CN105424677B

CN105424677B - 基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物的方法

Info

Publication number: CN105424677B
Application number: CN201510866049.XA
Authority: CN
Inventors: 顾海昕; 张永丰; 薛林; 龙亿涛; 曹丽英
Original assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Current assignee: East China University of Science and Technology; Shanghai Fire Research Institute of Ministry of Public Security
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2018-01-12
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: CN105424677A

Abstract

本发明涉及一种基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物证的方法，具体为：构筑的检测基底材料包括表面经功能团修饰具有疏水作用的、光滑平整的金属膜，具有表面增强拉曼活性的、无功能团修饰的纳米粒子。将过滤液体滴加在具有疏水作用的金属膜表面；滴加完毕后，使液体自然挥发，在金属膜表面滴加含有具有表面增强活性的纳米粒子的胶体，利用拉曼光谱仪探测金属膜表面的胶体。对获得的光谱图进行比对和分析，鉴定待测物中有机化合物的种类。本方法操作简便，检测基底结构简单，能直接用于溶液样品中分析物的萃取、吸附和富集；设计构筑的增强体系能可靠的获得高质量的SERS测试结果，具有灵敏度高，重复性好，无背景干扰等优点。

Description

基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物的方法

技术领域

本发明属于拉曼光谱检测技术领域，特别是一种基于表面增强拉曼光谱快速检测火灾现场残留有机物的方法。

背景技术

火灾物证是与火灾有关、能揭示和证明火灾原因的客观实在。有机化合物在人们生产生活中普遍存在，快速准确的掌握火场残留有机物证的化合物种类及其分子结构和理化性质，对于火灾事故原因的认定、现场决策和灾后处置具有重要的意义。如何发展建立科学有效的有机物证检测分析技术，为公安消防等部门提供及时可靠的技术支持，是火灾物证鉴定领域科研工作者需要不断努力和深入研究的重点之一。

目前，火灾有机物证的检测分析方法主要有色谱法、色质联用法和光谱法等。色谱技术在实验室条件下虽然成熟可靠，但在分析过程中需要提取、分离、富集等复杂的样品制备步骤，以及外接载气或溶剂作为流动相，此外分析仪器本身体积大、操作复杂、分析时间长，这些限制因素对物证工作将造成非常不利的影响。红外光谱及普通拉曼光谱技术具有分析时间短、仪器便携等优势，但由于火灾残留有机物的浓度和含量很低，这些光谱技术的检测能力往往无法满足实际需要。此外，火灾残留物中含有的灭火用水也十分不利于气相色谱和红外光谱技术的样品制备和分析检测。因此，急需研究建立有效的火灾物证现场快速检测技术以满足公安消防现场调查工作的实际需要。

表面增强拉曼光谱技术（Surface-enhanced Raman Spectroscopy—SERS）是一种快速检测的光谱技术，不仅能够提供痕量甚至超痕量样品丰富的分子结构信息，而且几乎适用于所有的样品环境。此外还具有无损非接触分析、仪器操作简便、样品处理简单等优点。因此，SERS技术用于快速检测火灾现场有机物证是一种有力的技术手段。然而，SERS技术目前在火灾残留有机物检测方面的应用或系统研究的报道较少。

