內(nèi)分泌干擾物三苯基錫的激光拉曼光譜分析

江 娟， 高俊敏， 4*， 郭勁松， 劉小紅， 周秋紅， 歐陽文娟

1. 重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 重慶 400045

2. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室， 重慶 400714

3. 第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院檢驗科， 重慶 400038

4. 重慶大學(xué)低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心， 重慶 400045

內(nèi)分泌干擾物三苯基錫的激光拉曼光譜分析

江 娟1， 高俊敏1， 4*， 郭勁松2， 劉小紅3， 周秋紅1， 歐陽文娟2

1. 重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室， 重慶 400045

2. 中國科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室， 重慶 400714

3. 第三軍醫(yī)大學(xué)西南醫(yī)院檢驗科， 重慶 400038

4. 重慶大學(xué)低碳綠色建筑國際聯(lián)合研究中心， 重慶 400045

三苯基錫(TPhT)是目前已知的內(nèi)分泌干擾物中唯一的兩種金屬化合物之一， 被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、 農(nóng)業(yè)和交通領(lǐng)域， 其大量使用會對土壤、 海洋和內(nèi)陸淡水環(huán)境造成不同程度的影響。 本實驗采用激光共聚焦拉曼光譜采集固體TPhT的拉曼光譜信號， 嘗試將該方法用于TPhT檢測， 探索該方法的可行性， 并進行檢測參數(shù)的優(yōu)化選擇。 將拉曼光譜分析檢測方法與TPhT的物性研究相結(jié)合， 根據(jù)TPhT分子中不同官能團振動模式的不同， 將拉曼譜圖分為高、 中、 低3個波數(shù)區(qū)(1 500～3 200， 900～1 500和100～900 cm-1)進行拉曼譜峰的歸屬與分析， 得到了TPhT的特征振動模式和拉曼特征峰， 并建立一套TPhT的標(biāo)準(zhǔn)拉曼圖譜庫， 光譜范圍在100～3 200 cm-1之間。 結(jié)果表明， 當(dāng)激光功率選擇為衰減到原激光功率(500 mW)的0.5%、 曝光10 s、 累積2次時， 得到的拉曼譜圖信噪比高且檢測時間短。 在212， 332， 657， 997和1 577 cm-1處出現(xiàn)的信號強度較高的拉曼峰， 可作為固體TPhT拉曼檢測的特征峰， 657和997 cm-1處拉曼特征峰的同時出現(xiàn)即可認(rèn)為復(fù)雜的環(huán)境樣品中存在TPhT。 實驗結(jié)果給出了辨別TPhT存在的標(biāo)志， 這些結(jié)果將為拉曼光譜用于實際環(huán)境樣品中TPhT的殘留檢測提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

三苯基錫； 內(nèi)分泌干擾物； 激光共聚焦拉曼光譜； 拉曼特征峰

引 言

有機錫化合物是指至少含有1個碳錫鍵(C—Sn)的化合物。 有機錫化合物按烴基數(shù)的不同主要分為四種類型[1]， 即一烴基錫化合物(RSnX3)、 二烴基錫化合物(R2SnX2)、 三烴基錫化合物(R3SnX)和四烴基錫化合物(R4Sn)， 其中R為甲基、 乙基、 丁基或苯基， X為陰離子或陰離子活性基團， 如鹵族元素、 無機或有機酸根離子等[2]。 有機錫大多具有生物毒性， 在自然界中存在的形態(tài)和毒性隨著烴基取代基數(shù)目的不同而不同， 且有機錫的毒性大大強于無機錫。 有機錫化合物的毒性一般順序為 RSnX3

