“儀器分析實(shí)驗(yàn)”開放性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及實(shí)踐

渠陸陸 張迎弟 戴詩雨

（江蘇師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 江蘇徐州 221116）

儀器分析實(shí)驗(yàn)是為化學(xué)專業(yè)學(xué)生開設(shè)的一門專業(yè)必修課，通過實(shí)驗(yàn)操作可以鞏固學(xué)生對(duì)儀器分析中涉及的儀器理論知識(shí)的理解[1]，掌握儀器的基本原理及應(yīng)用范圍，為培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科研思維奠定基礎(chǔ)。目前，儀器分析實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容大多集中于驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，這種實(shí)驗(yàn)方式雖然在一定程度上可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的理解和運(yùn)用，但是在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、激發(fā)學(xué)生科學(xué)研究興趣上有所欠缺[2]。開放性研究實(shí)驗(yàn)則可以很好地解決這個(gè)問題，同時(shí)還能做到讓科研帶動(dòng)本科教學(xué)、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)。

拉曼光譜是用于研究分子結(jié)構(gòu)的一種強(qiáng)大的表征方法，但是由于只有少數(shù)光子被拉曼散射，通常拉曼光譜信號(hào)強(qiáng)度較弱，這極大地限制了拉曼光譜的應(yīng)用。1974 年，英國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)粗糙的銀電極表面能夠極大地增強(qiáng)吡啶分子的拉曼信號(hào)，并將這種表面增強(qiáng)效應(yīng)稱為表面增強(qiáng)拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）[3]。SERS 技術(shù)作為一種可以提供分子指紋信息的技術(shù)，具有檢測(cè)靈敏度高、干擾小、檢測(cè)速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且在環(huán)境污染分析、生物傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[4]。但是本科生所使用的儀器分析教材大多對(duì)于拉曼、SERS 的介紹較少，教師對(duì)于這部分內(nèi)容的講解也并不深入，而且由于拉曼儀器昂貴、SERS 信號(hào)重現(xiàn)性差等問題，導(dǎo)致很多高校在本科生教學(xué)中并未開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)。因此，許多學(xué)生要么對(duì)拉曼一知半解，要么對(duì)拉曼光譜的理解僅僅停留在枯燥的書本知識(shí)上。在這樣的情況下，將拉曼相關(guān)實(shí)驗(yàn)引入本科教學(xué)的開放性實(shí)驗(yàn)中顯得尤為重要，這不僅可以將理論知識(shí)與科研知識(shí)密切結(jié)合，并將理論應(yīng)用于實(shí)踐，還可以以此培養(yǎng)學(xué)生濃厚的科研興趣和創(chuàng)新思維。

基于此，本文通過化學(xué)還原法制備銀納米顆粒，結(jié)合便攜式拉曼光譜儀對(duì)制備的納米顆粒的SERS 性能進(jìn)行分析。通過對(duì)比羅丹明6G 溶液的拉曼光譜和SERS 光譜，讓學(xué)生深入理解銀納米顆粒對(duì)增強(qiáng)的作用。以氯化鈉為團(tuán)聚劑，考察納米顆粒加入團(tuán)聚劑前后顏色變化和SERS 信號(hào)的變化。將銀納米顆粒與不同濃度的羅丹明6G 混合，探究此時(shí)SERS 對(duì)羅丹明6G 的檢測(cè)能力，加深學(xué)生對(duì)SERS 技術(shù)的理解。將該實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于本科生的開放式實(shí)驗(yàn)，不僅可以改善本科生對(duì)SERS認(rèn)識(shí)層次較低的現(xiàn)狀，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)拉曼和SERS 基本原理的掌握，還可以提高本科生的實(shí)驗(yàn)操作技能和科研技能，培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

該實(shí)驗(yàn)課程可以作為化學(xué)專業(yè)本科生儀器分析和設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的橋梁，學(xué)習(xí)目標(biāo)如下：

（一）了解拉曼及SERS 的原理；

（二）了解團(tuán)聚劑對(duì)于信號(hào)增強(qiáng)的作用；

（三）掌握銀納米顆粒的合成原理和步驟；

（四）通過檢測(cè)不同濃度羅丹明6G 的信號(hào)強(qiáng)度來提高實(shí)驗(yàn)操作、解決實(shí)際問題、分析問題的能力，增強(qiáng)對(duì)SERS 技術(shù)的理解和運(yùn)用。

二、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)

