CN109164085A - 一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法 - Google Patents

一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法，该方法以铜纳米线为表面增强拉曼散射SERS基底，所述铜纳米线通过如下方法制备获得：以条带状的Mg61Cu28C11合金作为前驱体，利用去合金法选择性去除前驱体中的较活泼元素Mg和元素C，形成铜纳米线；Mg61Cu28C11合金中，C为钇、钆、铌、镨、镝中的一种；所述去合金法采用的酸性腐蚀液的pH为0.1～2；反应时间为0.5～36h。本发明利用去合金法制得的铜纳米线作为SERS基底进行甲基苯丙胺类毒品的拉曼检测，成功实现了对甲基苯丙胺类毒品的SERS灵敏检测。

Description

一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的 方法
技术领域
本发明涉及毒品检测技术领域，尤其涉及一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法。
背景技术
毒品的非法流通以及对人体造成的伤害，已成为日益严峻的世界性问题。毒品种类繁多，除常见的海洛因、甲基苯丙胺类毒品、鸦片外，还有众多新型毒品及其变种，通过伪饰为糖果、饮料等进行非法流通，造成毒品检测干扰物多，含量降低等检测困难。
根据《吸毒检测程序规定》(公安部令第110号)的第三条规定:“吸毒检测必须进行现场检测、实验室检测、实验室复检”，新型毒品经过伪饰后多以混合物存在，增大了毒品检测难度，要求更高的选择性。在实验室检测过程中，在尿液、血液、毛发等生物样本中，毒品经过新陈代谢后含量较少，要求更高的检测灵敏度。而不断衍生的新型毒品又进一步增大了检测的难度；因此，亟待建立不断衍生的新型毒品的标准谱库。
表面增强拉曼散射(SERS)效应是在纳米尺度上的粗糙表面或颗粒体系所具有的异常光学增强现象。表面增强拉曼散射技术可以获得待检分子的特征指纹谱，便于定性分析，通过表面局域等离子体共振使得待检分子的拉曼信号强度提高～105倍。因此，表面增强拉曼散射技术不仅可以用于高浓度样品的检测，也可以测得痕量物质的拉曼光谱。
目前，常见的表面增强拉曼散射基底材料多集中于金基和银基贵金属纳米材料，例如：申请公布号为CN104122249A的发明专利申请公开了一种唾液中毒品代谢物现场的检测方法，包括以下步骤：(1)用化学共沉淀方法制备四氧化三铁磁性纳米粒子，并以植酸钠为保护剂，产物室温下冷却，水洗三次；(2)将制备的四氧化三铁磁性纳米粒子在搅拌下加热至沸腾，滴加氯金酸溶液，搅拌8～10分钟，再加入柠檬酸三钠溶液，继续搅拌50～60分钟，将产物室温下冷却，水洗三次，制得由植酸钠保护的金/四氧化三铁复合磁性纳米粒子；(3)将复合磁性纳米粒子作为磁响应的表面增强拉曼光谱散射基底，采用便携式拉曼光谱仪，通过磁场诱导纳米粒子的聚集进行拉曼检测，得到磁优化的表面增强拉曼光谱，用于现场检测唾液中毒品代谢物可替宁。
但是，由于金纳米颗粒和银纳米颗粒等贵金属纳米材料均无法大规模生产，且原材料成本高，因此无法实现广泛应用。
与金、银贵金属相比，铜作为贵金属之一，在储量和价格上都占有很大优势，而且铜的价格是银的1/70，是金的1/5000。另外，铜基SERS基底等离子体共振在近红外波段激发可以有效避开大部分荧光干扰。因此，铜基SERS基底成为能够满足市场要求的高灵敏、低成本的SERS灵敏检测基底。
发明内容
本发明提供了一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法，该方法解决了SERS基底原材料成本高的问题，制备出高性能低成本的铜基SERS基底，成功实现了对低浓度甲基苯丙胺类毒品的SERS检测。
