飲用水中硫化物的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè)方法

張文濤，周 麗，鄒曉蘭，任水英，李 林

(無(wú)錫中德伯爾生物技術(shù)有限公司 試劑研發(fā)部，江蘇 無(wú)錫 214174)

硫元素是一種非金屬元素，在自然界中通常以硫化物、硫酸鹽或單質(zhì)的形式存在。水中硫化物是指水中溶解性的硫化物以及酸性金屬硫化物，包括溶解性的H2S、HS-和S2-[1]。硫化物主要存在于生活污水中，有些特殊的地下溫泉也含有硫化物。對(duì)人體和水體生物而言，硫化物是有劇毒的，可與人體內(nèi)細(xì)胞色素、氧化酶及該類(lèi)物質(zhì)中二硫鍵作用，影響細(xì)胞氧化過(guò)程，造成細(xì)胞組織缺氧，危及人的生命。對(duì)此，GB5749—2006規(guī)定，飲用水中硫化物的指標(biāo)及限制為0.02 mg/L。

目前，飲用水中硫化物檢測(cè)方法主要包括分光光度法[2]、流動(dòng)注射-氫化物發(fā)生-原子熒光光譜法[3]、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜(ICP-AES)法[4]、電化學(xué)方法[5]、熒光分光光度法[6]等。其中，原子熒光光譜法和原子發(fā)射光譜均需要借助于大型儀器，不便于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)；電化學(xué)方法檢測(cè)前需要對(duì)電極進(jìn)行處理和打磨；而熒光分光光度法又容易受到其他離子的干擾。分光光度法的檢測(cè)相較其他方法更簡(jiǎn)便和實(shí)用，但硫化物在水中不穩(wěn)定，容易分解，按照相對(duì)應(yīng)的國(guó)標(biāo)GB/T 5750.5—2006《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法》中的N,N-二乙基對(duì)苯二胺分光光度(DPD)法，對(duì)樣品采集和保存均有嚴(yán)格要求，采樣時(shí)避免曝氣，需加乙酸鋅和NaOH處理，并暗處密封，避光放置保存再測(cè)試。因此，這種方法在操作便捷性以及檢測(cè)靈敏度方面仍然具有一定的局限性。

盡管上述檢測(cè)方法準(zhǔn)確可靠，可以作為執(zhí)法鑒定的依據(jù)，然而這些方法的前處理過(guò)程大多步驟繁瑣，而且相關(guān)檢測(cè)儀器昂貴、體積笨重、操作復(fù)雜。因此，發(fā)展一種高靈敏、準(zhǔn)確可靠且簡(jiǎn)單的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)儀器和方法，提高相關(guān)市場(chǎng)監(jiān)管部門(mén)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急能力具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

拉曼光譜(Raman spectra)是由印度科學(xué)家C.V.拉曼(Raman)發(fā)現(xiàn)的散射光譜，即當(dāng)光子照射到樣品的分子中，發(fā)生非彈性碰撞、散色光子的頻率和方向同時(shí)發(fā)生改變的現(xiàn)象[7]。拉曼光譜屬于光譜分析手段的一種，其發(fā)展基礎(chǔ)為散射效應(yīng)，也稱(chēng)之為拉曼效應(yīng)。拉曼光譜能夠提供分子的指紋信息數(shù)據(jù)，它是對(duì)物質(zhì)定性的重要光譜技術(shù)之一[8]。近20年，納米技術(shù)的快速發(fā)展為拉曼光譜檢測(cè)提供了新的方向。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)納米顆粒在一定尺寸形狀條件下，將其作為表面增強(qiáng)拉曼的基底，可使與之吸附的目標(biāo)分子的拉曼散射信號(hào)得到極大的增強(qiáng)。通過(guò)物理、材料及化學(xué)領(lǐng)域研究人員的不懈努力，表面拉曼散射增強(qiáng)因子從最初的103～105提高到1014～1015，實(shí)現(xiàn)對(duì)單細(xì)胞、單分子的檢測(cè)[9-10]。因此，借助于表面增強(qiáng)作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)相關(guān)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)在分子層面的分析處理，應(yīng)用前景甚佳[11]。

