CN104977287A - 一种基于磁性纳米颗粒的多环芳烃检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明合成了一种Fe₃O₄/Au磁性纳米颗粒，将磁性纳米颗粒作为表面增强拉曼活性基底用于多环芳烃PAHs的富集与检测。通过一系列实验证明本发明采用的目标污染物分析方法操作简便，不仅可以实现16种PAHs的快速检测，还可以用于环境水体中多环芳烃混合物的检测。

Description

一种基于磁性纳米颗粒的多环芳烃检测方法

一.本发明所属技术领域

本发明属于环境分析领域，具体涉及一种多环芳烃的检测方法。

二.本发明的技术背景

多环芳烃（PAHs）是一类广泛存在于环境中，含有两个或两个以上苯环的有机污染物，其主要来自于石油、煤焦油、烟草和其他一些有机物的热解或不完全燃烧。多环芳烃由于其亲脂性，容易在人体内富集，长期接触这类物质可能诱发癌症。在分析多环芳烃环境样品时，由于采集的环境样品基体复杂，污染物浓度低，因此要获得数据准确、重现性好的分析结果，样品预处理是重要的一个环节，而且往往也是PAHs环境样品分析成败的关键。目前国内外对于多环芳烃的检测方法主要为高效液相色谱、气相色谱以及气相色谱/质谱联用。这些方法具有较高的检测灵敏度，但是方法所用仪器价格昂贵，对样品前处理要求高。为此，探索快速高效、简便经济的PAHs检测方法是环境领域的重要研究方向之一。

SERS主要基于粗糙贵金属表面等离子共振引起的电磁增强效应，因此SERS分析要求被测物分子直接吸附或充分接近于贵金属表面。PAHs作为一类非极性分子，难以接近于贵金属表面，因此用常规SERS基底一般无法对其进行直接检测。目前常用的方法是对SERS基底进行化学修饰以改善基底与PAHs之间的吸附作用。国内外已经有学者利用贵金属溶胶作为SERS活性基底，在其表面连接特定的官能基团，如杯环芳烃、光泽精等。官能团的加入可拉近PAHs与金属纳米粒子之间的距离，使得PAHs进入金属表面等离子共振区域，产生SERS效应。另外一种常用基底为硫醇修饰的金膜或银膜。由于硫醇可以在金属表面形成自聚单分散层，并且具有疏水作用，因此可以将PAHs嵌入到SERS基底表面，进而实现检测。上述方法所需实验步骤复杂，同时需要使用大量对环境有害的化学试剂。

为了克服现有方法存在的不足，本发明对已有的基底制备方法进行改进，通过多次的实验尝试合成了一种磁性纳米颗粒。基于Fe₃O₄纳米颗粒的强吸附性和磁性，以及Au纳米颗粒的SERS增强效应，得到了对多环芳烃具有强SERS效应的复合纳米基底，并结合便携式拉曼光谱仪完成了对16种代表性多环芳烃的检测。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标污染物分析方法操作简便，不仅可以实现单一PAHs的检测，还可以用于复杂环境基质中多环芳烃的快速鉴别。

三.本发明的发明内容

本发明首先合成了Fe₃O₄纳米颗粒，利用硅烷修饰Fe₃O₄表面后，将其分散于氯金酸溶液中，在还原剂柠檬酸钠的作用下，制备得到F_e3O₄/A_u磁性纳米颗粒，这种颗粒兼具F_e3O₄的磁性与纳米金颗粒的拉曼增强性能。将制备出的Fe₃O₄/Au磁性纳米颗粒作为SERS基底分散于一定浓度的PAHs溶液中，可以使PAHs主动吸附富集于磁性颗粒表面，因此缩短了多环芳烃分子与纳米基底表面的距离，为表面增强拉曼散射的发生创造了条件。此时用外加磁场对磁性颗粒进行收集后，利用便携式拉曼光谱仪可以在10s内检测到多环芳烃的拉曼特征峰。

通过下面的描述来阐明本发明的具体内容：

（1）用共沉淀法合成Fe₃O₄磁性纳米颗粒：将FeCl₂·4H₂O与FeCl₃·6H₂O以质量比2:5.4的比例溶解于100mL去离子水中，并加入1mL盐酸促进溶解。在机械搅拌下向上述溶液中滴加氨水，至pH值到达10，反应30分钟后将产物置于80℃水浴锅中熟化半小时，停止搅拌，将产物冷却至室温，水洗3次后于真空烘箱中70℃下干燥3小时，将产物研磨后过200目筛，得到Fe₃O₄磁性纳米颗粒；

