CN110501323B - 一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，包括，配置标准溶液，并根据标准溶液进行稀释形成储备液，同时不含检测物质的空白溶液，采用便携式拉曼光谱仪采集标准溶液和空白溶液的拉曼信息，确定特征峰；将增强粒子、团聚剂和储备液加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，得到特征峰信息，并录入至拉曼光谱仪谱库中；实际检测时，将增强粒子、团聚剂和样品加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，根据待测物特征峰来检测样品中待测物的浓度。本发明能够利用便携式拉曼光谱仪，辅以拉曼信息比对法来实现了现场快速检测，并且在增强粒子和团聚剂作用下优化拉曼条件，提升了检测限。
Description
技术领域
本发明属于检测领域，具体涉及一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法。
背景技术
二噁英通常指具有相似结构和理化特性的一组多氯取代的平面芳烃类化合物，属氯代含氧三环芳烃类化合物，包括75种多氯代二苯并一对一二噁英和135种多氯代二苯并呋哺。二噁英系一类剧毒物质，其毒性相当于人们熟知的剧毒物质氰化物的130倍、砒霜的900倍。大量的动物实验表明，很低浓度的二噁英就对动物表现出致死效应。二噁英还可能导致胎儿生长不良、男子精子数明显减少等，它侵人人体的途径包括饮食、空气吸入和皮肤接触。一些专家指出：人类暴露予含二噁英污染的环境中，可能引起男性生育能力丧失、不育症、女性青春期提前、胎儿及哺乳期婴儿疾患、免疫功能下降、智商降低、精神疾患等，有致死作用和“消瘦综合征”、胸腺萎缩、免疫毒性、肝脏毒性、氯痤疮、生殖毒性、发育毒性和致畸性、致癌性。因此，开展二噁英快速检测是非常有意义的。
二噁英的检测属于痕量分析，由于环境基体非常复杂，检测二噁英类化合物显得格外艰巨，是现代分析化学的难点。目前国际上采用较多的检测二噁英类的方法是色谱法，尤其是高分辨气相色谱结合高分辨质谱联用技术。该方法需要复杂的样品前处理过程，测试周期较长，并且要求有精密的仪器、良好的实验环境、经过专业训练的操作人员及定性、定量用的标准样品等，用该法检测二噁英类的费用高。
表面增强拉曼光谱技术(SERS)对检测样品的需要量少，对样品无破坏性，而且灵敏度高的优点，使其广泛应用于材料检测、环境检测、化学分析及生物试样等方面的定性检测。但是采用表面增强拉曼光谱技术来检测二噁英类污染物的方法的研究却鲜有报道。为解决这一问题，公开号为201310352713.X的中国发明专利公开了一种痕量二噁英的快速检测方法，利用甲基纤维素、柠檬酸钠、银氨溶液为原料，制备检测用的Ag基SERS基底。实际应用时，需将待测二噁英样品与所制备的Ag溶胶混合，然后通过离心进行分离，再进行检测。然而，由于Ag基SERS基底存在稳定性差、易被氧化等缺点，很快便会失去SERS活性导致无法实现二噁英拉曼信号的增强(一般几个小时之内便会失活)，严重地限制了该方法在实际检测中的应用。另外该方法需要引入甲基纤维素稳定银纳米粒子并实现二噁英在纳米粒子表面的吸附，但甲基纤维素本身也具有丰富的拉曼信号并会显著干扰二噁英的检测。同时，该方法操作复杂，只适合用实验室检测，无法满足现场快速检测需求。
因此，急需开发一种检测二噁英类污染物浓度的SERS方法，能够在室外快速检测二噁英类污染物浓度，且能够解决拉曼光谱特征峰信号弱，检测稳定性不佳等问题。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，能够利用便携式拉曼光谱仪，辅以拉曼信息比对法来实现了现场快速检测，并且在增强粒子和团聚剂作用下优化拉曼条件，提升了检测限。
为实现以上技术目的，本发明的技术方案是：
一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，包括如下步骤：
步骤1，配置待检测物质标准溶液，并根据标准溶液进行稀释形成储备液，同时不含检测物质的空白溶液，采用便携式拉曼光谱仪采集标准溶液和空白溶液的拉曼信息，确定特征峰；
步骤2，将增强粒子、团聚剂和储备液以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，得到特征峰信息；