本文中，筆者提出了一種基于手持式拉曼光譜儀的快速檢測(cè)方案，作為一種對(duì)飲用水中硫化物的預(yù)檢篩查手段，檢測(cè)步驟非常簡(jiǎn)單，耗時(shí)較短，可以大大縮短相關(guān)職能部門(mén)的抽檢時(shí)間，提高工作效率。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

N,N-二乙基對(duì)苯二胺鹽酸鹽(DPD)、硫酸、鹽酸、六水合三氯化鐵、NaCl等試驗(yàn)中所用試劑皆為分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；四氯金酸三水合物(HAuCl4·3H2O)、檸檬酸鈉三鈉，美國(guó)Sigma公司；硫化物標(biāo)準(zhǔn)品，北京壇墨質(zhì)檢科技股份有限公司。

1.2 儀器與設(shè)備

50 Conc紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，澳大利亞VARIAN公司；ZD-RM-S型拉曼光譜檢測(cè)儀，無(wú)錫中德伯爾生物技術(shù)有限公司；JEM-2100透射電鏡，日本JEOL。

1.3 方法

待檢樣本5 mL經(jīng)0.45 μm無(wú)機(jī)針頭過(guò)濾器過(guò)濾除去沉淀物后，加入100 μL衍生化試劑(DPD和FeCl3混合液)混勻。拉曼檢測(cè)器皿中加入100 μL經(jīng)衍生化后的待測(cè)樣本液，100 μL增強(qiáng)基底，50 μL促凝劑，混勻后進(jìn)行拉曼測(cè)試。

1.3.1 衍生化試劑的配制

衍生化試劑為DPD溶液和FeCl3溶液的混合物。先配制DPD硫酸溶液或者鹽酸溶液，DPD硫酸溶液配制方法：取25 mL濃H2SO4緩慢地加入到75 mL蒸餾水中，放冷后定容到100 mL。然后稱(chēng)取0.75 g DPD鹽酸鹽溶于其中?；蛘叻Q(chēng)取0.75 g DPD鹽酸鹽加入到100 mL 6 mol/L HCl溶液中，再配制1 g/mL的FeCl3溶液，稱(chēng)取100 g FeCl3·6H2O溶于100 mL蒸餾水中。臨用時(shí)將DPD硫酸溶液或者鹽酸溶液和FeCl3溶液按照體積比20∶1混勻即為衍生化試劑。

1.3.2 增強(qiáng)試劑及促凝劑的配制

利用經(jīng)典的檸檬酸鈉還原HAuCl4的方法合成而得納米金溶膠[12]。取100 mL 0.01%氯金酸水溶液加熱至沸騰，劇烈攪拌下準(zhǔn)確加入0.82 mL 1%檸檬酸三鈉(Na3C6H5O7)水溶液，金黃色的氯金酸水溶液在2 min內(nèi)變?yōu)榧t色，繼續(xù)煮沸15 min，冷卻后用蒸餾水補(bǔ)加到100 mL。

促凝劑金溶膠的促凝劑。稱(chēng)取5.85 g NaCl，溶于100 mL水中，搖勻。

1.3.3 儀器參數(shù)

文中的SERS譜圖均在無(wú)錫中德伯爾生物技術(shù)有限公司ZD-RM-S拉曼光譜儀上完成，項(xiàng)目測(cè)試時(shí)該儀器的激光波長(zhǎng)為785 nm，功率100 mW，譜圖積分時(shí)間500 ms。

2 結(jié)果與討論

2.1 衍生化結(jié)果

硫化物中的S2-在酸性條件下與DPD以及FeCl3作用，生成的衍生化產(chǎn)物為亞甲基藍(lán)類(lèi)化合物[11]，所述硫化物與衍生化試劑的反應(yīng)式為

該步衍生化試驗(yàn)的反應(yīng)溫度及時(shí)間對(duì)衍生結(jié)果影響并不大，不屬于關(guān)鍵步驟，早期有許多研究報(bào)道[13-14]，在此不再對(duì)其進(jìn)行分析。