該實(shí)驗(yàn)旨在幫助本科生將課本上的拉曼光譜理論與實(shí)際操作中的動(dòng)手實(shí)踐能力相結(jié)合，將理論應(yīng)用于實(shí)踐，同時(shí)在實(shí)踐中鞏固理論。實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)主要包括以下部分：首先，回顧拉曼光譜和SERS 的基礎(chǔ)理論知識(shí)，學(xué)習(xí)拉曼實(shí)驗(yàn)操作技能；其次，引導(dǎo)學(xué)生提出研究計(jì)劃；再次，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)期間學(xué)生可以多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其可行性，同時(shí)查閱文獻(xiàn)解決實(shí)驗(yàn)中到的問題；最后，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與討論，學(xué)生撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。在此實(shí)驗(yàn)中，對(duì)參與學(xué)生進(jìn)行分組，每組同學(xué)為3—5 人，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為5 小時(shí)。

三、實(shí)驗(yàn)部分

（一）試劑

硝酸銀、檸檬酸鈉、羅丹明6G 和氯化鈉均是從上海阿拉丁生化科技股份有限公司購得。實(shí)驗(yàn)中使用到的水是電導(dǎo)率為18 MΩ·cm 的超純水。所有的化學(xué)試劑均為分析純且使用前未經(jīng)進(jìn)一步純化。

（二）儀器

實(shí)驗(yàn)所用的拉曼光譜儀為美國必達(dá)泰克公司的BWS415型便攜式激光拉曼光譜儀，激發(fā)波長為785nm，光譜分辨率為5cm-1，拉曼光譜儀光纖約為1.5m，便于提供現(xiàn)場(chǎng)簡易檢測(cè)。在未特殊說明下，實(shí)驗(yàn)過程使用的光譜采集時(shí)間為10s，激光能量為10mW。

（三）銀納米膠體的制備

將0.018g 硝酸銀溶解在100mL 的超純水中，在磁力攪拌下將溶液加熱至微沸，然后向溶液中逐滴加入2mL 的1.0%（wt）的檸檬三酸鈉溶液，繼續(xù)保持溶液微沸10min，待溶液冷卻至室溫得到灰色銀納米顆粒膠體。

（四）拉曼和SERS 檢測(cè)

配制50mL 羅丹明6G 母液，濃度為10-4mol·L-1。用移液槍移取10 μL10-4mol·L-1的羅丹明6G 溶液，滴加在硅片上，檢測(cè)其拉曼信號(hào)。將10μL 羅丹明6G 溶液和10 μL 銀納米膠體混合滴加在硅片上，然后采集SERS 信號(hào)，通過該過程對(duì)比拉曼和SERS 信號(hào)的差異。

（五）團(tuán)聚劑對(duì)SERS 信號(hào)的影響檢測(cè)

用超純水配制10-7mol·L-1的羅丹明6G 溶液，移取溶液與銀納米膠體混合，采集拉曼增強(qiáng)信號(hào)。然后往混合體系中加入0.3 mol·L-1的氯化鈉溶液，對(duì)比前后采集的拉曼信號(hào)。

（六）SERS 對(duì)羅丹明6G 的靈敏度檢測(cè)

用超純水配制不同濃度的羅丹明6G 溶液，濃度范圍為10-5mol·L-1—10-9mol·L-1。分別移取10μL 溶液與10μL 銀納米膠體混合滴加在硅片上，然后加入氯化鈉溶液，采集SERS信號(hào)。

四、結(jié)果和討論

該開放性實(shí)驗(yàn)具體包括三個(gè)階段。第一階段是記錄羅丹明6G 的拉曼光譜和SERS 光譜；第二個(gè)階段是考察團(tuán)聚劑對(duì)SERS 光譜強(qiáng)度的影響；第三個(gè)階段證明SERS 在羅丹明6G分析中的檢測(cè)性能。

（一）拉曼光譜和SERS 光譜對(duì)比

實(shí)驗(yàn)過程中，我們選擇羅丹明6G 作為探針分子，因?yàn)樵撛噭﹥r(jià)格便宜又能產(chǎn)生可重現(xiàn)的SERS 光譜，顯示許多容易區(qū)分的振動(dòng)帶。為了讓學(xué)生深入體驗(yàn)到SERS 與拉曼光譜對(duì)比在檢測(cè)分析中的增強(qiáng)能力，該實(shí)驗(yàn)首先對(duì)比了羅丹明6G 的拉曼光譜和SERS 光譜。實(shí)驗(yàn)采集了在不加入銀納米顆粒的情況下10-4mol·L-1的羅丹明6G 溶液的拉曼信號(hào)，獲得的為一條平滑的曲線，沒有采集到拉曼譜峰。當(dāng)將羅丹明6G 和銀納米顆粒膠體混合后，檢測(cè)到羅丹明6G 明顯的拉曼增強(qiáng)信號(hào)。這主要是由于羅丹明6G 吸附在銀納米顆粒表面，其信號(hào)被放大，從而獲得增強(qiáng)的信號(hào)。

