張 琳,溫寶英,劉衛(wèi)衛(wèi),傅文翔,孔景臨*,李劍鋒*
1.國(guó)民核生化災(zāi)害防護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102205 2.廈門(mén)大學(xué)固體表面物理化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,化學(xué)化工學(xué)院,福建 廈門(mén) 361005
隨著化學(xué)毒劑研究的發(fā)展與當(dāng)前國(guó)際反恐斗爭(zhēng)的深入,采用新的技術(shù)快速檢測(cè)化學(xué)毒劑已成為各國(guó)科學(xué)工作者共同關(guān)注的課題?;瘜W(xué)毒劑沙林(甲氟膦酸異丙酯,GB)是一種常用的軍事神經(jīng)性毒劑,可通過(guò)抑制乙酰膽堿酯酶來(lái)破壞神經(jīng)系統(tǒng)的功能,且在人體內(nèi)的降解速度很慢,具有毒性高、作用快和揮發(fā)性好的特點(diǎn),成為現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的難點(diǎn)之一。甲基磷酸二甲酯(DMMP)是目前國(guó)際上使用效果最好的添加型有機(jī)磷阻燃劑之一,可與水和各種有機(jī)溶劑混溶,因與GB分子結(jié)構(gòu)相似(圖1),毒性低,因此常用做沙林模擬劑進(jìn)行化學(xué)偵察裝備性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)或者化學(xué)毒劑檢測(cè)方法研究。
圖1 DMMP和GB的分子式結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular formula of DMMP and GB
目前進(jìn)行DMMP測(cè)試的方法有很多,包括分光光度法[1]、氣相色譜法[2]、振動(dòng)光譜分析法[3]、石英晶體微天平(QCM)傳感器[4]、表面聲波(SAW)傳感器[5]等。然而上述方法普遍存在響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)、準(zhǔn)確度差和檢測(cè)靈敏度低等問(wèn)題。表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)因具有較好的穩(wěn)定性以及可以達(dá)到單分子檢測(cè)的靈敏度受到人們的關(guān)注,自發(fā)現(xiàn)以來(lái)迅速?gòu)V泛地應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域中[6-7]。目前,開(kāi)發(fā)出一種適用于檢測(cè)GB高靈敏度的SERS技術(shù)仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)。本研究通過(guò)兩步法合成高活性的Au@Ag納米溶膠,并進(jìn)一步將其組裝固定在Au片表面,大大提高了SERS基底的光譜增強(qiáng)能力,并利用SERS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)DMMP快速、靈敏的檢測(cè)。
便攜式拉曼光譜儀(SHINS-P785V,廈門(mén)賽納斯科技有限公司),分析天平(TP114,美國(guó)Sartorius公司),紫外可見(jiàn)-吸收光譜儀(UVmini-1280,日本島津公司),掃描電子顯微鏡圖像SEM(S-4800,日本HITACHI公司),高速離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠),超純水儀(Heal-force,smart-N系列)。甲基磷酸二甲酯(Adamas,98%),KI,NaCl,HCl,MgSO4和NaOH(國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑),Ag納米粒子購(gòu)于廈門(mén)賽納斯科技有限責(zé)任公司。本實(shí)驗(yàn)所用的水均為超純水(>18.2 MΩ·cm-3,3 ppb)。
將于賽納斯購(gòu)買(mǎi)的Ag納米粒子(約150 nm)以4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心,去除上清液,重復(fù)兩次后將底部濃縮液直接組裝在干凈的硅片上,自然干燥,得到SERS增強(qiáng)芯片。
溶膠測(cè)試方法:將模擬劑DMMP配制成水溶液,然后直接將模擬劑DMMP與Ag納米粒子、團(tuán)聚劑混勻,置于儀器自帶的玻璃管中,用便攜式拉曼光譜儀直接進(jìn)行測(cè)試(785 nm,500 mW,1 s)。
芯片法測(cè)試:將模擬劑DMMP配制成甲醇溶液,然后直接將模擬劑DMMP甲醇溶液和團(tuán)聚劑混勻,滴在制備好的增強(qiáng)芯片上,用便攜式拉曼光譜儀直接進(jìn)行測(cè)試(785 nm,500 mW,1 s)。
將制備好的SERS基底進(jìn)行掃描電鏡表征,得到如圖2(a)所示的掃描電鏡圖。Ag納米粒子大小、形貌較為均一。同時(shí)對(duì)該Ag納米溶膠進(jìn)行紫外-可見(jiàn)光光譜檢測(cè),得到如圖2(b)所示,該銀納米粒子的吸收峰在750 nm左右。為了獲得最大的增強(qiáng)能力,選擇785 nm激光作為激發(fā)光源。
圖2 Ag納米粒子的掃描電子顯微鏡圖(a)和紫外-可見(jiàn)吸收光譜圖(b)Fig.2 The SEM (a)and UV-Visible absorption spectrum (b)of Ag nanoparticles