2.2 增強(qiáng)試劑

2.2.1 紫外-可見(jiàn)吸收光譜

將增強(qiáng)試劑進(jìn)行紫外-可見(jiàn)掃描光譜鑒定，在350～600 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)其特征吸收峰，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知，增強(qiáng)試劑在539 nm處有最大吸收。

圖1 增強(qiáng)試劑紫外-可見(jiàn)吸收譜圖

2.2.2 透射電鏡

對(duì)增強(qiáng)試劑滴加在銅網(wǎng)上得到的透射電鏡圖進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，增強(qiáng)試劑尺寸大概為55 nm。

圖2 增強(qiáng)試劑(金納米粒子)的透射電鏡圖

2.3 檢測(cè)結(jié)果分析

圖3給出了不同濃度硫化物的SERS譜圖，單次測(cè)試時(shí)長(zhǎng)約5 min。

圖3 硫化物(亞甲藍(lán)類(lèi)衍生物)表面拉曼增強(qiáng)試劑譜圖

由圖3可知，加入衍生化試劑后，引入了新的化學(xué)物質(zhì)，在增強(qiáng)劑的作用下也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的拉曼信號(hào)?？梢源_認(rèn)453 cm-1和458 cm-1主要?dú)w功于硫化物衍生后的亞甲藍(lán)化合物中C—N—C的不同振動(dòng)模式的貢獻(xiàn)。從圖3中可以觀察到，當(dāng)飲用水中不含有硫化物時(shí)，453 cm-1處無(wú)明顯特征峰；低于0.02 mg/L(選用1/2檢測(cè)限即0.01 mg/L)時(shí)在453 cm-1處雖然有微弱的拉曼信號(hào)，但是483 cm-1處卻沒(méi)有明顯特征峰，所以采用453 cm-1和483 cm-1兩處拉曼信號(hào)作為檢測(cè)硫化物的特征峰。當(dāng)飲用水中硫化物質(zhì)量濃度達(dá)到0.02 mg/L甚至更高時(shí)，在453 cm-1和483 cm-1兩處，同時(shí)出現(xiàn)拉曼信號(hào)，由此可以得出檢測(cè)限為0.02 mg/L。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，筆者試圖做定量檢測(cè)，以便能計(jì)算出樣品加標(biāo)的回收率，但是沒(méi)有成功。研究發(fā)現(xiàn)隨著硫化物濃度增大，拉曼的信號(hào)響應(yīng)并沒(méi)有呈線性增大，原因來(lái)源于儀器及增強(qiáng)基底兩方面。儀器方面：兩臺(tái)拉曼儀器之間，采用的光譜儀、拉曼探頭、光纖接頭、激光焦點(diǎn)落在樣品池的位置等都會(huì)造成信號(hào)強(qiáng)度的不一?；追矫妫涸谥苽湓鰪?qiáng)基底時(shí)由于加熱溫度、攪拌速度、添加檸檬酸三鈉快慢均會(huì)導(dǎo)致納米金顆粒的粒徑不同，從而導(dǎo)致每批基底的增強(qiáng)效果不同，即增強(qiáng)因子不同。對(duì)于同一批次基底，又由于存放的時(shí)間不同，顯現(xiàn)的增強(qiáng)效果也不同。綜上所有原因，筆者只能將水中硫化物檢測(cè)做成定性檢測(cè)。

3 結(jié)論

建立了一種基于表面增強(qiáng)拉曼光譜的硫化物快速檢測(cè)的方法，該方法檢測(cè)限為0.02 mg/L，此檢測(cè)方法步驟簡(jiǎn)單、選擇性好、無(wú)需考慮樣品的采集和保存的問(wèn)題，不需要大型儀器。使用拉曼光譜檢測(cè)，方法相對(duì)簡(jiǎn)單、快捷。通過(guò)使用金納米粒子溶膠和待測(cè)物，進(jìn)行快速拉曼測(cè)定。