步骤3，将增强粒子、团聚剂和样品以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，根据待测物特征峰的相应信息来计算出样品中待测物的浓度；
所述团聚剂采用1M NaOH、1M HCl和1M NaCl溶液中的一种。
所述步骤1中的标准溶液和空白溶液在拉曼光谱仪检测前均加入55nm的金粒子和1M NaCl溶液。
所述步骤2中的增强粒子采用金纳米粒子。
所述步骤2中金纳米粒子的制备方法如下：
步骤a，将氯金酸溶液加入至超纯水中充分混合，高速搅拌煮沸；
步骤b，将柠檬酸钠溶液快速加入至步骤a中的氯金酸溶液中，继续搅拌煮沸反应30min，冷却后金纳米粒子。
所述金纳米粒子的粒径为16nm、45nm、55nm中的一种。
所述金纳米粒子的粒径的选择方法如下：
将已知浓度的储备液与金纳米粒子充分混合均匀，加入至检测池中，利用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的金纳米粒子，确定金纳米粒子的粒径。
所述团聚剂的选择方法如下：
200μL 50μg/L的储备液、200μL金纳米粒子和200μL团聚剂于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的团聚剂。
将步骤1中的标准溶液的助剂稀释，且浓度为100μg/L、80μg/L、60μg/L、40μg/L、20μg/L、10μg/L、5μg/L和1μg/L，然后分别采用便携式拉曼光谱仪采集特征峰的拉曼信息，根据检测到的特征峰来确定检测限。
本发明采用拉曼光谱比对法，利用增强纳米粒子与团聚剂的结合，有效的解决了拉曼光谱检测限低的问题，大大提高了检测灵敏度。相比传统二噁英的检测技术，该方法显著缩短了测试时间，也降低了识别二噁英类物质的检测成本，并可排除其它物质的干扰，实现了二噁英类物质的现场快速检测。
本发明利用增强粒子和团聚剂的联合作用，优化了拉曼条件，并在最优的团聚剂和增强粒子作用下，实现了待测物的快速检测，也提高了检测限。
本发明利用柠檬酸钠还原法有效地控制金增强粒子的粒径，并且利用储备液中待测物和纳米粒子的结合，对标准样品的拉曼检测结果进行比较，确定了金纳米粒子的最佳粒径，实现了增强拉曼粒子的优化。
本发明利用拉曼光谱比对法，利用酸、碱和盐的角度来配合储备液模拟待测液的情况，并且利用模拟的拉曼光谱信息来确定合适的团聚剂。
本发明采用检测模拟法来确定增强纳米粒子的粒径和团聚剂的种类，能够将待测溶液的检测条件调节至最佳，实现了检测限的提升。
本发明提供的检测方法能够利用便携式拉曼光谱仪，辅以拉曼信息比对法来实现了现场快速检测，并且在增强粒子和团聚剂作用下优化拉曼条件，提升了检测限。
附图说明
图1是二噁英类物质的SERS光谱图，a、b、c和d分别对应2,8-二氯二苯并-对-二噁英、2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英、1,2,3,7,8-五氯二苯并-对-二噁英和1,2,4,7,8-五氯二苯并-对-二噁英；
图2是2,8-二氯二苯并-对-二噁英在增强粒子条件下的SERS光谱图，a、b和c分别对应的粒子粒径为16nm、45nm、55nm；
图3是2,8-二氯二苯并-对-二噁英在不同团聚剂条件下的SERS光谱图，a、b和c分别对应的团聚剂为1M NaOH、1M HCl和1M NaCl；
图4是不同浓度下的2,8-二氯二苯并-对-二噁英SERS光谱图；
具体实施方式
结合图1至图4，详细说明本发明的一个具体实施例，但不对本发明的权利要求做任何限定。
一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，包括如下步骤：
步骤1，配置待检测物质标准溶液，并根据标准溶液进行稀释形成储备液，同时不含检测物质的空白溶液，采用便携式拉曼光谱仪采集标准溶液和空白溶液的拉曼信息，确定特征峰；
步骤2，将增强粒子、团聚剂和储备液以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，得到特征峰信息；
步骤3，将增强粒子、团聚剂和样品以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，根据待测物特征峰的相应信息来计算出样品中待测物的浓度；
所述团聚剂采用1M NaOH、1M HCl和1M NaCl溶液中的一种。
