拉曼光譜檢測水中痕量甲基膦酸

王　楠，程振興*，張鴻鵬，黃志平，劉廣強，蔡偉平

(1.中國人民解放軍防化學院，北京　102205；2.中科院固體物理研究所，合肥　230031)

?

拉曼光譜檢測水中痕量甲基膦酸

王楠1，程振興1*，張鴻鵬1，黃志平1，劉廣強2，蔡偉平2

(1.中國人民解放軍防化學院，北京102205；2.中科院固體物理研究所，合肥230031)

摘要:基于化學增強理論，選取了銀、鎳和鐵等過渡金屬離子與甲基膦酸(MPA)分子進行絡合，采用拉曼光譜技術對水相中微量的甲基膦酸進行檢測。結果表示，銀離子對于水相中甲基膦酸的拉曼增強效果最佳；并且添加銀離子后并不影響其定性檢測；進一步的條件優(yōu)化實驗表明，隨著銀離子添加量的增加，增強效果會先增大后減小，當CMPA∶CAg+=1∶1時增強效果達到最佳，檢測下限為20 pg。

關鍵詞：拉曼光譜； 化學增強； 甲基膦酸； 痕量檢測

1引言

當今時代，隨著國際恐怖組織和一些極端宗教組織對化學武器的覬覦和化學工業(yè)發(fā)展的全球化，我們?nèi)圆荒軠p少對化學武器威脅的關注，1995年日本東京地鐵遭受沙林毒劑攻擊事件是典型的化學恐怖襲擊實例[1]。但是沙林等神經(jīng)毒劑在自然環(huán)境中穩(wěn)定性不高，易分解為相應的甲基膦酸脂和甲基膦酸，因此在環(huán)境樣品中很少發(fā)現(xiàn)神經(jīng)毒劑的原體，更多的為其降解產(chǎn)物。甲基膦酸作為神經(jīng)毒劑沙林的主要水解產(chǎn)物，其在水相中極其穩(wěn)定，因此檢測水相中的甲基膦酸對于判斷染毒種類具有重要意義，其快量檢測正在被各國學者關注[2-3]。

現(xiàn)階段對于甲基膦酸的檢測可采用固相微萃取-氣相色譜(SPME-GC)檢測技術[4]，該方法的優(yōu)點是靈敏度高、重復性好，但是過程繁瑣、耗時長，而且對于實驗條件有著嚴格的要求。拉曼光譜技術由于其可以直接提供物質表面的分子結構信息，同時具有不受水的影響和無損分析等特點在食品安全、生物醫(yī)學和環(huán)境檢測等領域具有很大的優(yōu)勢和潛力，但是由于甲基膦酸分子散射截面積小、極化率低且無生色基團，不利于拉曼光譜直接檢測，如果對甲基膦酸分子進行結構改性將可能提升其拉曼活性。已有文獻[5]報道利用納米結構的金、銀顆粒通過與待檢測物結合從而改變其振動模式，并觀察到明顯的增強效應，但其中化學增強的貢獻是有限的，最高僅為102[6]。由于過渡金屬離子自身具有較高的極化率，通過化學鍵合作用同樣可以明顯改善配體的振動模式和極化率，本論文基于化學增強的原理(chemical enhancement mechanism,CM)[7]提出了一種通過強鍵合作用生成金屬絡合物來增強被檢測物的拉曼活性，從而實現(xiàn)檢測痕量甲基膦酸的有效方法，為拉曼檢測技術在防化領域的實際應用提供理論基礎和技術支撐。

2實驗部分

2.1設備與試劑

SENTERRA共聚焦激光拉曼光譜儀，德國布魯克(Bruker)公司；PDC-32G PLASMA清潔器，美國Harrick Plasma公司；BS224S 電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

甲基膦酸(MPA)，98%，北京伊諾凱科技有限公司；硝酸銀(AgNO3)、硝酸鉻(Cr(NO3)3)、硝酸鈷(Co(NO3)2)，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；硝酸鎳(Ni(NO3)2)、硝酸鐵(Fe(NO3)3)，分析純，北京化學試劑廠；硝酸銅(Cu(NO3)2)，分析純，汕頭西隴化工廠；高純氬，北京氦普北分工業(yè)氣體有限公司；鍍金硅片，合肥中科院固體物理研究所提供。

2.2實驗方法

將甲基膦酸、硝酸銀、硝酸銅、硝酸鐵、硝酸鉻、硝酸鎳和硝酸鈷分別溶于去離子水中，配置成0.01 mol/L水溶液移入棕色容量瓶中保存。

為了確保襯底不產(chǎn)生基底信號，我們選用表面光潔的鍍金硅片作為襯底。使用前，將鍍金硅片襯底均勻切割成5 mm×5 mm大小，放入PLASMA表面清潔儀中在高功率下利用氬氣等離子體清潔3 min，從而保證襯底潔凈，不產(chǎn)生干擾信號。

