CN102608101A - 高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底 - Google Patents

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马君
刘澍
韩晓红
王春艳
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姜永超
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Abstract

本发明利用表面增强拉曼技术检测水中多环芳烃，采用在参数优化的金溶胶体系作为表面拉曼增强基底，通过改变金溶胶的PH值、金溶胶粒径大小、加入卤离子(如Cl-)溶液等方法，得到最佳探测多环芳烃的金溶胶体系，对于785nm波长的激发光，最佳的金溶胶是粒径为58nm左右，PH＝13的金溶胶体系；而对于632.8nm的激发光，最佳金溶胶是粒径为32nm左右，PH＝13的金溶胶体系。而含有一定量的卤离子(如Cl-)的金溶胶体系，也是一种灵敏度较高的探测多环芳烃的表面增强拉曼基底。该两种表面增强拉曼增强基底探测多环芳烃具有灵敏度高、重复性和稳定性高的优点，是一种很有潜力应用于现场水中多环芳烃探测的表面增强拉曼基底。

Description

高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底
技术领域：
本发明涉及一种利用表面增强拉曼光谱高灵敏度的检测水中污染物——多环芳烃的增强基底。
背景技术：
PAHs是一类广泛存在于环境中的持久性有机污染物，主要来源于城市生活排污、工业废水排放、石油污染等，具有高毒、持久、长距离迁移和高生物蓄积性等特点，是人们最早认识到的具有致癌性、致突变性的有机化合物，许多国家均将16种多环芳烃确定为环境荷尔蒙污染物和需优先处理的致癌污染物。因此，建立一套快速、实时、简便、实用和易于推广的多环芳烃分析识别技术，对中国这样一个环境压力日趋严重的世界上最大的发展中国家具有重要的实用价值。
对应于海洋有机污染物的探测，国际海事组织(IMO)推荐的主要标准的化学分析仪器有荧光光谱仪、气相色谱仪、红外光谱仪和色/质联用仪等，气相色谱、红外光谱和色/质联用这些方法分析仪器昂贵，操作繁琐，无法实现海上实时原位监测。荧光光谱技术具有灵敏度高、选择性好、试样量少、分析结果快速，不受时间变化的影响等优点，但对于复杂组分的污染物，其荧光光谱存在严重重叠，处理数据费时费力，准确率低，一直以来不能作为独立的鉴别手段，因此该方法实际应用时还需整合其他分析手段一起分析。
表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)是一种具有巨大应用潜力的检测分析技术。该技术具备了拉曼光谱的所有优点，如无需样品预处理，可以分析液体样品，检测迅速等，同时也克服了拉曼光谱灵敏度低的缺陷，具有单分子检测的能力。已有文献报道，利用表面增强拉曼光谱探测吸附到金或银溶胶膜上的染料分子其增强因子可达1012-1015。
本发明利用参数优化的金溶胶体系作为SERS活性基底，如优化金溶胶颗粒大小、调整PH值及加入卤离子溶液的方法，大大提高了对多环芳烃的检测灵敏度，且金溶胶体系有溶胶膜欠缺的重复性和稳定性的优点，因此，参数优化后的金溶胶体系更具有实现现场探测多环芳烃的潜力。
发明内容：
本发明利用改变金溶胶各种参数的方法，获得了探测多环芳烃的最佳金溶胶体系，以此参数最优的金溶胶体系作为表面增强拉曼活性基底对多环芳烃的探测极限甚至可达pM量级，如果采用高灵敏度的拉曼光谱探测系统，预计其探测灵敏度可进一步提高，该参数优化的金溶胶体系有望成为可现场应用的、高灵敏度的检测多环芳烃的表面增强拉曼活性基底。
①利用氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液化学反应制备金溶胶溶液，使用NaOH溶液和HNO3改变金溶胶的PH值，从PH＝1到PH＝14，将金溶胶溶液与400nMol/L的探测物芘1∶1混合，用785nm的光学系统探测表面增强拉曼光谱，发现PH＝13的增强效果最佳，见图1，其它的多环芳烃有与芘相同的规律。
②不同粒径的金溶胶溶液，皆利用NaOH溶液改变其PH值为13，探测400nM芘的表面增强拉曼光谱，发现增强效果对溶胶颗粒的大小有依赖关系，对于785nm波长的激发光，最佳的金溶胶粒径为58nm，如图2。因此，对于785nm波长的激发光，平均粒径为58nm、PH＝13的金溶胶体系是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底。
③在粒径为58nm的金溶胶溶液中加入不同体积的0.3M的NaCl溶液，发现拉曼信号均明显增强，荧光背景被抑制，如图3。其中，加入0.20ml体积的NaCl溶液增强效果最好。而且，该表面增强拉曼基底对PAHs的探测效果也与金纳米颗粒的粒径大小相关，在不同粒径的金溶胶溶液中皆加入0.20ml体积的0.3MNaCl溶液，发现对于785nm的激发光，最佳的粒径大小同样是58nm。因此，平均粒径为58nm、加入0.20ml体积的0.3MNaCl溶液的金溶胶体系同样是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底，只是其增强效果略差于PH＝13的金溶胶体系。
使用632.8nm波长的激光作为激发光的光学系统探测多环芳烃有相似的规律，粒径大小会影响增强效果，只是最佳的金溶胶颗粒与785nm光学系统的不同，约为32nm；NaCl的加入同样会得到明显好的增强效果；PH的变化规律与785nm光学系统的相同，最佳的PH值也为13。因此，对于632.8nm的光学系统，使用颗粒大小为32nm、PH＝13的金溶胶体系作为表面增强拉曼基底探测多环芳烃也可以获得极好的探测极限。考虑到本专利中所使用的光谱系统的探测灵敏度较差，如若使用较好的光谱探测系统，以PH＝13的金溶胶体系作为表面增强拉曼活性基底探测水中多环芳烃的探测灵敏度会更高。
附图说明
图1为400nM的芘在不同PH值金溶胶中的SERS光谱；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图2为400nM芘在PH＝13的、不同粒径金溶胶中的SERS光谱；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图3为400nM芘在加入不同体积NaCl溶液的金溶胶中的SERS光谱；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图4为本发明应用于不同浓度萘探测的SERS图：(a)PH＝13的金溶胶溶液，(b)10nM，(c)40nM，(d)100nM；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图5为本发明应用于不同浓度菲探测的SERS图：(a)PH＝13的金溶胶溶液，(b)4nM，(c)40nM，(d)100nM；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图6为本发明应用于不同浓度芘探测的SERS图：(a)PH＝13的金溶胶溶液，(b)0.2nM，(c)10nM，(d)50nM；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
图7为本发明中加入NaCl探测不同浓度芘的SERS图：(a)加入NaCl的金溶胶溶液，(b)5nM，(c)100nM；在样品上的激光能量180mW，积分时间10s.
具体实施方式：
①使用甲醇溶液配制40μM的萘、菲和芘溶液作为标准溶液备用。用蒸馏水稀释标准溶液，分别得到从10nM到500nM的待测萘溶液、0.5nM到400nM的待测菲及芘溶液。使用NaOH溶液将粒径为58nm的金溶胶调成PH＝13。将待测多环芳烃溶液与PH＝13的金溶胶溶液1∶1混合，用785nm激光作为激发光，到达样品的激光能量为180mW，使用Ocean optics的QE65000拉曼光谱仪探测其表面增强拉曼光谱，光谱分辨率为6cm-1，狭缝宽度50uM，积分时间10s。得到的不同浓度的萘、菲和芘的光谱如图4、图5和图6，三种多环芳烃的探测极限分别为10nM、4nM和0.2nM。
②将0.20ml的0.3M的NaCl加入粒径为58nm的金溶胶溶液中，使含有NaCl的金溶胶溶液与探测物芘1∶1混合，用785nm激光激发，Ocean optics的QE65000拉曼光谱仪探测其表面增强拉曼光谱，积分时间为10s，得到不同浓度芘的光谱如图7，最终获得芘在含有NaCl的金溶胶溶液中的探测极限为5nM，该灵敏度虽然略差于PH＝13的金溶胶，但明显比未加入NaCl的金溶胶溶液探测极限好。