对于复杂多样火灾物证，如果能够在一次检测中同时实现分离吸附等样品预处理步骤和SERS测试具有重要的实际意义。由于，SERS技术是基于被测物分子与金属纳米结构表面之间的极化率和电磁场变化，并由此产生的拉曼散射增强效应。一方面，对于SERS检测分析技术，制备性能良好、具有SERS活性的纳米基底材料至关重要。目前，最常见的SERS基底是由金、银等材料制备而成的纳米粒子。这些纳米粒子聚集时粒子之间形成的“热点”能够产生很强的SERS效应，但粒子的聚集往往是没有规律和不可控的，从而无法很好的保证检测的重复性和稳定性。此外，纳米粒子由于体积小、易流失也无法直接用于样品预处理步骤。组装有纳米粒子或具有SERS活性纳米结构的固体基质能够大大提高检测的重复性和稳定性，然而这些基底的制备需要反复组装、精确控制等复杂步骤；样品预处理中的溶液吸附、萃取过程常常会破坏固体表面脆弱的纳米结构和“热点”间隙，进而对SERS检测效果造成极大的负面影响。另一方面，待测分子在纳米尺度的空间里靠近纳米结构表面进入SERS增强体系同样十分关键。火灾现场有机物证中目标化合物，例如易燃液体中目标待测物等，本身与金、银等金属材料的亲和力差。对于这一类SERS无法响应的化合物，目前最常用的方法是在一定粗糙度或SERS活性纳米结构表面修饰各种功能基团，通过借助物理吸附或者化学结合等作用使目标分子靠近SERS基底表面。但由于功能团直接结合在SERS基底表面，其本身也会产生光谱信号，这些背景信号将干扰待测物光谱的准确解析和判定。

综上所述，亟需发展建立一种能直接用于溶液样品吸附分离、重复性好、无基底背景干扰的SERS检测新方法，以满足火灾现场物证快速检测的实际需要。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物的方法，通过两步法实现溶液样品中待测物的吸附分离和SERS增强体系的构建，具有检测能力高、重复性好和无基底背景干扰等优点。

本发明提出的基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物的方法，具体步骤如下：

（１）选取光滑平整的金属膜，其表面经功能团修饰具有疏水作用；金属膜表面采用碳数为C3~C18的直链或支链的烷烃作为疏水功能团；

（２）选取含有具备SERS活性的、表面无功能团修饰的纳米粒子的胶体；

（３）取液体样品，并过滤去除固体杂质，避免杂质干扰影响后续的检测；

（４）将步骤（３）得到的过滤后的液体样品滴加在步骤（１）选取的金属膜上，液体滴加的速度为1mL~100mL/min；液体中的待测物分子与金属膜表面的疏水功能团相互作用，使液体中的待测物分子由液体内被转移吸附至金属膜表面；

（５）液体滴加完毕后，使液体自然挥发，必要时可用少量溶剂清洗金属膜表面，待金属膜表面晾干后，在金属膜表面滴加步骤（２）所述的含有具备SERS活性的纳米粒子的胶体，使纳米粒子覆盖于金属膜表面，此时待测物分子处于纳米粒子与金属膜之间，得到由纳米粒子/待测物分子/金属膜组成的拉曼增强体系；

（６）：利用拉曼光谱仪在一定波长的激光光束下进行测试，获得灵敏度高、重复性好、无背景干扰的SERS光谱测试结果；

（７）：对获得的SERS光谱图进行比对和分析，鉴定样品中有机化合物的种类。

本发明中，步骤（３）中所述液体样品来自现场残留水体或由溶剂萃取残留固体物得到。

本发明中，步骤（３）中所述过滤介质可用玻璃砂芯、有机/无机过滤膜、滤纸等中任一种。

本发明中，步骤（４）中每平方厘米金属膜表面滴加的液体体积为0.01mL~100mL。

本发明中，步骤（４）中液体可滴加在水平或倾斜放置的金属膜上，金属膜的材质为金，银中的一种或其两者的合金；金属膜的面积为9mm²~25cm²。

本发明中，步骤（５）中清洗采用的溶剂为去离子水，乙醇或正己烷等中的一种或多种混合的溶液，每平方厘米金属膜所用溶剂的体积为0~100mL。

本发明中，步骤（５）中每平方毫米金属膜上覆盖胶体的用量为1μL-100μL，可一次或多次滴加，胶体中所含纳米粒子由金或银构成，尺寸为30~100nm，形状为球形，不规则球形，长方体或棒形等中任一种。

本发明中，步骤（６）中拉曼测试时，胶体为干燥或湿润状态；激光波长为514.5nm、532nm、633nm或785nm中的一种。

本发明中，步骤（７）中所述SERS光谱图分析方法有光谱数据库比对和拉曼谱峰归属分析等。

本方法的有益效果在于：

（1）本发明操作简单，无需复杂的样品制备和测试步骤；

（2）本发明设计构筑的SERS基底结构包括表面经功能团修饰具有疏水作用的、光滑平整的金属膜，具有表面增强拉曼活性的、无功能团修饰的纳米粒子，SERS基底结构简单，制备方便，能够直接用于溶液样品中分析物的萃取，吸附和富集；