所述步骤1中的标准溶液和空白溶液在拉曼光谱仪检测前均加入55nm的金粒子和1M NaCl溶液。一般情况下是标准溶液为低浓度时，加入55nm纳米金粒子和1M NaCl溶液。所述低浓度的标准溶液≤0.1％。
所述步骤2中的增强粒子采用金纳米粒子。
所述步骤2中金纳米粒子的制备方法如下：
步骤a，将氯金酸溶液加入至超纯水中充分混合，高速搅拌煮沸；
步骤b，将柠檬酸钠溶液快速加入至步骤a中的氯金酸溶液中，继续搅拌煮沸反应30min，冷却后金纳米粒子。
所述金纳米粒子的粒径为16nm、45nm、55nm中的一种。
所述金纳米粒子的粒径的选择方法如下：
将已知浓度的储备液与金纳米粒子充分混合均匀，加入至检测池中，利用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的金纳米粒子，确定金纳米粒子的粒径。
所述团聚剂的选择方法如下：
200μL 50μg/L的储备液、200μL金纳米粒子和200μL团聚剂于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的团聚剂。
将步骤1中的标准溶液的助剂稀释，且浓度为100μg/L、80μg/L、60μg/L、40μg/L、20μg/L、10μg/L、5μg/L和1μg/L，然后分别采用便携式拉曼光谱仪采集特征峰的拉曼信息，根据检测到的特征峰来确定检测限。
实施例1
一种基于增强拉曼光谱技术的2,8-二氯二苯并-对-二噁英快速检测方法，包括如下步骤：
(1)2,8-二氯二苯并-对-二噁英特征峰的确定
步骤1，配置待检测物质标准溶液，并根据标准溶液进行稀释形成储备液，同时不含检测物质的空白溶液，采用便携式拉曼光谱仪采集标准溶液和空白溶液的拉曼信息，确定特征峰；当标准溶液为低浓度(≤0.1％)时，加入55nm金粒子作为增强粒子、氯化钠作为团聚剂，所述氯化钠为1M NaCl溶液；同时为降低检测的繁琐性，标准溶液和储备液可以采用相同浓度的待测溶液。
取200μL 50μg/L的储备液、200μL 55nm Au NPs和1M NaCl于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。如图1，a为2,8-二氯二苯并-对-二噁英，得到2,8-二氯二苯并-对-二噁英的表面增强拉曼特征峰为：356cm-1、447cm-1、513cm-1、586cm-1、1225cm-1、1314cm-1、1490cm-1和1607cm-1，其中，1225cm-1是主峰，其余作为辅助峰来判别2,8-二氯二苯并-对-二噁英。
步骤2，将增强粒子、团聚剂和储备液以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，确定特征峰信息；
取200μL 50μg/L的2,8-二氯二苯并-对-二噁英储备液、200μL已制备好的粒径为55nm的金纳米粒子和200μL1 M NaCl团聚剂于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。
步骤3，将增强粒子、团聚剂和样品以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，根据待测物特征峰的相应信息来计算出样品中待测物的浓度。
(2)2,8-二氯二苯并-对-二噁英的增强纳米粒子选择方法
取200μL 50μg/L的2,8-二氯二苯并-对-二噁英储备液和200μL已制备好的粒径分别为16nm、45nm、55nm于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。如图2，a、b和c分别为16nm、45nm和55nm作为增强粒子的拉曼谱图，根据2,8-二氯二苯并-对-二噁英特征峰强度对比可得到55nm Au NPs粒子的增强性能最强。
金粒子的制备方法依次如下：
16nm粒子：首先取2.424mL 0.825％氯金酸溶液与200mL超纯水充分混合，高速搅拌煮沸，快速加入6mL的1％的柠檬酸钠溶液，继续搅拌煮沸反应30min，冷却备用。
45nm粒子：首先取2.424mL 0.825％氯金酸溶液与200mL超纯水充分混合，高速搅拌煮沸，快速加入2mL的1％的柠檬酸钠溶液，继续搅拌煮沸反应30min，冷却备用。
55nm粒子：首先取2.424mL 0.825％氯金酸溶液与200mL超纯水充分混合，高速搅拌煮沸，快速加入1.4mL的1％的柠檬酸钠溶液，继续搅拌煮沸反应30min，冷却备用。
(3)2,8-二氯二苯并-对-二噁英检测的团聚剂的确定