（2）硅烷修饰Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备：取0.25g步骤（1）中制备的纳米Fe₃O₄分散于100mL无水乙醇中，加入1mL APTMS（3-氨基丙基-三甲氧基硅烷），超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下反应3h，将生成的沉淀物用无水乙醇洗3次，再用超纯水洗2次，得到硅烷修饰后的Fe₃O₄纳米颗粒；

（3）Fe₃O₄/Au磁性纳米颗粒的制备：将步骤（2）得到的产物分散于23mL超纯水中，投加1mL2%（wt%）的氯金酸水溶液，于搅拌下油浴加热到100℃后立即投加1mL浓度为50mg/mL的柠檬酸钠，保持该温度继续反应20min。停止加热后，继续搅拌使产物Fe₃O₄/Au冷却到室温，所得产物用超纯水洗2次，分散到25mL超纯水中备用；

（4）PAHs的富集与检测：取1mL步骤（3）得到的Fe₃O₄/Au复合纳米基底于1.5mL离心管中，通过磁分离去除上层纯水后滴加1mL待测PAHs溶液混合2h，用外加磁场对磁性颗粒进行收集后，于干净硅片上直接进行SERS测定，使用ENWAVE便携式拉曼光谱仪进行信号采集，仪器型号为EZRaman-I Series，产地美国，激光波长785nm，扫描时间5s，得到多环芳烃的SERS谱图。

四.附图说明

下面通过图例说明本发明的主要特征。

附图1为所制备的Fe₃O₄/Au复合纳米基底的高分辨率透射电子显微镜图（HR-TEM）。由图中可以看出Au纳米颗粒的晶形良好，晶面间距为0.236nm，对应于面心立方体结构Au的（111）面。Au纳米颗粒的平均粒径约为15nm。Fe₃O₄的晶面间距为0.301nm，对应于面心立方体结构磁铁矿的（220）面，这说明了Fe₃O₄/Au复合纳米颗粒的成功制备。

附图2为本发明制备的Fe₃O₄/Au磁性纳米颗粒的磁滞曲线图。Fe₃O₄纳米颗粒的磁化强度约为71emu/g，Fe₃O₄/Au的磁化强度约为55emu/g，均具有较强的磁性，充分满足于基底磁分离的需要。相对于Fe₃O₄而言，Fe₃O₄/Au磁化强度的减小是由于金纳米颗粒的引入。

附图3是本发明所用十六种多环芳烃的结构式示意图。

附图4是三种多环芳烃萘、蒽、芘在基底表面的SERS谱图以及多环芳烃固体纯品的拉曼谱图。通过与纯品拉曼谱图的特征峰位置对比，可以看出多环芳烃SERS谱图中的特征峰峰型与位置基本保持不变，验证了本发明检测方法的可行性。

附图5是三种多环芳烃苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[g,i,h]苝在基底表面的SERS谱图以及多环芳烃固体纯品的拉曼谱图。通过与纯品拉曼谱图的特征峰位置对比，可以看出多环芳烃SERS谱图中的特征峰峰型与位置基本保持不变，实验结果进一步验证了本发明检测方法的可行性。

附图6是河水基质中五种多环芳烃萘（含2个苯环）、蒽（含3个苯环）、芘（含4个苯环）、苯并（k）荧蒽（含5个苯环）和茚苯（1,2,3-cd）芘（含6个苯环）混合物的SERS谱图。检测结果表明，各种PAHs的主要SERS特征峰可以从混合物的谱图中明显的区别出来。实验结果说明本方法具备应用于实际样品检测的潜力。