常用的有機錫檢測方法是色譜法與其他檢測方法聯(lián)用， 如氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法(GC/MS)[6]、 氣相色譜原子吸收光譜法(GC/AAS)[2]、 氣相色譜-火焰光度檢測法(GC-FPD)[7-8]、 液相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法(LC-MS)[9]等等。 這些分析方法均大致包括以下幾步： 萃取、 富集、 凈化、 衍生化、 層析分離和選擇性檢測。 盡管這些方法靈敏度高、 檢測限低、 結(jié)果準(zhǔn)確可靠， 但由于其樣品制備復(fù)雜、 前處理冗長繁瑣、 檢測時間長、 成本高、 對操作人員技術(shù)要求高， 這些技術(shù)目前還僅限于實驗室分析[10]。 因此尋找快速、 經(jīng)濟和簡便的方法來檢測TPhT是很有必要的。 拉曼光譜檢測方法所需樣品少、 無需前處理、 不受水分子的干擾且檢測速度快， 在環(huán)境領(lǐng)域農(nóng)藥殘留檢測方面應(yīng)用廣泛， 但在有機錫檢測方面還未見報道。 本實驗采用激光共聚焦拉曼光譜法檢測TPhT， 論證激光拉曼光譜用于快速檢測TPhT的可行性， 探索其優(yōu)化的實驗參數(shù)， 并對TPhT的拉曼譜圖進行譜峰的歸屬和分析， 為拉曼光譜用于實際環(huán)境樣品中TPhT的殘留檢測提供理論依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 儀器與材料

英國雷尼紹公司生產(chǎn)的in Via-Reflex型激光共聚焦拉曼光譜儀， 該儀器配置有3個激發(fā)激光器： 532， 633和785 nm， 原激光功率為500 mW， 光譜檢測范圍為50～4 000 cm-1， 光譜分辨率≤1 cm-1。 本實驗采用的激發(fā)波長為785 nm， 光柵刻線1200 line·mm-1， 拉曼光譜檢測范圍為100～3 200 cm-1， 顯微放大倍數(shù)是50倍。

三苯基錫標(biāo)準(zhǔn)樣品(TPhT， 95%)購于德國Dr.Ehrenstorfe。

TPhT的分子式為C18H15ClSn， 分子結(jié)構(gòu)模型見圖1。 由圖可知TPhT分子結(jié)構(gòu)模型由苯環(huán)、 C—Sn鍵和Sn—Cl鍵組成。 由于每種官能團都有其各自的特征振動頻率， 根據(jù)振動頻率的不同可對拉曼譜峰進行歸屬。

圖1 TPhT分子結(jié)構(gòu)模型

1.2 拉曼光譜采集及最佳參數(shù)的選擇

1.2.1 TPhT標(biāo)準(zhǔn)固體粉末拉曼光譜的采集

以石英玻璃為載玻片， 取適量TPhT標(biāo)準(zhǔn)粉末置于載玻片上， 壓平以利于顯微鏡的對焦， 室溫下采集標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜信號。

1.2.2 激光拉曼光譜最佳參數(shù)的選擇

激光功率、 曝光時間和累積次數(shù)是獲得較好拉曼光譜圖的三個重要參數(shù)。 本次實驗分別改變拉曼光譜儀的激光功率、 曝光時間和累積次數(shù)， 采集一系列TPhT標(biāo)準(zhǔn)固體的拉曼譜圖并進行分析， 進行優(yōu)化參數(shù)的選擇。 首先采集了激光功率衰減為原激光功率的0.1%， 0.5%， 1%和5%時的四組拉曼光譜圖， 掃描并比較信號效果， 優(yōu)選出最佳激光功率； 然后通過設(shè)定相同累積次數(shù)(1次和2次)條件下， 變化曝光時間， 分別設(shè)置掃描曝光時間為10 ， 20和30 s， 在曝光時間10 s條件下， 采集光譜累積3次的譜圖， 綜合比較各組信號效果， 優(yōu)選出曝光時間與累積次數(shù)的最佳組合。

利用數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件origin8.5做出各個條件下TPhT的拉曼光譜圖， 并對譜圖進行解析。

