并借助暗场散射光谱分析了基底的表面增强拉曼散射机理。结果显示,该花状银纳米颗粒因其独特的表面结构为拉曼信号增强提供了大量“热点”。良好的拉曼性能以及较低的制备成本表明,该新型表面增强拉曼散射基底具有很大的应用前景。
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  还原氮化对V₂O₅薄膜SERS效应的影响

  裴媛, 吴振刚, 魏恒勇, 吴明明, 陈颖, 魏颖娜, 刘占军, 刘燕梅, 王学沛, 刘海勇

  光散射学报. 2020, 32(1): 52-57. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001006

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  探讨还原氮化后对V₂O₅薄膜SERS效应的影响。以乙酰丙酮氧钒(C₁₀H₁₄O₅V)为V源,采用非水解溶胶-凝胶法制备V₂O₅凝胶,通过氨气还原氮化V₂O₅薄膜。利用XRD、FE-SEM、UV-VIS-NIR、RAMAN测试薄膜结构、光学性能及SERS效应。结果表明,氮化后V以氮氧化合物的形式存在,随着氮化温度升高,氮元素逐步替代氧元素。随着氮化温度升高,薄膜上晶粒逐渐增大,成板条状,晶体粒径达25 nm。经600℃还原氮化得到的薄膜的紫外可见近红外区域的吸收率最高,且禁带宽度相对于未氮化时的V₂O₅薄膜较小。利用R6G作为探针分子研究了薄膜的SERS效应,结果表明氮化温度600 ℃时薄膜具有显著的拉曼增强效应,且高于未氮化时的V₂O₅薄膜的拉曼增强效果,在620 cm^-1处拉曼信号峰强度达485 cps.
化学和生物研究中的应用
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  Fe₃O₄@Au 纳米星颗粒作为循环SERS基底用于农药残留物的检测

  丁倩倩, 顾涛, 董荣录

  光散射学报. 2020, 32(1): 58-62. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001007

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  本文首先采用共沉淀的方法制备了Fe₃O₄纳米颗粒,随后经柠檬酸钠和对苯二酚还原氯金酸的方法在Fe₃O₄纳米颗粒的表面生成刺状Au纳米结构,进而获得Fe₃O₄@Au 纳米星颗粒。该Fe₃O₄@Au纳米星颗粒作为SERS基底,用作农药残留物福美双和敌瘟磷的检测。由于高密度的Au纳米结构的尖端效应,该基底显示出高敏感的SERS活性。最后利用Fe₃O₄纳米颗粒的磁性,将其用于循环SERS测试,研究了其循环使用特性。
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  拉曼光谱3D成像技术确定黑色交叉笔画顺序的研究

  白国华, 鲁逸林, 连园园

  光散射学报. 2020, 32(1): 63-71. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001008

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  在文书鉴定中,经常涉及对交叉笔画的检验,进而判断文件是否存在篡改、变造,此外,交叉笔画的检验也有助于判断笔迹个性特征、笔顺特征。本文采用拉曼光谱3D成像技术对多品牌不同型号的黑色圆珠笔和国产签字笔进行实验筛选,结合现有交叉笔画检验方法中如笔画连续性、收敛现象等特征,分析该方法判断交叉笔画书写顺序适用的各种情形:经赋色的笔画3D模型大量出现明显的“峰谷”异色现象,且表现一致,则能够得出准确结论;当现象明显存在但表现不一致或现象不明显时,需结合笔画连续性在3D模型中的特征分析判断,亦能得出正确结论,但准确率受数据处理的优劣及成像效果的影响较大;无法检测的情形,即无法获得有效拉曼光谱信息或无法区分两种油墨光谱信息时,该方法失效。笔者认为采用拉曼光谱3D成像技术在一定条件下能够对交叉笔画书写顺序进行相对客观、准确的判断,受鉴定人员主观影响较小,值得更加深入全面的研究,以便推广应用。
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  上川岛青花彩瓷的光谱分析