五.发明实施例

下面进一步通过实施例来阐述本发明。

实施例1Fe₃O₄纳米颗粒的制备：2g的FeCl₂.4H₂O和5.4g的FeCl₃.6H₂O于搅拌条件下投加到100mL超纯水中（超纯水在使用前曝氮气30min）。接着加入1mL浓盐酸。待投加的固体完全溶解后，于快速搅拌下滴加约30mL氨水使体系pH值大于10。室温下搅拌30min后，在80℃水浴继续加热30min。所得Fe₃O₄磁性纳米颗粒冷却到室温后用超纯水洗3次，70℃下真空干燥3h后研磨过200目筛得到Fe₃O₄纳米颗粒粉末。Fe₃O₄/Au复合纳米基底的制备：称取0.1g的Fe₃O₄纳米颗粒，在无水乙醇中超声清洗3次，分散到100mL无水乙醇中，加入1mL APTMS超声30min，接着转移到150mL三口瓶中于室温下搅拌反应3h。反应完成后用无水乙醇洗3次，再用超纯水洗2次。将负载了APTMS的Fe₃O₄分散到23mL超纯水中，投加1mL2%（wt%）的氯金酸溶液，于搅拌下油浴加热到100℃，投加1mL50mg/mL的柠檬酸钠，保持该温度继续反应20min。停止加热后搅拌冷却至室温，用超纯水洗2次，将产物Fe₃O₄/Au分散到25mL超纯水中备用。

实施例2取1mL Fe₃O₄/Au复合纳米基底于1.5mL离心管中。磁分离去除上层纯水后投加1mL待测PAHs溶液，混合2h后磁分离去除大部分上层水溶液，保留10μL混合物。取5μL该混合物于硅片上直接进行SERS测定。使用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，扫描时间5s，得到多环芳烃的SERS谱图。本发明方法对16种多环芳烃的检测限如表1所示：表1.本发明方法对16种多环芳烃的检测限.

多环芳烃	PAHs	LogKow	Conc.(M）
				萘	Naphthalene	3.32	5×10-7
苊	Acenaphthene	3.98	5×10-7
				苊烯	Acenaphthylene	4.07	5×10-7
芴	Fluorene	4.18	5×10-7
				菲	Phenanthrene	4.45	1×10-7
蒽	Anthracene	4.45	1×10-7
				芘	Pyrene	4.88	1×10-7
屈	Chrysene	5.63	1×10-7
				苯并[a]芘	Benzo(a)pyrene	6.06	1×10-8
苯并[b]荧蒽	Benzo(b)fluoranthene	6.06	1×10-8
				苯并[k]荧蒽	Benzo(k)fluoranthene	6.06	1×10-8
苝	Perylene	6.40	1×10-7
				苯并[g,i,h]芘	Benzo(g,h,i)perylene	6.50	1×10-8
二苯并[a,h]蒽	Dibenzo[a,h]anthracene	6.57	5×10-8
				茚苯[1,2,3-cd]芘	Indeno(1,2,3-cd)pyrene	6.58	1×10-8

Claims (4)

1.一种多环芳烃检测方法，其由下述步骤组成：

（1）Fe₃O₄/Au磁性纳米颗粒的制备：将APTMS（3-氨基丙基-三甲氧基硅烷）修饰的Fe₃O₄磁性纳米颗粒分散于23mL超纯水中，投加1mL2%（wt%）的氯金酸水溶液，于搅拌下油浴加热到100℃后立即投加1mL浓度为50mg/mL的柠檬酸钠，保持该温度反应20min后停止加热，继续搅拌使产物Fe₃O₄/Au冷却到室温，所得产物Fe₃O₄/Au用超纯水洗2次，分散到25mL超纯水中备用；

（2）PAHs的富集与检测：取步骤（1）得到的Fe₃O₄/Au复合纳米基底于1.5mL离心管中，投加待测PAH_s溶液，混合2h后磁分离去除上层水溶液，于硅片上进行SERS检测。

2.如权利要求1中所述的一种多环芳烃检测方法，该方法检测的多环芳烃目标物为以下十六种：萘、苊、苊烯、芴、菲、蒽、芘、屈、苯并[a]芘、苯并[b]荧蒽、苯并[k]荧蒽、苝、苯并[g,i,h]芘、二苯并[a,h]蒽、茚苯[1,2,3-cd]芘。

3.如权利要求1所述的一种多环芳烃检测方法，步骤（2）中的多环芳烃富集方法如下：取1mL Fe₃O₄/Au复合纳米基底加于1.5mL离心管中，磁分离去除上层纯水后，投加1mL待测PAHs溶液，混合时间2h，用外加磁场对富集了多环芳烃的磁性颗粒进行回收，外加磁场为体积10×15×2cm³的Nd-Fe-B强磁铁。

4.如权利要求1中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，步骤（2）中的多环芳烃检测方法如下：将富集了多环芳烃的磁性颗粒置于硅片表面，利用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，激光波长785nm，扫描时间5s。