2 結(jié)果與討論

2.1 TPhT的原始拉曼光譜圖

在1.2中最優(yōu)化實驗條件下TPhT標(biāo)準(zhǔn)固體粉末的拉曼譜圖如圖2所示。 根據(jù)圖2中的峰位， 可以確定TPhT的主要拉曼譜帶歸屬， 尋找出TPhT的拉曼特征峰。

圖2 固體TPhT的拉曼譜圖

2.2 拉曼光譜優(yōu)化參數(shù)的選擇

2.2.1 激光功率的選擇

圖3為拉曼光譜激光功率的選擇圖。 由圖3可以看出， 當(dāng)激光功率選擇為衰減至原激光功率的1%和5%時， 100～400和900～1 000 cm-1處范圍內(nèi)的拉曼信號已經(jīng)出現(xiàn)失真； 而激光功率選擇為原激光功率的0.1%時， 信號雖未出現(xiàn)失真， 但拉曼譜圖的信噪比不高， 有些中等強度振動峰并不明

圖3 拉曼光譜激光功率的優(yōu)化

a，b，c，d分別表示激發(fā)功率衰減至原功率的0.1%， 0.5%， 1%和5%

Fig.3 Optimization of Raman laser power

a,b,c,ddenote the excitation power which decreased to 0.1%, 0.5%, 1%, and 5% of the original power, respectively

顯， 不利于拉曼峰的振動歸屬分析。 故本實驗選擇激光功率衰減到原激光功率的0.5%作為檢測TPhT標(biāo)準(zhǔn)固體的最佳激光功率。

2.2.2 曝光時間和累積次數(shù)的選擇

圖4給出的是累積1次， 曝光10， 20， 30 s和累積2次， 曝光10， 20， 30 s， 以及累積3次， 曝光10 s的拉曼光譜圖。 從圖4可以看出曝光時間10 s、 累積2次譜圖信噪比明顯高于曝光10 s、 累積1次和曝光20 s、 累積1次的譜圖信噪比， 而曝光30 s， 累積1次與2次， 譜圖均有兩個特征峰信號出現(xiàn)了不同程度的失真。 雖然曝光20 s， 累積2次與曝光10 s， 累積3次譜圖的信噪比也很高， 但由于曝光時間越短、 積分次數(shù)越少越省時， 因此本實驗選擇曝光時間為10 s、 累積次數(shù)2次作為快速獲得較高信噪比的拉曼光譜圖的優(yōu)化參數(shù)組合。

圖4 拉曼光譜曝光時間和累積次數(shù)的優(yōu)化

a,b,c分別為累積1次， 曝光10, 20, 30 s；d,e,f分別為累積2次，曝光10, 20,30 s；g為累積3次， 曝光10 s)

Fig.4 Optimization of the exposure time and the integration number

a,b,cdenote accumulate 1 time, exposure 10， 20， 30 s, respectively;d,e,fdenote accumulate 2 times, exposure 10， 20， 30 s, respectively;gdenotes accumulate 3 times and exposure 10 s

2.3 TPhT拉曼譜圖中不同波數(shù)區(qū)譜峰的振動頻率和歸屬

為了分析TPhT的拉曼光譜特征， 根據(jù)官能團苯環(huán)、 C—Sn和Sn—Cl的振動模式， 并參照其他具有相同官能團和類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)的拉曼光譜， 將TPhT的拉曼光譜分為三個波數(shù)段進行譜峰歸屬和分析： 高波數(shù)區(qū)1 500～3 200 cm-1、 中波數(shù)區(qū)900～1 500 cm-1和低波數(shù)區(qū)100～900 cm-1。

2.3.1 高波數(shù)區(qū)(1 500～3 200 cm-1)譜峰的振動頻率和歸屬

測得的高波數(shù)范圍內(nèi)的TPhT拉曼譜圖如圖5所示。 從圖5可以看出該區(qū)域內(nèi)的振動峰很少， 只有位于1 569， 1 577和3 045 cm-1的三個振動峰， 其中1 569和1 577 cm-1處的振動還是一個肩峰， 對應(yīng)著同一個官能團的振動。 各峰的振動頻率和歸屬見表1。

