基于表面增強拉曼光譜技術(shù)快速檢測有機磷農(nóng)藥殘留

高連叢 ，郭 敏 ，陳翠芬，彭鴻雁* (.海南師范大學(xué)物理與電子工程學(xué)院，海南 ?？?57000；.吉林醫(yī)藥學(xué)院附屬醫(yī)院，吉林 吉林 303)

有機磷農(nóng)藥三唑磷分子式C12H16N3O3PS，分子結(jié)構(gòu)中有苯環(huán)、乙基、磷酸酯、三唑環(huán)組成,是一種廣泛應(yīng)用于防治害蟲的廣譜農(nóng)藥，為提高水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)率常用作灘涂等水產(chǎn)養(yǎng)殖清除劑。海洋環(huán)境中三唑磷對貝類毒性小，但對海水中魚類和蟹類等動物毒性很大，直接影響海洋養(yǎng)殖業(yè)用于食品的安全性[1-2]。建立一種能夠?qū)崟r快速準確地檢測三唑磷農(nóng)藥殘留的方法非常重要。表面增強拉曼光譜技術(shù)(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)是分子振動光譜，不同的分子結(jié)構(gòu)出現(xiàn)特異性的拉曼散射峰，根據(jù)拉曼峰反推出分子結(jié)構(gòu)，SERS以其樣品制造簡單、實時快速檢測等優(yōu)點越來越多地應(yīng)用在農(nóng)藥殘留檢測之中[3-4]。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

美國海洋公司光纖光譜儀QE65PRO，信噪比1000∶1，光學(xué)分辨率0.72 nm FWHM，探測器類型：Hamamatsu S7031-1006，薄背照式CCD；長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司FC-D-785 nm窄線寬激光器，最大功率450 mW，序列號18107151，激光波長784.861 nm；光纖拉曼探頭型號RPB-785，焦距7.5 mm，耦合系統(tǒng)為SMA905連接器；日立S4800型冷場發(fā)射掃描電鏡；金納米粒子基底、銀納米粒子基底；黑硅材料基底；麥克林試劑公司三唑磷標準品，CAS號24017-47-8，批號C10990000；市售娃哈哈純凈水。

1.2 實驗方法

用移液槍量取標準溶液配制樣品濃度分別為100、50、10、1 mg/L，用注射器準確量取三唑磷樣品分別置于表面增強基底上，激光經(jīng)過光纖探頭聚焦后，光譜儀積分時間5 s，取2次積分數(shù)均值，光譜儀記錄并存儲數(shù)據(jù)。軟件數(shù)據(jù)采集利用拉曼向?qū)?shù)據(jù)流窗口高等數(shù)學(xué)中背景估算來。

1.3 拉曼基底制備

SERS基底是研究人員關(guān)注的重點。利用等離子體共振場實現(xiàn)的拉曼放大效應(yīng)，通過控制金納米粒子、銀納米粒子等表面粗糙結(jié)構(gòu)可以使非常弱的拉曼光譜信號放大很多個數(shù)量級，可以應(yīng)用于微弱信號檢測[5-6]。

氯金酸溶液與交換樹脂融合，儀器搖勻，放入乙酸二鈉水溶液，成品超聲處理，制成金納米基底材料，掃描電子顯微鏡圖像如圖1。

將多元醇還原制成AgNWs，水熱法碳化葡萄糖形成碳層，銀氨溶液與醛基結(jié)構(gòu)反應(yīng)，抗壞血酸還原硝酸銀產(chǎn)生銀原子沉積到基底中，制成銀納米基底材料，掃描電子顯微鏡圖像如圖2。

室溫條件下進行黑硅材料制作，應(yīng)用1070 nm光纖激光作為加工光源，經(jīng)過電鏡掃描在硅材料上加工出粗糙結(jié)構(gòu)，經(jīng)過合理的退火條件制備成黑硅材料[7]，在掃描電子顯微鏡中圖像如圖3。

2 結(jié) 果

三唑磷分子官能團和光譜特征峰對應(yīng)表如表1。光譜儀接收散射拉曼光譜信號，并在測試軟件中實時輸出。本研究選用激光功率35 mW作為入射光，4種濃度的農(nóng)藥檢測結(jié)果如圖4所示，977、1000 cm-1波數(shù)雙峰結(jié)構(gòu)特異性結(jié)構(gòu)可以作為特征峰來區(qū)別農(nóng)藥的殘留情況。

銀粒子基底在檢測過程中受熒光影響嚴重，對正常拉曼光譜峰進行了掩蓋，檢測結(jié)果不理想，如圖5所示。

黑硅材料常用于半導(dǎo)體發(fā)光材料，本研究探索發(fā)現(xiàn)黑硅材料具有表面增強拉曼光譜效應(yīng)，如圖6所示。

圖 1 金納米基底SEM圖像 圖 2 銀納米基底SEM圖像 圖 3 黑硅掃描電鏡圖像

圖 4 三唑磷農(nóng)藥拉曼光譜峰 圖 5 銀納米材料光譜峰 圖 6 黑硅材料基底光譜峰

表 1 官能團和光譜特征峰對應(yīng)表

黑硅材料能夠承受高功率密度的激光照射，激光功率450 mW聚焦照射沒有損壞基底材料，硅在528 cm-1處單獨光譜峰，可用作內(nèi)標峰，是優(yōu)質(zhì)的潛在材料。

3 討 論

表面增強拉曼光譜技術(shù)，可以做到快速、實時、分析三唑磷農(nóng)藥光譜特征峰，并應(yīng)用金納米粒子基底、銀納米粒子基底、黑硅材料基底進行檢測，金納米基底測試出農(nóng)藥殘留光譜，為三唑磷殘留進行光譜檢測提供技術(shù)方法，是農(nóng)藥殘留現(xiàn)場檢測技術(shù)潛在優(yōu)質(zhì)解決方案。

在實驗過程中發(fā)現(xiàn)金、銀粒子基底所承受的激光功率密度相對較低，采用二氧化碳保護氣時可適當增加激光功率，但是增加范圍太小，探索發(fā)現(xiàn)黑硅材料基底具有SERS效應(yīng)，在實驗過程中，光源聚焦位置的不確定性，檢測系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，樣品濃度不均勻性都會對光譜檢測結(jié)果造成影響，農(nóng)藥分子在基底吸收位置、形式也會影響檢測結(jié)果，可以利用硅的特征峰最為內(nèi)標峰分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)，減小實驗誤差。