  胡林顺, 曾庆光, 温锦秀, 陈子坤, 张国雄

  光散射学报. 2020, 32(1): 72-77. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001009

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  本文采用X射线荧光光谱和显微拉曼光谱对广东省江门市上川岛“花碗坪”遗址发掘的青花彩绘瓷片进行成分的元素和结构分析。结果表明瓷片的瓷胎具有低铝、高硅、高钾的特点。红褐色颜料采用的是釉上彩工艺,显色为赤铁矿,主要的助溶剂为氧化钾;蓝色颜料采用的是釉下彩,显色为国产的钴土和进口钴土矿混合,助溶剂主要为氧化钙。通过结合遗址当时历史背景和计算F函数可以推断出瓷片来源于明末清初福建省的漳州漳窑。
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  乳腺癌的傅里叶变换红外光谱成像研究

  陆燕飞, 朱勇康, 赵远, 徐新宇, 尹建华

  光散射学报. 2020, 32(1): 78-83. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001010

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  傅里叶变换红外光谱(FTIR)成像技术可同时获得组织样本的空间分布信息和红外光谱信息。本文利用FTIR成像技术对离体原位乳腺组织样本进行原位研究,通过特征谱带吸光度比值(面积比值)图像结合FTIR光谱分析研究健康和癌变乳腺组织的差异。发现乳腺癌组织的特征带吸光度比值A₁₀₈₇/A₁₄₅₅、A₁₂₃₈/A₁₄₅₅、A₁₅₅₀/A₁₄₅₅、A₁₆₅₀/A₁₄₅₅相对于健康组织明显增大,A₁₁₆₀/A₁₀₈₇、A₁₇₄₀/A₁₅₅₀则减小。研究结果论证了乳腺组织癌变过程中大分子含量的变化规律,体现了FTIR成像技术在乳腺癌诊断方面的准确性、直观性和可行性,其有潜力成为基础研究和临床诊断的一种准确有效的技术手段。
其它光谱技术及应用
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  基于激光诱导荧光的油类污染物检测系统研究

  陈至坤, 郭蕊, 程朋飞

  光散射学报. 2020, 32(1): 84-89. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001011

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  油类污染物具有破坏海洋生态系统和间接污染大气及土壤的危害,快速、准确地检测污染物的成分及其浓度具有重要意义。由于油类污染物光谱重叠严重,因此难以通过传统荧光分析准确加以区分。本文基于激光诱导荧光技术,以氙灯作为激发光设计荧光光谱检测系统,并对0#柴油、92#汽油和煤油进行扫描和检测,从而获得激发/发射光谱以及最佳激发/发射波长。并对该系统的软件算法部分进行改进,运用Savitzky-Golay卷积平滑直接获得更加精确的激发/发射光谱,更能全面、准确地反映油类物质的荧光特性信息。并与传统的荧光光谱仪得到的光谱图进行对比,经实验验证激光诱导荧光技术的荧光光谱检测系统的有效性,对油类污染物的荧光光谱信号的检测具有更高的灵敏度。
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  利用小角X射线散射技术研究煤干馏过程中的孔隙结构变化

  肖鹏, 张淑娇, 李东风, 谢飞, 李志宏

  光散射学报. 2020, 32(1): 90-94. https://doi.org/10.13883/j.issn1004-5929.202001012

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  煤干馏是煤炭高效利用的重要途径之一。同步辐射小角X射线散射(Small Angle X-Ray Scattering,SAXS)技术是研究煤干馏过程中内部孔隙结构变化的常用手段。本文利用SAXS对山西余吾烟煤干馏过程(100~1200 ℃,温度梯度100 ℃)进行了表征,并对分形维数和粒径分布的变化进行了分析。结果发现煤干馏过程中,散射图像类似,具有各向同性特征,始终保持表面分形结构,且分形维数总体上呈现增大的趋势;随着煤干馏温度的升高,粒度分布发生了显著变化,充分反映了煤在不同干馏阶段的结构特征,对后续的煤炭研究具有一定的指导意义。