具体技术方案如下：
一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法，以铜纳米线为表面增强拉曼散射SERS基底，所述铜纳米线通过如下方法制备获得：以条带状的Mg61Cu28C11合金作为前驱体，利用去合金法选择性去除前驱体中的较活泼元素Mg和元素C，形成铜纳米线；
Mg61Cu28C11合金中，C为钇、钆、铌、镨、镝中的一种；
所述去合金法采用的酸性腐蚀液的pH为0.1～2；反应时间为0.5～36h。
上述铜纳米线的表面密布纳米颗粒，颗粒与颗粒间构成大量纳米间隙，表面等离子体共振导致产生高密度的强局域电磁场，即具有优异SERS增强性能的热点(hotspots)，同时相邻的铜纳米线之间存在共振耦合效应，使得SERS增强性能进一步提高，利用共聚焦显微拉曼光谱仪或便携式拉曼光谱仪，可得到毒品分子的表面增强拉曼光谱。
作为优选，所述Mg61Cu28C11合金中，C＝Gd，即：Mg61Cu28Gd11；能够实现对甲基苯丙胺类毒品溶液的拉曼检测。
作为优选，所述去合金法采用的酸为盐酸。不同的酸会影响材料去合金反应后的形貌，而材料表面的微观形貌是表面增强拉曼散射性能优劣的决定性因素。
作为优选，所述酸性腐蚀液用无水乙醇作为溶剂。腐蚀液的溶剂也会影响去合金反应后的形貌，以水为溶剂时无法得到铜纳米线，得到的是纳米多孔铜。
进一步地，所述甲基苯丙胺类毒品的检测步骤，包括：将待测的甲基苯丙胺类毒品溶液或粉末加入封装有SERS基底的搭载装置内，再进行SERS检测。
作为优选，所述搭载装置上设有若干个用于放置SERS基底的凹槽，凹槽开口处设有盖玻片；所述甲基苯丙胺类毒品溶液滴加到SERS基底的表面上，液面与盖玻片充分接触。
该搭载装置设有均匀分布的若干正方形凹槽，凹槽内用于放置SERS基底，开口处设有盖玻片。在非检测状态下，凹槽内充满超纯水，可稳定保存铜纳米线SERS基底；检测状态下，先将超纯水抽出，再将待测甲基苯丙胺类毒品溶液滴加至凹槽中铜纳米线SERS基底，盖上盖玻片，盖玻片与液面充分接触，使得进行拉曼检测时分子在溶液环境中均匀分布。将激光器的焦点聚焦于铜纳米线SERS基底上进行拉曼检测。将铜纳米线封装于搭载装置中可以延长基底的稳定性，可以储存约一周。
作为优选，所述SERS检测采用的仪器为共聚焦显微拉曼光谱仪、拉曼光谱仪、便携拉曼光谱仪中的一种。
其中，采用共聚焦显微拉曼光谱仪时，采用的激发光波长为633nm；采用便携拉曼光谱仪时，采用的激发光波长为785nm。在共聚焦显微拉曼光谱仪中有三个波长可供选择：532nm，633nm，785nm，但是铜纳米线的等离子共振波长位于600-700nm，因此在633nm和785nm下均能表现出较好的表面增强拉曼散射性能。
本发明中通过选择结晶紫溶液为探针分子，通过实施案例证明该铜纳米线基底可实现单分子级别的灵敏检测，进一步将该基底用于毒品分子溶液的检测，实现了对甲基苯丙胺毒品溶液的SERS检测。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明利用去合金法制得的铜纳米线作为SERS基底，进行甲基苯丙胺类毒品的检测，成功实现了对甲基苯丙胺类毒品的SERS检测。
(2)本发明制得的铜纳米线的表面密布纳米颗粒，颗粒与颗粒间构成大量纳米间隙，表面等离子体共振导致产生高密度的强局域电磁场，即具有优异SERS增强性能的热点(hotspots)，同时相邻的铜纳米线之间存在共振耦合效应，使得SERS增强性能进一步提高。因此该基底具有优异的表面增强拉曼散射性能。
(3)本发明采用性能优异的铜纳米线SERS基底，利用共聚焦显微拉曼光谱仪或便携式拉曼光谱仪，均可得到毒品分子的表面增强拉曼光谱。
(3)本发明的甲基苯丙胺类毒品检测方法中采用的铜纳米线材料可以大量制备，且制备方法简便、快捷，所用的封装搭载装置具有普适性，能有效保护基底材料的结构，可以通过3D打印量化生产。