取200μL 50μg/L的2,8-二氯二苯并-对-二噁英储备液、200μL 55nm Au NPs混合均匀，再分别取200μL1 M NaOH、1M HCl和1M NaCl作为团聚剂，于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。如图3，a、b和c分别为1MNaOH、1M HCl和1M NaCl作为团聚剂的拉曼谱图，根据2,8-二氯二苯并-对-二噁英特征峰强度对比可得到1M NaCl的团聚效果最好。
检测结果：本检测方法的检测出的浓度为128μg/L，待测样品的实际浓度为130μg/L，处于同一浓度量级，同时本检测方法的检测所需时间为5min，而实验室常规的检测方法所需要的时间至少50min，且实验室常规检测方法一般采用气质联用，不仅设备造价极其昂贵，环境要求极为苛刻，无法满足野外快速检测的需求；相比较而言，本检测方法检测时间短，能够实时检测出待测浓度量级，同时检测方法采用的便携式拉曼光谱仪能够便于野外快速检测，对环境要求相对较低，满足目前快检的要求。
以2，3，7，8-四氯二苯并-对-二噁英为检测样品，以45nm纳米金粒子作为增强粒子，以1M HCl作为团聚剂，检测结果：本检测方法的检出浓度为158μg/L，实际浓度为155μg/L，检测时间为4.5min。
以八氯代二噁英为检测样品，以16nm纳米金粒子作为增强剂，以1M NaOH为团聚剂，检测结果如下：本检测方法的检出浓度为453μg/L，实际浓度为450μg/L，检测时间为5.5min。
本检测方法能够有效快速的检测浓度，确定待测样品的浓度量级，大大节省了检测时间，同时降低了样品对引起设备的需求度，便于室外快速检测。
实施例2多种二噁英类的检测
(1)特征峰的检测
取200μL 50μg/L的储备液、200μL 55nm Au NPs和1M NaCl于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。如图1，b、c和d分别为2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英、1,2,3,7,8-五氯二苯并-对-二噁英和1,2,4,7,8-五氯二苯并-对-二噁英的拉曼谱图，2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英的表面增强拉曼特征峰为：345cm-1、377cm-1、443cm-1、541cm-1、584cm-1、1230cm-1、1309cm-1、1487cm-1和1602cm-1，其中，1230cm-1是主峰，其余作为辅助峰来判断识别2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英；1,2,3,7,8-五氯二苯并-对-二噁英的表面增强拉曼特征峰为：380cm-1、527cm-1、559cm-1、578cm-1、1243cm-1、1304cm-1和1597cm-1，其中，1243cm-1是主峰，其余作为辅助峰来判断识别1,2,3,7,8-五氯二苯并-对-二噁英；1,2,4,7,8-五氯二苯并-对-二噁英的表面增强拉曼特征峰为：376cm-1、537cm-1、671cm-1、1234cm-1、1302cm-1、1503cm-1和1599cm-1，其中，1234cm-1是主峰，其余作为辅助峰来判断识别1,2,4,7,8-五氯二苯并-对-二噁英。
2.增强粒子的优化选择
按照实施例1中相同的选择方法，取200μL 50μg/L的储备液和200μL已制备好的粒径分别为16nm、45nm、55nm以及浓缩的金纳米粒子于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。可得到2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英、1,2,3,7,8-三氯二苯并-对-二噁英和1,2,4,7,8-三氯二苯并-对-二噁英的增强粒子，见表1。
(2)团聚剂的优化选择
取200μL 50μg/L的储备液、200μL 55nm Au NPs混合均匀，再分别取200μL1 MNaOH、1M HCl和1M NaCl作为团聚剂，于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。可得到2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英、1,2,3,7,8-三氯二苯并-对-二噁英和1,2,4,7,8-三氯二苯并-对-二噁英的团聚剂，见表2。
