基于增强拉曼SERS技术的中药成分检测

2022-06-16 22:40:52 奥谱天成（厦门）光电有限公司

随着中药市场的繁荣发展，在利益的诱惑下也使得市场上的中药质量不一，中药材以及中药饮片的制作和销售经常出现以次充好、鱼目混珠，这严重危害消费者的生命安全。因此为了保护药材资源，改善药材市场现状，对中药的成分进行分析来鉴别中药的真伪是有意义的。

中药分析方法主要有: 质谱分析法、色谱分析法、光谱法等，其中光谱法具有很多优点，推动了中药分析的发展。

表面增强拉曼散射效应（Surface-enhanced Raman Scanning）是指待测样品在某些金属的表面或者金属纳米颗粒溶胶表面附近，受到激光激发后,会在接触表面形成局部很强的电磁场从而使得待测分子的拉曼散射信号增强。表面增强拉曼解决了拉曼散射信号弱的特点，可以用来获取普通拉曼光谱得不到的信息, 在化学、材料、环保、医疗、结构分析等领域都有很广泛的应用, 使用它可以获取化学键的振动和转动信息。

图 1 白芍汤剂的拉曼光谱

每一个拉曼峰对应着不同的化学键信息，通过分析这些特征峰就可以获得待测分子的结构信息，从而实现成分分析。SERS 技术受水的干扰比较小，因此可以用来测液体，也可以进行微量分析，已经有学者利用 SERS 技术得到单分子的增强拉曼光谱。

陈皮的普通拉曼光谱

采用785nm的拉曼光谱仪，在测试过程中，首先直接对其表皮和内侧分别取点进行检测，测试结果如图 2所示。

图 2 陈皮切片的拉曼光谱

根据图 2 中的实验结果我们并没有获得到陈皮切片的拉曼光谱，分析原因，由于采用的是 785nm 拉曼光谱检测系统进行的检测，所以排除了大部分荧光干扰的原因，陈皮的拉曼信号较弱也会导致得不到其拉曼光谱。立足于此，开始了陈皮的 SERS 光谱研究，如果直接对大块的固体进行拉曼增强，目前还没有相关研究，本文采用对陈皮水溶液进行拉曼光谱增强的方式来对其进行研究。

图 3 陈皮水溶液的拉曼光谱

从陈皮水溶液的普通拉曼光谱图中，我们也并没有发现有拉曼峰出现，因此我们采用银纳米颗粒溶胶对其拉曼光谱进行增强，利用银纳米颗粒的局部电磁场增强效应实现对陈皮水溶液拉曼光谱的增强。

陈皮的 SERS 光谱

从图 4 到 11 中，可以看到我们得到了 8 种不同年份陈皮的增强拉曼光谱，其中陈皮拉曼信号增强的主要原因有：

（1）入射激光照射到银纳米颗粒的表面上，引起接触面附近的电磁场增强，使得拉曼散射信号增强，对应于物理增强；

（2）在陈皮溶液与银溶胶的混合体系中，银纳米颗粒表面和陈皮相互接触后，发生了电荷转移现象，使得待测分子的极化率变大，从而实现了拉曼散射信号的增强，对应于化学增强。

通过检测获取了 8 种不同储存年份陈皮的 SERS 谱，下面对每个图谱分别进行分析。图 4是 1 年陈皮的 SERS 光谱，横坐标为拉曼位移，纵坐标代表峰的强度，从图中可以看到 1 年陈皮含有多个拉曼特征峰，参考资料文献初步对主要的特征峰的进行了归属，结果如表 1 所示。

图 4 1 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

表 1. 1 年陈皮的拉曼峰的归属

图 5是 3 年陈皮的 SERS 光谱，从图中可知 3 年陈皮同样含有多个拉曼特征峰，对主要的特征峰的进行了归属，结果如表 2所示。与 1 年的陈皮相比 493cm-1处的拉曼峰在 3 年的陈皮检测中变得很弱，其它的峰则存在，原因可能是这个拉曼峰所对应的物质成分减少了。

图 5 3 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

表 2. 3 年陈皮的拉曼峰的归属

图 6 是 5 年陈皮的 SERS 光谱，从图中可知 5 年陈皮同样含有多个拉曼特征峰，对主要的特征峰的进行了归属，结果如表 3所示。和 1、3年的陈皮相比在 618cm-1处出现了新的拉曼峰，它的归属参考表 3，原因可能是 5 年的陈皮中出现了 1、3 所没有的物质，而这种物质的特征峰包含 618cm-1。

图 6 5 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

表 3. 5 年陈皮的拉曼峰的归属

图7 是 7 年陈皮的 SERS 光谱，从图中可知 7 年陈皮同样含有多个拉曼特征峰，对主要的特征峰的进行了归属，结果如表 4所示。和 1、3、5 年的陈皮相比在 493cm-1处重新出现了拉曼峰，可能是这种物质的含量又增加了；另外在 650cm-1处出现很强的拉曼峰，这在 1、3、5 年的陈皮中是没有的，其归属见表 3-8；在 808、884、1132、1212 cm-1也出现了新的拉曼峰，可见 7年的陈皮中检测出来 1、3、5 年陈皮中所没有的成分或者这些成分的含量随时间增加；1323 cm-1 处的拉曼峰则变宽了，在 1350cm-1附近形成一个很宽的拉曼峰，其原因有待进一步的研究。

图 7 7 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

表 4. 7 年陈皮的拉曼峰的归属

图 8 是 8 年陈皮的 SERS 光谱，从图中可知 8 年陈皮同样含有多个拉曼特征峰，和 7 年陈皮的拉曼光谱图很相似，说明两者的成分很相近。在 493、650、808、884、1132、1212、1323 、1350cm-1等处同样存在拉曼峰，只是在峰的强度上有些差异，但是这有可能是拉曼散射增强效果不同所造成的。

图 8 8 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

图9到图11分别是9、10、11年陈皮的SERS光谱，从这些图中可到看到他们的拉曼光谱图很相似，说明这些年份的陈皮成分很相近，可以推测7年到11 年内陈皮的成分趋于稳定，基本是一样的，但是这些成分的含量是否发生了变化，还无法给出结论，各个特征峰的归属见表 5。

图 9 9 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

图 10 10 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

图 11 11 年陈皮水溶液的 SERS 光谱

表 5. 8、9、10、11年陈皮的拉曼峰的归属

图 12 八种年份的陈皮的增强拉曼光谱

图 12是把 8 种年份陈皮的 SERS 的组合图，从图中更容易发现它们的拉曼峰的变化。首先从曲线形状上来看，存放 1、3、5 年份的陈皮的拉曼光谱基本相似，说明它们内部化学成分大致相同；存放 7、8、9、10、11 年份的陈皮的拉曼光谱基本相似，说明它们内部化学成分大致相同。图 3-19 中可以看出 7 年（含7 年）之后的陈皮的拉曼光谱中多出了一些 5 年（含 5 年）以前的陈皮所没有的拉曼峰，在 650cm-1处出现很强的拉曼峰，这在 1、3、5 年的陈皮中是没有的，其归属见表 5，在 808、884、1132、1212 cm-1也出现了新的拉曼峰。1323 cm-1 处的拉曼峰则变宽了，在 1350cm-1附近形成一个很宽的拉曼峰。说明5年以前的新会陈皮的化学成分基本是一样的，而到达 7 年之后，则会形成一些新的物质。利用增强拉曼光谱技术很容易把 5 年以下的新会陈皮和 7 年以上的新会陈皮很容易区分出来。