取一定質量的甲基膦酸粉末于鍍金硅片襯底上，固定于樣品臺上進行拉曼測試。

將甲基膦酸和金屬鹽溶液等體積混合(摩爾比為1∶1)，用微量移液器移取混合液2 μL，點滴到鍍金硅片襯底上，風干后進行拉曼檢測。

采用50倍工作距離為8 mm的物鏡進行拉曼測試，拉曼檢測條件為：532 nm激光激發(fā)，功率10 mW，積分時間10 s，光闌尺寸50×50 μm狹縫。

3結果與討論

3.1不同金屬離子的影響

為討論不同過渡金屬離子對于甲基膦酸檢測的影響，表1列出了甲基膦酸與不同金屬離子絡合物的拉曼特征峰位置與信號強度。通過比較散射峰位置得出對于在779 cm-1處具有甲基膦酸指紋識別的P-C鍵特征峰[8]在混入金屬離子之后峰位置在765~783 cm-1范圍內(nèi)發(fā)生位移。同時不同組分表現(xiàn)出不同的信號強度，進一步對此處峰面積進行積分來定量表現(xiàn)不同組分信號強度，從中得出甲基膦酸與銀離子的絡合物拉曼信號強度最強。

Table.1Influence of the different metallic ion on Raman spectra for MPA

種類P-C鍵峰位置/cm-1拉曼譜帶積分強度IMPA779-MPA-Cr3+7831.1×102MPA-Co2+7811.5×102MPA-Fe3+7824.8×102MPA-Cu2+7788.9×102MPA-Ni2+7691.4×103MPA-Ag+7652.3×104

3.2甲基膦酸-銀離子絡合物譜圖分析

由于銀離子的加入并與甲基膦酸發(fā)生了強的化學作用，可能使甲基膦酸的拉曼峰位置產(chǎn)生偏移，進一步對甲基膦酸-銀離子絡合物進行譜圖分析。圖1(a)是硝酸銀粉末的拉曼譜圖，圖1(b)為甲基膦酸粉末的拉曼譜圖，圖1(c)為0.01 mol/L的甲基膦酸與銀離子絡合物的拉曼譜圖。

Fig.1(a) Normal Raman spectrum of silver nitrate (b) Normal Raman spectrum of MPA (c) Raman spectrum of the complexation of MPA with silver ion

通過比較三種樣品的拉曼譜圖發(fā)現(xiàn)，甲基膦酸-銀離子絡合物在765 cm-1處的P-C伸縮振動得到了明顯的增強，而在1426 cm-1處的C-H彎曲振動則增強效果并不明顯；同時其P-C振動模頻率變低(765 cm-1對比779 cm-1)，而C-H的彎曲振動則無明顯偏移。由于沙林分子中P的四個配體中只有-CH3不能被親核試劑所取代，所以P-C鍵相對很穩(wěn)定，因此可以選擇甲基膦酸中的P-C鍵作為特征拉曼峰進行檢測。雖然該方法會導致P-C振動模紅移，但由于其P-C峰位置附近并無其他干擾拉曼峰(NO3-的峰位置位于1046 cm-1)，所以此方法可以作為一種定性檢測甲基膦酸的方法。

3.4銀離子添加量對檢測的影響

為了進一步優(yōu)化實驗條件，圖2給出了不同銀離子添加量對于甲基膦酸拉曼檢測的影響，從(a)到(f)分別對應的是銀離子與甲基膦酸，摩爾比為1∶0、1∶0.1、1∶0.5、1∶1、1∶2和1∶4，甲基膦酸與銀離子濃度均為0.01 mol/L。分析譜圖可知，銀離子添加量摩爾比在1∶0.5以下時甲基膦酸的拉曼信號很弱，隨著銀離子添加量的增大，拉曼信號得到了顯著的增強，在摩爾比為1∶1時拉曼信號達到最強。但是隨著添加量的繼續(xù)增大，甲基膦酸的拉曼信號明顯減弱同時出現(xiàn)了硝酸銀的拉曼特征峰。分析原因可能是液滴在鍍金硅片襯底上風干時，若硝酸銀過量則它會在襯底表面形成一層金屬鹽的結晶層，而甲基膦酸分子則僅僅是通過物理吸附的方法附著在硝酸銀的表面，從而并未形成強的鍵合作用，所以我們可以分別檢測到甲基膦酸和硝酸鹽的拉曼特征峰。