（3）能够可靠的获得高质量的SERS测试结果，具有检测能力高，重复性好，无背景干扰等优点。这是因为：金属纳米粒子和金属膜之间的间隙形成了“热点”，存在着很强的电磁场，能够产生显著的拉曼增强效应；而待测化合物分子恰好处于其中，因此待测分子的拉曼光谱信号被极大的增强，对于待测物样品的检出能力也被极大的提高；金属纳米粒子和金属膜之间的电磁场分布均匀，强度一致，且待测物分子仅仅被均匀的吸附固定在金属纳米粒子和金属膜之间，受电磁场作用后获得的SERS响应也相同；金属膜表面的纳米粒子也会发生聚集，但由于纳米粒子与纳米粒子之间的产生的电磁场不涉及待测物分子，对SERS检测不产生影响。因此，确保了检测的重复性；由于疏水作用的功能团一端与不具有SERS活性的金属膜相连，而另一端与金属纳米粒子的亲和力弱，且官能团本身散射截面小，因此其本身受SERS响应弱，不会干扰待测分子SERS光谱的分析。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2：（A）修饰有碳链（C6）的金片表面的原子力显微镜图，嵌入图为金片装配在载玻片上的数码照片。（B）金胶中金纳米粒子扫描电镜照片，嵌入图为金胶在离心管中的数码照片。

图3 ：四种化合物的SERS光谱及其标准品的拉曼光谱，其中：(A)为苯并荧蒽的标准品普通法拉曼光谱和SERS光谱图，(B)为荧蒽的标准品普通法拉曼光谱和SERS光谱图，(C)为苯并蒽的标准品普通法拉曼光谱和SERS光谱图，(D)为芘的标准品普通法拉曼光谱和SERS光谱图。

图4 ：曲线a为甲醇土壤提取液的SERS光谱；曲线b为四种化合物混合物的SERS光谱，并标记四种化合物各自的特征峰。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

实施例1

（1）制备金属膜及其检测器件：将载玻片切割成1.5×1.5cm的小片，利用日本电子JFC-1600型精镀仪在玻璃小片上真空镀上200nm左右的金膜；将金片（镀上金膜的玻璃片）浸泡在1mM己硫醇的甲醇溶液中，使金膜表面自装上疏水碳链层，见图2(A)；为了便于操作，将自组装有碳链的金片装配在载玻片上制作成便携式的检测器件，见图2(A)中嵌入图。

（2）制备含有金纳米粒子的胶体：以氯金酸和柠檬酸钠为原料，化学湿法合成含有60nm金纳米粒子的胶体，见图2(B)。

（３）样品：苯并荧蒽、荧蒽、苯并蒽和芘是汽油助燃剂火灾物证鉴定的目标化合物，以这四种化合物为待测物，分别配制成浓度为10μM的甲醇溶液。

（４）：用滴管分别取步骤（３）所述四种化合物的甲醇溶液各0.1mL；

（５）：将样品溶液分别滴加于水平放置的步骤（１）得到的金片上；

（６）：待溶剂挥发金膜表面晾干后，滴加步骤（２）所述的含有金纳米粒子的胶体10μL，覆盖金膜的面积约为5~6mm²；

（７）：使用必达泰克BWS465-785S型拉曼光谱仪，在785nm波长下进行测试，分别得到四种化合物的SERS光谱图，见图3；

（８）：将得到的SERS光谱与数据库中四种化合物标准品的拉曼光谱进行比对确认，见图3。图3显示，10μM化合物信号强度高于固体物的强度，拉曼增强效果显著，具有优良的SERS活性；SERS光谱中谱峰清晰可辨，特征峰的拉曼位移与标准品一一对应，十分便于结果的分析和鉴定；SERS光谱中未发现明显的干扰峰存在，证明SERS基底本身对检测结果的解析不产生影响。