(4)本发明中以结晶紫分子为探针分子评估铜纳米线SERS基底的检测灵敏度，结果表明其检测灵敏度远高于一般SERS基底材料，可实现单分子级别的检测。
(5)本发明方法检测甲基苯丙胺类毒品分子时性能稳定，操作简单，测试效率高，非专业人员亦可使用，既可用于毒品分子的检测，又可用于体液中毒品代谢物的检测，适用范围广泛。
附图说明
图1为实施例1制备的铜纳米线材料的SEM图像。
图2为实施例1制备的铜纳米线材料的TEM图像。
图3为实施例2中搭载装置的结构示意图。
图4为实施例2中搭载装置的实物图。
图5为实施例3中采用不同浓度的结晶紫溶液进行拉曼检测得到的SERS谱图。
图6为实施例4～6中不同类型光谱仪检测甲基苯丙胺类毒品(甲基苯丙胺,methamphetamine,MAMP)的SERS谱图；
其中，a为利用共聚焦显微拉曼光谱仪在633nm激光激发下得到的甲基苯丙胺类毒品溶液的SERS谱图；b为利用便携拉曼光谱仪在785nm激光激发下直接测的甲基苯丙胺类毒品粉末样品的拉曼谱图；c为利用便携拉曼光谱仪在785nm激光激发下得到的甲基苯丙胺类毒品溶液的SERS谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
将约100μm厚的Mg61Cu28Gd11合金条带浸入0.25M盐酸乙醇溶液(pH＝0.6)中，常温下进行去合金反应，反应时间为9h，将得到的铜纳米线材料用超纯水清洗，去除其表面残留的化学药品。
将上述铜纳米线分别进行扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)的表征分析，得到如图1所示的SEM图和图2所示的TEM图。
从图1中，可以看出得到的材料由紧密排列甚至交叉在一起的纳米线构成，纳米线表面并非光滑表面。
从图2中，可以观察到这些纳米线表面“凹凸”不平，这种结构有利于该材料表面形成局域等离子体共振，产生高密度的SERS热点，实现高强度的电磁场增强表面拉曼散射，同时高比表面积可增大材料表面可以吸附更多的待测分子。
实施例2
图3和图4分别为用于封装铜纳米线SERS基底的搭载装置的结构示意图和实物图。该搭载装置上设有均匀分布的正方形凹槽，凹槽上部设有尺寸匹配的盖玻片，盖玻片固定在凹槽口部的台阶上。
将实施例1中制备得到的铜纳米线基底放置在该搭载装置中，非检测状态下凹槽内充满超纯水，可稳定保存铜纳米线SERS基底，并盖上盖玻片。
在进行检测时，首先将封装有铜纳米线SERS基底的搭载装置凹槽中的超纯水抽出；再将待测甲基苯丙胺类毒品溶液滴加至凹槽中铜纳米线SERS基底上，盖上盖玻片，盖玻片与液面充分接触，使得进行拉曼检测时分子在溶液环境中均匀分布。
实施例3
本实施例利用实施例1中得到的铜纳米线作为SERS基底材料，并采集不同浓度的结晶紫(CV)溶液在633nm激光激发下的表面增强拉曼散射光谱，结果如图5所示，1175cm-1对应C-C伸缩振动，1377cm-1对应C-C伸缩振动、苯环的弯曲振动、C-H弯曲振动，1620cm-1对应苯环对称振动，该图谱与结晶紫的标准拉曼图谱一致，其中结晶紫溶液的浓度分别为10-6M，10-9M，10-15M。
由图5可知，随着探针分子浓度逐渐降低，即使基底的结晶紫溶液浓度低至10-15M，依然可以得到结晶紫的特征SERS谱图，几乎实现单分子级别的检测。
实施例4
将实施例1中得到的铜纳米线作为SERS基底材料，在633nm激光激发下利用共聚焦显微拉曼光谱仪对甲基苯丙胺类毒品溶液进行表面增强拉曼检测，检测操作步骤同实施例2，得到如图6a所示的SERS光谱。
其中，1003cm-1(面内环变形)、1030cm-1(面内环CH变形)、1210
cm-1(C6H5-C)、1350cm-1(异丙基C-H变形)、1446cm-1(CH3对称振动)和1600cm-1(环呼吸振动)均为甲基苯丙胺类毒品的特征峰。