Fig.2The influence of different concentrations of silver ion to MPA Raman spectra

3.4對不同濃度的甲基膦酸水溶液的檢測

為測定該方法的檢測效果，圖3從b-e給出了甲基膦酸水溶液濃度從10-5mol/L逐漸增大到10-2mol/L的拉曼譜圖。分析圖3可知甲基膦酸銀離子絡合增強方法對甲基膦酸的檢測限可達20 pg；甲基膦酸拉曼信號的強度隨濃度的增大而增強。而10-2mol/L與10-3mol/L兩個濃度拉曼信號的強度差別很小，繼續(xù)降低濃度則拉曼信號強度明顯減弱，原因可能是由于甲基膦酸與銀離子濃度降低反應平衡發(fā)生移動，絡合物生成率降低。

Fig.3Raman spectra of different concentration of MPA (0,10-5,10-4,10-3,10-2mol/L from (a) to (e),respectively)

4結論

根據(jù)化學增強的原理，找到了一種可以明顯提高甲基膦酸水溶液拉曼檢測效率的方法。通過比較不同金屬離子對于甲基膦酸拉曼檢測所產(chǎn)生影響，結果表明銀離子與甲基膦酸的絡合物拉曼檢測效果最佳。通過對甲基膦酸-銀離子絡合物的譜圖分析表明，銀離子的加入并未引起甲基膦酸拉曼峰位置的明顯變化。條件優(yōu)化實驗結果表明，銀離子的添加量存在一個最佳值，當CMPA∶CAg+=1∶1時，檢測下限可達20 pg。

參考文獻

[1]Nakajima T,Sasaki K,Ozawa H,etal.Urinary metabolites of sarin in a patient of the Matsumoto sarin incident[J].Arch Toxicl,1998,72:601-603.

[2]Farquharson S,Gift A,Maksymiuk P,etal.Surface-enhanced Raman spectra of VX and its hydrolysis products[J].Appl Spectrosc,2005,59: 654-660.

[3]Taranenko N,Alarie J P,Stokes D L,etal.Surface-enhanced Raman Detection of Nerve Agent Simulant (DMMP and DIMP) vapor on electrochemically prepared silver oxide substrates[J].J Raman Spectrosc,1996,27(5):379-384.

[4]Nassar A E,Lucas S V,jones W R,etal.Separation of chemical warfare agent degradation products by the reversal of electroosmotic flow in capillary electrophoresis[J].Anal Chem,1998,70:1085-1091.

[5]Jeanmaire D L,Van D R P.Surface Raman Spectroelectrochemistry[J].Electroanal Chem,1977,84:1-20.

[6]Valley N,Greeneltch N,Van D R P,etal.A look at the origin and magnitude of the chemical contribution to the enhancement mechanism of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS):theory and experiment[J].Phys Chem Lett,2013,4:2599-2604.

[7]Morton S M,Silverstein D W,Jensen L.Theoretical studies of plasmonics using electronic structure methods[J].Chem Rev,2011,111:3962-94.

[8]Huang H,Shende C,Sengupta A,etal.Evaluation of SERS substrates for chemical agent detection[C].SPIE,2012,887322:1-22.

Raman Spectroscopy for Phosphonic Acid Detection in Water

WANG Nan1，CHENG Zhen-xing1*，ZHANG Hong-peng1，HUANG Zhi-ping1，LIU Gung-qiang2，CAI Wei-ping2

(1.InstituteofChemicalDefence，Beijing102205,China；2.InstituteofSoildStatePhysics,ChineseAcademiaofScience,Hefei230031,China)

Abstract:For the detection of methyl phosphonic acid (MPA) in water we choose several kinds of transition metal ions (Ag+,Ni2+and Fe2+,etc) to chelate with it through the chemical enhancement mechanism.It is found that the Ag+ as a strong electron donating groups to chelate with MPA leading to the highest enhancements.There was no effect on the qualitative detection of MPA when adding Ag+.The experiments results of optimizations show that along increasing concentration of Ag+,MPA Raman spectroscopy intensity firstly increased and then decreased.There was an optimized concentration of Ag+ when the CMPA∶CAg+=1∶1.The limit of detection of MPA in water was around 20 pg.

Key words:Raman scattering; chemical enhancement; methyl phosphonic acid; trace detection

中圖分類號：O657.37

文獻標志碼：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601006

作者簡介：王楠(1990-)，男，山東威海人，在讀碩士生，研究方向為拉曼光譜檢測技術及其應用研究。E-mail：wangnanwudi@126.com通訊作者：程振興，E-mail：slsl8888@sina.com

收稿日期：2015-07-07; 修改稿日期:2015-07-20

文章編號：1004-5929(2016)01-0023-04