圖5 光譜范圍為1 500～3 200 cm-1的TPhT拉曼譜圖

芳香結(jié)構(gòu)的C—H伸縮振動一般出現(xiàn)在3 100～3 000 cm-1， 此區(qū)域是識別C—H伸縮振動的特征區(qū)[12]。 本實驗中3 045 cm-1處的振動主要歸屬于苯環(huán)C—H伸縮振動。

表1 1 500～3 200 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)TPhT

2.3.2 中波數(shù)區(qū)(900～1 500 cm-1)譜峰的振動頻率和歸屬

測得的中波數(shù)范圍內(nèi)的TPhT拉曼譜圖如圖6所示。

圖6 光譜范圍為900～1 500 cm-1的TPhT拉曼譜圖

從圖6可以看出該區(qū)域內(nèi)的振動峰較多， 而且有一個振動強度很大的特征峰位于997 cm-1處。 對于TPhT結(jié)構(gòu)來說， 該區(qū)域存在著苯環(huán)的環(huán)呼吸振動、 苯環(huán)C—H面外彎曲振動、 苯環(huán)C—H面內(nèi)彎曲振動和苯環(huán)C—C伸縮振動等特征振動峰， 各峰對應(yīng)的振動頻率和歸屬見表2。

(1)苯環(huán)C—H面外彎曲振動區(qū)域一般為1 000～809 cm-1[11]， TPhT拉曼譜圖中915 cm-1處出現(xiàn)的振動峰對應(yīng)著C—H面外彎曲振動。

(2)苯環(huán)的對稱均勻呼吸振動在1 000 cm-1左右[12]， TPhT拉曼譜圖中997 cm-1歸屬于苯環(huán)環(huán)呼吸振動， 該拉曼特征峰可作為苯環(huán)存在的重要標(biāo)志之一。

(3)在1 022 cm-1出現(xiàn)的拉曼振動峰歸屬于苯環(huán)—C的伸縮振動[13]。 苯環(huán)C—H面內(nèi)彎曲振動通常是一系列由強到弱的較尖銳的振動峰， 對應(yīng)的拉曼振動區(qū)域為1 300～1 000 cm-1[11]。 本實驗在1 075， 1 157， 1 191， 1 333 cm-1出現(xiàn)的五個拉曼振動峰均對應(yīng)著苯環(huán)C—H面內(nèi)彎曲振動。

(4)苯環(huán)C—C伸縮振動一般出現(xiàn)在1 590～1 430 cm-1區(qū)域[12]， TPhT拉曼譜圖中出現(xiàn)的1 429和1 479 cm-1兩個峰同屬于苯環(huán)C—C伸縮振動。

表2 900～1 500 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)TPhT

2.3.3 低波數(shù)區(qū)(100～900 cm-1)譜峰的振動頻率和歸屬

實驗測得的低波數(shù)范圍內(nèi)的TPhT拉曼譜圖如圖7所示。

圖7 光譜范圍為100～900 cm-1的TPhT拉曼譜圖

此波數(shù)范圍內(nèi)TPhT的拉曼譜峰較強， 最主要的振動歸屬為C—Sn鍵振動和Sn—Cl鍵振動， 各峰對應(yīng)的振動頻率和歸屬見表3。

(1)在100～900 cm-1范圍內(nèi)， 苯環(huán)中C—H面外彎曲振動通常出現(xiàn)在671， 850和970 cm-1附近[14]。 對三苯基錫而言， 856 cm-1歸屬于苯環(huán)C—H鍵面外彎曲振動。