Claims (4)

1.高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底，其特征在于以参数优化的金溶胶体系作为表面增强拉曼活性基底对水中多环芳烃进行探测，获得了非常理想的探测灵敏度：
步骤一，制备金溶胶溶液，使用NaOH溶液改变金溶胶的PH值，对多环芳烃进行探测，以获得对多环芳烃增强效果最佳的PH值参数；
步骤二，制备不同粒径的金溶胶，使用NaOH溶液将所有金溶胶溶液调成PH＝13，探测多环芳烃，以确定最佳的金纳米颗粒粒径，从而获得探测多环芳烃最佳的改变PH值的金溶胶活性基底；
步骤三，在金溶胶中加入不同量的卤离子，对多环芳烃进行探测，以获得对多环芳烃增强效果最佳的加入卤离子的量；
步骤四，在不同粒径的金溶胶各溶液中，加入最佳量的卤离子，并探测多环芳烃SERS光谱，以确定最佳的金纳米颗粒的粒径，从而获得探测多环芳烃最佳的加入NaCl的金溶胶活性基底。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底，其特征是金溶胶对多环芳烃的增强效果与金溶胶的PH值有依赖关系，而对785nm和632.8nm的激发波长有大致相同的规律，皆是PH＝13效果最好。
3.根据权利要求1所述的高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底，其特征是利用氯金酸溶液和柠檬酸钠溶液化学反应制备不同粒径的金溶胶溶液，并皆调成PH＝13，将金溶胶溶液与探测物多环芳烃1∶1混合，探测表面增强拉曼光谱，其增强效果对金纳米颗粒的大小有依赖关系，对于785nm波长的激发光，最佳的金溶胶粒径为58nm左右；而对于632.8nm的激发光，最佳金溶胶粒径为32nm左右，因此，对于785nm的激发波长，平均粒径为58nm、PH＝13的金溶胶体系是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底；而对于632.8nm的激发波长，平均粒径为32nm、PH＝13的金溶胶体系是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度检测水中多环芳烃的表面增强拉曼活性基底，其特征是以加入卤离子的金溶胶体系作为表面增强拉曼活性基底探测多环芳烃的灵敏度也较高，如加入不同体积的0.3M的NaCl溶液，发现拉曼信号均明显增强，荧光背景被抑制，且增强效果也与金纳米颗粒的粒径大小有依赖关系。对于785nm的激发波长，平均粒径为58nm、加入0.20ml的NaCl(0.3M)溶液的金溶胶体系是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底；对于632.8nm的激发波长，平均粒径为32nm、加入0.20ml的NaCl(0.3M)溶液的金溶胶体系是一种高灵敏度的探测PAHs的表面增强拉曼活性基底，只是该表面增强拉曼活性基底的增强效果略差于PH＝13的金溶胶体系。
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