实施例２：

（1）：按照实施例1方法制备金属膜和其检测器件以及含有金纳米粒子的胶体；

（2）：样品：将苯并荧蒽、荧蒽、苯并蒽和芘这四种化合物为待测物，以浸泡过土壤并用滤纸过滤后的甲醇为溶剂，配制成四种化合物混合物的甲醇溶液，每一个化合物的浓度均为5μM；

（3）：用滴管分别取步骤（２）所述含有四种化合物的甲醇溶液0.1mL；

（4）：将样品溶液滴加于水平放置的步骤（１）得到的金片上；

（5）：待溶剂自然挥发，滴加步骤（２）所述的含有金纳米粒子的胶体5μL，覆盖金膜的面积约为2~3mm²；

（6）：以同样的方法在金片上滴加不含化合物的甲醇土壤提取液和含有金纳米粒子的胶体；

（７）：使用必达泰克BWS465-785S型拉曼光谱仪，在785nm波长下分别对含有化合物的样品溶液和不含化合物的甲醇土壤提取液进行测试，得到相应的光谱图，见图4；

（８）：将得到的光谱与图3中单一化合物的SERS光谱进行比对确认，在混合物SERS光谱中标记各个化合物的特征峰，见图4。结果显示，甲醇土壤提取液自身不产生信号干扰；该方法对于化合物的检测具有显著拉曼增强效果和优良的SERS活性；SERS光谱中谱峰清晰可辨，能够快速方便的在多组分混合物光谱中鉴别出各个组分化合物，这对于现场复杂样品具有积极的实际意义和广阔的应用前景。

Claims

1.基于表面增强拉曼光谱检测火灾现场残留有机物的方法，其特征在于具体步骤如下：

（1）选取光滑平整的金属膜，其表面经功能团修饰具有疏水作用；金属膜表面采用碳数为C3~C18的直链或支链的烷烃作为疏水功能团；

（４）将步骤（３）得到的过滤后的液体样品滴加在步骤（1）选取的金属膜上，液体滴加的速度为1mL~100mL/min；液体中的待测物分子与金属膜表面的疏水功能团相互作用，使液体中的待测物分子由液体内被转移吸附至金属膜表面；

（５）液体滴加完毕后，使液体自然挥发，必要时可用少量溶剂清洗金属膜表面，待金属膜表面晾干后，在金属膜表面滴加步骤（２）所述的含有具有SERS活性的纳米粒子的胶体，使纳米粒子覆盖于金属膜表面，此时待测物分子处于纳米粒子与金属膜之间，得到由纳米粒子/待测物分子/金属膜组成的拉曼增强体系；

（６）利用拉曼光谱仪在一定波长的激光光束下进行探测，获得灵敏度高、重复性好、无背景干扰的SERS光谱测试结果；

（７）对获得的SERS光谱图进行比对和分析，鉴定样品中有机化合物的种类。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（３）中所述液体样品来自现场残留水体或由溶剂萃取残留固体物得到。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（３）中所述过滤使用的过滤介质采用玻璃砂芯、有机/无机过滤膜或滤纸中任一种。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（４）中每平方厘米金属膜表面滴加的液体体积为0.01mL~100mL。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（４）中液体可滴加在水平或倾斜放置的金属膜上，金属膜的材质为金、银中的一种或其两者的合金；金属膜的面积为9mm²~25cm²。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（５）中清洗采用的溶剂为去离子水，乙醇或正己烷中的一种或多种混合的溶液，每平方厘米金属膜所用溶剂的体积为0~100mL。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（５）中每平方毫米金属膜上覆盖的含有纳米粒子胶体的用量为1μL~10μL，胶体中所含纳米粒子由金或银构成，尺寸为30~100nm，形状为球形，不规则球形，长方体或棒形中任一种。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（６）中拉曼测试时，胶体为干燥或湿润状态；激光波长为514.5nm、532nm、633nm或785nm中的一种。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于步骤（７）中所述SERS光谱图分析方法有光谱数据库比对和拉曼谱峰归属分析。