（二）SERS 檢測(cè)中的影響因素

金屬溶膠作為SERS 增強(qiáng)基底時(shí)，通常會(huì)往混合體系中加入適量的團(tuán)聚劑，以促使納米顆粒適度團(tuán)聚，從而獲得較佳的增強(qiáng)效果。研究表明，氯化鈉為常見的團(tuán)聚劑，其能夠破壞銀納米顆粒表面的電荷平衡從而誘導(dǎo)納米顆粒團(tuán)聚[5]。因此，實(shí)驗(yàn)考察了有和無團(tuán)聚劑存在下的羅丹明6G 的SERS 光譜。從圖2 可以發(fā)現(xiàn)加入團(tuán)聚劑后獲得的信號(hào)強(qiáng)度約為沒有加入團(tuán)聚劑下信號(hào)強(qiáng)度的3 倍，說明團(tuán)聚劑的存在使得納米粒子之間的間隙滿足因表面等離子體共振作用產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”，從而可以獲得較強(qiáng)的信號(hào)。

（三）SERS 對(duì)羅丹明6G 的檢測(cè)靈敏度

實(shí)驗(yàn)開始之前，給學(xué)生布置查閱文獻(xiàn)的作業(yè)，確定之前報(bào)道的工作中該技術(shù)對(duì)羅丹明6G 的最低檢測(cè)濃度，以給后續(xù)的實(shí)驗(yàn)提供基本的指導(dǎo)。并且要求學(xué)生通過記錄約1359cm-1處的特征峰出現(xiàn)的濃度，來判斷銀納米顆?；诘腟ERS 技術(shù)對(duì)羅丹明6G 的檢測(cè)能力。

實(shí)驗(yàn)將不同濃度的羅丹明6G 溶液與銀納米膠體混合，然后向混合體系中加入1 μL 氯化鈉溶液，隨即采集SERS 光譜。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在濃度范圍10-6mol·L-1到10-9mol·L-1內(nèi)，隨著羅丹明6G 的濃度降低，SERS 信號(hào)強(qiáng)度逐漸降低。即使?jié)舛鹊椭?0-9mol·L-1，羅丹明6G 的光譜特征也可以被明顯識(shí)別，其中611 cm-1、771 cm-1和1125 cm-1處的特征譜峰分別歸屬于C-C 環(huán)面內(nèi)、面外彎曲振動(dòng)和C-H 面內(nèi)彎曲振動(dòng)，1359 cm-1、1509 cm-1和 1648 cm-1，的特征譜峰均來源于芳香族C-C 伸縮模式[6]。當(dāng)羅丹明6G 在較高濃度下（從10-6到10-5mol·L-1），隨著濃度的增加，SERS 響應(yīng)強(qiáng)度基本保持不變，主要是由于銀納米顆粒表面的增強(qiáng)位點(diǎn)完全被吸附的羅丹明6G 分子占據(jù)而導(dǎo)致的。上述結(jié)果說明SERS 作為一項(xiàng)高靈敏的分析技術(shù)，結(jié)合增強(qiáng)基底，可以檢測(cè)低至10-9mol·L-1的分析物。

五、危害及安全防范措施

在拉曼光分析過程中，護(hù)目鏡是強(qiáng)制使用的，可以避免眼睛直接接觸激光。硝酸銀有毒且具有刺激性，與皮膚和眼睛接觸會(huì)導(dǎo)致灼傷，使用中要多加注意。制備的羅丹明6G 溶液濃度較低，因此只需采用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)品處理預(yù)防措施比如穿戴實(shí)驗(yàn)服、防護(hù)眼鏡和手套即可，實(shí)驗(yàn)過程中不需要采用特別的預(yù)防措施。

結(jié)語

該開放性實(shí)驗(yàn)合成了銀納米材料，結(jié)合便攜式拉曼光譜儀實(shí)現(xiàn)了對(duì)低濃度羅丹明6G 的分析。實(shí)驗(yàn)的成功實(shí)施可以加強(qiáng)學(xué)生對(duì)納米化學(xué)和拉曼光譜基礎(chǔ)知識(shí)的理解，引導(dǎo)本科生意識(shí)到使用納米增強(qiáng)材料獲得SERS 信號(hào)的重要性，并對(duì)其影響因素進(jìn)行深入了解。實(shí)驗(yàn)過程中無須耗時(shí)的樣品制備和處理過程，即可對(duì)低濃度溶液進(jìn)行快速的 SERS 分析；同時(shí)，通過讓學(xué)生自主查閱文獻(xiàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中遇到的現(xiàn)象和SERS譜峰進(jìn)行分析，培養(yǎng)學(xué)生應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)解決綜合應(yīng)用問題的能力。該開放性實(shí)驗(yàn)檢測(cè)快速，無毒無污染，非常適合化學(xué)專業(yè)的學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)他們自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析問題和解決問題的綜合能力。