(2)650 cm-1左右振動較明顯的頻帶通常為無機基團、 有機金屬基團或晶格振動[11]。 振動原理， TPhT中的Sn連接著三個苯環(huán)， 即與Sn直接相連的C原子不飽和度較大， 導(dǎo)致C—Sn鍵振動波數(shù)增大， 故657 cm-1歸屬于苯環(huán)單取代的C—Sn鍵振動。 TPhT的毒性主要取決于苯環(huán)的個數(shù)和C—Sn鍵， 故657 cm-1出現(xiàn)的拉曼特征峰是鑒別苯基錫的重要標(biāo)志之一。

(3)616 cm-1歸屬于苯環(huán)的環(huán)變形振動。 該實驗結(jié)果與有些學(xué)者對苯甲酸歸屬得到的實驗值615 cm-1結(jié)果一致， 均歸屬于苯環(huán)的環(huán)變形振動。

(4)332 cm-1處的振動歸屬于Sn—Cl鍵振動， 這與其他學(xué)者研究論文中315 cm-1處出現(xiàn)的Sn—Cl鍵振動結(jié)果大致吻合。

(5)212 cm-1峰為C—C—C面外彎曲振動， 與王曉彬等[14]文獻中218 cm-1歸屬于C—C—C面外彎曲振動的分析結(jié)果一致。

表3 100～900 cm-1波數(shù)范圍內(nèi)TPhT

2.4 TPhT的拉曼光譜特征峰

通過前面對TPhT拉曼光譜譜峰的歸屬和分析， 得到了TPhT分子的特征振動模式， 各拉曼振動峰對應(yīng)的振動模式如圖8所示。 從圖8可看出， 在拉曼光譜圖中332， 657和997 cm-1處出現(xiàn)的高強度拉曼特征峰， 可作為鑒定環(huán)境中是否含有TPhT的重要依據(jù)。 雖然實際環(huán)境樣品成分復(fù)雜， 可

圖8 TPhT拉曼振動峰對應(yīng)的振動模式圖

能對TPhT的殘留檢測產(chǎn)生一定程度的干擾， 導(dǎo)致相應(yīng)拉曼光譜圖發(fā)生變化， 但只要其中含有一定量的TPhT， 理論上來說其拉曼譜圖中都會出現(xiàn)相應(yīng)的特征峰。 657和997 cm-1處峰的同時出現(xiàn)即可初步認(rèn)為環(huán)境樣品中存在TPhT， 332， 616， 1 022， 1 157， 1 191， 1 577和3 045 cm-1處出現(xiàn)的振動較明顯的特征峰， 可作為TPhT拉曼光譜檢測更精確分析的補充依據(jù)。

3 結(jié) 論

對TPhT的拉曼光譜檢測作了初步的探索， 獲得了TPhT分子振動拉曼光譜及最佳檢測的實驗參數(shù)(即激光功率選擇為衰減到原激光功率的0.5%、 曝光10 s、 累積2次)， 發(fā)現(xiàn)了在212， 332， 657， 997和1 577 cm-1處出現(xiàn)的強度較高的振動譜峰， 可作為TPhT拉曼檢測的特征峰， 用于驗證TPhT的存在。 該研究驗證了拉曼光譜技術(shù)用于TPhT檢測的可行性， 表明激光拉曼光譜技術(shù)可為TPhT檢測提供更為客觀、 直接和有效的方法， 為TPhT拉曼光譜檢測方法的探索以及研究將拉曼光譜技術(shù)用于實際環(huán)境樣品中TPhT的殘留檢測奠定了基礎(chǔ)， 拓寬了拉曼光譜技術(shù)在檢測內(nèi)分泌干擾物中的應(yīng)用。

[1] Laila Hajjaj el Hassani, Antonia Garrido Frenich, José L. Martínez Vidal. Science of The Total Environment, 2005, 348: 191.

[2] Andy Xianliang Yi, Kenneth M Y Leung, Michael H W Lam. Chemosphere, 2012, 89: 1015.

[3] Awad Aqeel Al-rashdi. Science Journal of Analytical Chemistry, 2013, 1:1.