实施例5
利用便携拉曼光谱仪对甲基苯丙胺类毒品粉末在785nm激光激发下进行拉曼检测，得到如图6b所示的SERS光谱。在没有SERS基底的情况下，即使是毒品固体粉末，得到的毒品拉曼谱图仍然强度较低；其中1003cm-1(面内环变形)、1030cm-1(面内环CH变形)、1210cm-1(C6H5-C)、1350cm-1(异丙基C-H变形)、1446cm-1(CH3对称振动)和1600cm-1(环呼吸振动)均为甲基苯丙胺类毒品的特征峰。
实施例6
将实施例1中得到的铜纳米线作为SERS基底材料，在785nm激光激发下利用便携拉曼光谱仪采集低浓度的甲基苯丙胺毒品溶液的SERS谱图，得到如图6c所示的拉曼谱图。其中1003cm-1(面内环变形)、1030cm-1(面内环CH变形)、1210cm-1(C6H5-C)、1350cm-1(异丙基C-H变形)、1446cm-1(CH3对称振动)和1600cm-1(环呼吸振动)均为甲基苯丙胺类毒品的特征峰。
与实施例5相比，通过铜纳米线SERS基底的增强作用，使得低浓度的甲基苯丙胺类毒品溶液，仅仅利用便携拉曼光谱仪，即可得到拉曼散射强度高于甲基苯丙胺类毒品粉末的拉曼谱图，进一步说明了铜纳米线SERS基底的检测灵敏度和优异的增强性能，以及在不同激光激发下、不同类型光谱仪设备下的应用普适性。
以上详细描述了本发明的优选具体实施例，应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化，因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于表面增强拉曼散射技术检测甲基苯丙胺类毒品的方法，其特征在于，以铜纳米线为表面增强拉曼散射SERS基底，所述铜纳米线通过如下方法制备获得：以条带状的Mg61Cu28C11合金作为前驱体，利用去合金法选择性去除前驱体中的元素Mg和元素C，形成铜纳米线；
Mg61Cu28C11合金中，C为钇、钆、铌、镨、镝中的一种；
所述去合金法采用的酸性腐蚀液的pH为0.1～2；反应时间为0.5～36h。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的Mg61Cu28C11合金为Mg61Cu28Gd11合金。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述去合金法采用的酸为盐酸。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述酸性腐蚀液用无水乙醇作为溶剂。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，甲基苯丙胺类毒品的检测步骤，包括：将待测的甲基苯丙胺类毒品溶液加入封装有SERS基底的搭载装置内，再进行SERS检测。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述搭载装置上设有若干个用于放置SERS基底的凹槽，凹槽开口处设有盖玻片；所述甲基苯丙胺类毒品溶液滴加到SERS基底的表面上，液面与盖玻片充分接触。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SERS检测采用的仪器为共聚焦显微拉曼光谱仪、拉曼光谱仪、便携拉曼光谱仪中的一种。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，采用共聚焦显微拉曼光谱仪时，采用的激发光波长为633nm或785nm；采用便携拉曼光谱仪时，采用的激发光波长为785nm。
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