实施例3检测限(以2,8-二氯二苯并-对-二噁英为例)
将50mg/L的标准溶液稀释到浓度为500μg/L并逐级稀释为100μg/L、80μg/L、60μg/L、40μg/L、20μg/L、10μg/L、5μg/L和1μg/L的储备液，并制备不含待测物质的空白溶液；取200μL 2,8-二氯二苯并-对-二噁英储备液、200μL 55nm Au NPs和200μL1 M NaCl于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白样的对比。2,8-二氯二苯并-对-二噁英储备液的浓度从高到低，直至拉曼谱图中2,8-二氯二苯并-对-二噁英的1225cm-1处的主峰，356cm-1和586cm-1处的辅助峰消失，得到2,8-二氯二苯并-对-二噁英的检测限是5μg/L，如图4。采取同样的方法，在最优的实验条件下，得到2,3,7-三氯二苯并-对-二噁英、1,2,3,7,8-三氯二苯并-对-二噁英和1,2,4,7,8-三氯二苯并-对-二噁英的检测限，见表3。
综上所述，本发明具有以下优点：
本发明提供的检测方法能够利用便携式拉曼光谱仪，辅以拉曼信息比对法来实现了现场快速检测，并且在增强粒子和团聚剂作用下优化拉曼条件，提升了检测限。
可以理解的是，以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果；只要满足使用需要，都在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，配置待检测物质标准溶液，并根据标准溶液进行稀释形成储备液，同时不含检测物质的空白溶液，采用便携式拉曼光谱仪采集标准溶液和空白溶液的拉曼信息，确定特征峰；
步骤2，将增强粒子、团聚剂和储备液以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，得到特征峰信息；
步骤3，将增强粒子、团聚剂和样品以1:1:1的配比加入至检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，根据待测物特征峰的相应信息来计算出样品中待测物的浓度；
所述团聚剂采用1M NaOH、1M HCl和1M NaCl溶液中的一种。
2.根据权利要求1所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述步骤1中的标准溶液和空白溶液在拉曼光谱仪检测前均加入55nm的金粒子和1M NaCl溶液。
3.根据权利要求1所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述步骤2中的增强粒子采用金纳米粒子。
4.根据权利要求3所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述金纳米粒子的粒径为16nm、45nm、55nm中的一种。
5.根据权利要求4所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述金纳米粒子的粒径的选择方法如下：
将已知浓度的储备液与金纳米粒子充分混合均匀，加入至检测池中，利用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的金纳米粒子，确定金纳米粒子的粒径。
6.根据权利要求1所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述团聚剂的选择方法如下：
200μL 50μg/L的储备液、200μL金纳米粒子和200μL团聚剂于干净的检测池中混合均匀，采用便携式拉曼光谱仪采集拉曼信息，并做好空白比对，根据拉曼谱图找出最佳的团聚剂。
7.根据权利要求1所述的基于增强拉曼光谱技术的二噁英类污染物快速检测方法，其特征在于：所述检测方法的检测限计算方法如下：将步骤1中的标准溶液的助剂稀释，且浓度为100μg/L、80μg/L、60μg/L、40μg/L、20μg/L、10μg/L、5μg/L和1μg/L，然后分别采用便携式拉曼光谱仪采集特征峰的拉曼信息，根据检测到的特征峰来确定检测限。
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