[4] Gao Jiong, Ye Jinshao, Ma Jiawen. Journal of Hazardous Materials, 2014, 276: 112.

[5] Zuo Zhenghong, Wang Chonggang, Wu Meifang. Aquatic Toxicology, 2012, 122-123: 106.

[6] Huang Jie, Ye Jinshao, Ma Jiawen. Chemical Engineering Journal, 2014, 249: 167.

[7] Hussein K Okoro, Olalekan S Fatoki, Folahan A. Arabian Journal of Chemistry, 2013, 54(3): 212.

[8] Tetsuo Hamasaki. Talanta, 2013, 115: 374.

[9] Li Tengfei, She Yongxin, Wang Miao. Food Chemistry, 2015, 181: 347.

[10] Sagar Dhakal, Li Yongyu, Peng Yankun. Journal of Food Engineering, 2014, 123: 94.

[11] Mahadevan D, Periandy S, Ramalingam S. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2011, 78: 575.

[12] Smith W E, Dent G. Modern Raman Spectroscopy-A Practical Approach. John Wiley & Sons, Ltd., 2005. 15.

[13] Stuart Farquharson, Chetan Shende, Atanu Sengupta. Pharmaceutics, 2011,3: 425.

[14] WANG Xiao-bin, WU Rui-mei, LIU Mu-hua(王曉彬, 吳瑞梅, 劉木華). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析), 2014, 34(6): 1566.

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Analysis of Endocrine Disruptor: Triphenyltin Chloride with Raman Spectroscopy

JIANG Juan1, GAO Jun-min1,4*, GUO Jin-song2, LIU Xiao-hong3, ZHOU Qiu-hong1, OUYANG Wen-juan2

1. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environments of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China

2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China

3. Department of Laboratory Medicine, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China

4. International Joint Research Center of Low Carbon Green Building in Chongqing University, Chongqing 400045, China

Triphenyltin Chloride (TPhT) is one of the only two kinds of metal compounds known in the endocrine disruptors. TPhT is widely used in industry, agriculture and transportation fields, which can cause great impact on soil, marine and inland freshwater environment. This experiment collects the Raman signal of TPhT standard powders by applying laser confocal Raman spectroscopy to explore the feasibility of the method and to acquire optimized parameters. In this paper, we combined the application of laser confocal Raman spectroscopy with TPhT physical property. Due to different functional groups of TPhT molecules shows different vibration modes, the Raman spectra was divided into three wavenumber areas(1 500～3 200, 900～1 500 and 100～900 cm-1) to attribute and analyze their assignments of the Raman peaks, obtaining the characteristics of TPhT vibration modes and the corresponding characteristic peaks. Finally, a standard Raman spectra library was established with the spectral range between 100～3 200 cm-1. The results showed that the Raman spectra with high signal-to-noise ratio can be obtained in a short time when the laser power options decayed to 0.5% of the original power (500 mW) after 10s exposure and 2 times integration. Strong Raman signals observed in the Raman spectroscopy at 212, 332, 657, 997 and 1 577 cm-1could be used as the characteristic peaks of TPhT in Raman detection. Otherwise, the co-occurrence of the Raman peaks at 657 and 997 cm-1can be considered as the presence of TPhT in complex environmental samples. Experimental results are given to identify the presence of TPhT. The results would be used to identify the presence of TPhT residual in real environmental samples, which provide a theoretical basis and data base on Raman spectroscopy.

Triphenyltin Chloride; Endocrine disruptors; Laser confocal Raman spectroscopy; The Raman characteristic peaks

Apr. 3, 2015; accepted Aug. 12, 2015)

2015-04-03，

2015-08-12

國家自然科學(xué)基金青年基金項目(21107147)和中國科學(xué)院水庫水環(huán)境重點實驗室開放研究基金項目(RAE2014AA04B)資助

江 娟， 1990年生， 重慶大學(xué)城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院碩士研究生 e-mail: jjyuba19900912@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: gao-junmin@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2499-06

*Corresponding author