2.2.1 DMMP常規(guī)拉曼光譜的獲得及譜峰指認(rèn)
圖3 DMMP分子常規(guī)拉曼光譜圖Fig.3 The normal Raman of DMMP
2.2.2 不同團(tuán)聚劑對(duì)DMMP檢測(cè)的影響
Ag團(tuán)聚溶膠比單分散Ag溶膠的增強(qiáng)能力更強(qiáng),并且不同的團(tuán)聚劑對(duì)Ag的團(tuán)聚狀態(tài)等影響不同,從而導(dǎo)致Ag的增強(qiáng)能力不同。在不加團(tuán)聚劑的情況下1 000 mg·L-1的DMMP已經(jīng)沒(méi)有SERS信號(hào)了。因此,選擇不同的團(tuán)聚劑對(duì)1 000 mg·L-1的DMMP進(jìn)行初步測(cè)試,從而選擇該體系中最合適的團(tuán)聚劑。實(shí)驗(yàn)中選擇了1 mol·L-1的HCl,KI,MgSO4,NaCl和NaOH對(duì)1 000 mg·L-1的DMMP進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜的測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖4所示。由圖可知,實(shí)驗(yàn)中不同的團(tuán)聚劑對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響并不是很大,然而HCl和KI的作為團(tuán)聚劑,Ag的增強(qiáng)能力最強(qiáng)??紤]到在實(shí)際測(cè)試中,酯類(lèi)樣品在酸性條件下容易水解,因此最終選擇KI為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的團(tuán)聚劑。
圖4 不同團(tuán)聚劑下1 000 mg·L-1的DMMP的SERS光譜圖Fig.4 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different agglomerating agents
2.2.3 不同測(cè)試方法對(duì)DMMP檢測(cè)的影響
在前期的實(shí)驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)不同的測(cè)試方法對(duì)于不同的測(cè)試體系的影響也是不同的。因此,選擇100 mg·L-1濃度的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液同時(shí)進(jìn)行溶膠法和芯片法的測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),100 mg·L-1的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液用溶膠已經(jīng)測(cè)不出拉曼信號(hào)了,但是用芯片法仍然具有很強(qiáng)的增強(qiáng)。因此,在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選擇用芯片法來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
圖5 不同測(cè)試方法下100 mg·L-1 DMMP的SERS光譜圖Fig.5 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different methods
2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制
首先準(zhǔn)確稱(chēng)取50 mg的DMMP的純?nèi)芤?,用甲醇稀釋定容?0 mL,得到濃度為1 000 mg·L-1的DMMP母液。然后用逐級(jí)稀釋的方法,分別準(zhǔn)確配制100 mg·L-1,10 mg·L-1,1 mg·L-1,100 μg·L-1,50 μg·L-1和10 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。
2.3.2 不同濃度的DMMP的SERS測(cè)試
將上述配制好的標(biāo)準(zhǔn)溶液,用最優(yōu)的測(cè)試條件,按照?qǐng)D6所示的路線(xiàn)圖進(jìn)行測(cè)試。首先取10 μL的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液和10 μL的1 mol·L-1的KI團(tuán)聚劑混合均勻,將混合液滴在已制備好的SERS芯片上,然后用便攜式拉曼直接進(jìn)行測(cè)試,得到如圖7所示的結(jié)果圖。
圖6 DMMP的SERS測(cè)試流程圖Fig.6 The schematic diagram of SERS detection for DMMP
圖7 不同濃度DMMP的SERS光譜圖Fig.7 SERS spectra of different concentrations of DMMP
由圖可知,DMMP在710 cm-1的特征峰與濃度呈現(xiàn)一定的關(guān)系。并且隨著濃度變小,該特征峰強(qiáng)度逐漸變小。最低可以檢測(cè)至DMMP的濃度為10 μg·L-1。美軍短期(<7 d)飲用水最大暴露安全指南規(guī)定對(duì)神經(jīng)性化學(xué)毒劑最低檢出限是10 μg·L-1,因此采用SERS方法,滿(mǎn)足了軍隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)化學(xué)戰(zhàn)或者恐怖襲擊時(shí)行動(dòng)的需要。