孟娟,楊良保,張莉,唐祥虎*

(1.安徽大學化學化工學院,合肥 230039;2.中國科學院合肥智能機械研究所,合肥 230031)

基于SERS技術快速實現(xiàn)現(xiàn)場毒品檢測

孟娟1,2,楊良保2,張莉1*,唐祥虎2*

(1.安徽大學化學化工學院,合肥 230039;2.中國科學院合肥智能機械研究所,合肥 230031)

本文通過對尿液進行前處理,實現(xiàn)了人體尿液中毒品快速分離和純化。并且,我們以自組裝的金納米棒為SERS基底對純化的尿樣進行檢測,結合便攜式拉曼光譜儀成功實現(xiàn)了對尿液中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮的分析檢測,具有很高的靈敏性。整個純化和檢測過程只需要～3.5 min,該方法方便、快捷,有望能實現(xiàn)現(xiàn)場對吸毒人員尿樣中毒品的靈敏性檢測。

表面增強拉曼光譜；便攜式拉曼光譜儀；毒品檢測；尿液

1 引言

冰毒(methamphetamine,MAMP)、搖頭丸(3,4-methylenedioxy methamphetamine,MDMA)、甲卡西酮(methcathinone,MCAT)是現(xiàn)如今的新興合成類毒品,毒品的濫用、成癮與流行,已成為當今世界日益嚴峻的問題。根據(jù)《2014年中國毒品形勢報告》,目前我國以冰毒、搖頭丸、甲卡西酮等為主的合成毒品濫用人員增長迅速,吸毒的人員出現(xiàn)低齡化、多元化,且合成毒品濫用群體比例已經(jīng)超過海洛因。毒品打亂了社會和諧,破壞了家庭的穩(wěn)定。因此,對毒品的檢測和抑制具有非常重要的意義。常見的人體內(nèi)毒品檢材有血液、唾液、汗液、頭發(fā)和尿液等。但是由于生物檢材成分比較復雜,存在大量的干擾物,直接對其分析檢測有很大的難度。目前,常見的毒品檢測方法主要有氣相色譜法(GC)[1]、高效液相色譜法(HPLC)[2]、薄層層析法、氣相色譜—質譜聯(lián)用法(GC-MS)[3]、液相色譜—質譜聯(lián)用法(HPLC-MS)[4]、膠體金法等分析方法。但這些檢測技術存在許多缺點,如需要專業(yè)的人員進行操作、檢測過程消耗時間長、靈敏性差、易出現(xiàn)“假陽性”、不能應用于現(xiàn)場檢測等。因此,我們需要一種快速的、靈敏的能應用于現(xiàn)場毒品檢測的方法。

表面增強拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)自發(fā)現(xiàn)以來因其指紋特征、高靈敏性、水干擾小、高分辨率等優(yōu)勢,常被作為一種很有前景的光譜工具。目前,SERS有著廣泛的分析和應用,常被用于識別和檢測化學和生物種類[5-6],以及在細胞、組織[7]和動物水平上的分子成像和監(jiān)測[8]。此外,SERS技術在應用表面分析方面也有著很大的進步,例如在食品安全[9],探測爆炸物[10-11],以及農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)的農(nóng)藥殘留檢測[12]、和生物檢材的毒品檢測等[13]。盡管SERS技術有眾多的優(yōu)點,目前多使用大型傅里葉變換拉曼光譜儀,因其體積龐大,價格昂貴,應用受到限制。而便攜式拉曼的出現(xiàn)彌補了實驗室大型拉曼的不足,它易于攜帶、價格便宜、靈敏性高,適合用于現(xiàn)場的毒品檢測。

本文中我們以組裝的金納米棒為SERS基底結合便攜式拉曼儀,對模擬現(xiàn)場吸毒人員的尿樣進行純化處理后進行檢測。該方法方便、快速,適用于苯丙胺類的毒品的檢測。

2 實驗部分

2.1 金納米棒的制備

金納米棒的制備是基于Nikoobakht和El -Sayed報道的經(jīng)典的種子生長法來合成的[14]。

種子液的制備：首先在28 ℃水浴條件下,將10 mL CTAB和0.05 mL 0.05 M氯金酸溶液在磁力攪拌下混合均勻。然后將0.60 mL 10 mM新制備并冰凍的硼氫化鈉溶液迅速地注入上述的混合物中,溶液的顏色迅速變?yōu)榻奂t色,停止攪拌,并置25 ℃恒溫水槽中,約十分鐘后溶液顏色褪為橙褐色,種子液制備完成以備用。

生長液的制備：100 mL CTAB加入1.2 mL 0.008 M硝酸銀,然后用1 mL 2 M硝酸進行酸化,再加入2 mL 0.05 mM的氯金酸和0.6 mL 0.1 M 抗壞血酸,最后溶液顏色為無色。

2.2 金納米棒的自組裝

首先,將適量的2×10-3M mPEG-SH聚合物加入到生長好的Au納米棒的溶液中,并且在室溫

下攪拌10 h。其次,混合的溶液離心以去除多余的表面活性劑和聚合物,然后再分散在水中。最后,將離心后分散在水中的金納米棒自組裝到干凈的硅片上備用。

2.3 尿液中樣品的純化[15]

首先,在1.5 mL的離心管中加入人體尿液和特定的毒品溶液各0.5 mL來模擬真實的吸毒者尿液。接著向混合尿樣中加入100L 5 w % NaOH調(diào)整溶液pH。其次,再加入0.34 g NaCl固體至溶液飽和。最后,將100L環(huán)己烷作為萃取溶劑加入到混合溶液中,搖晃后靜置～1 min。

2.4 SERS測試

3 結果與討論

3.1 自裝金納米棒的表征

通過種子生長法成功的合成了金納米棒,并且實現(xiàn)了自組裝。圖1是自組裝的金納米棒的表征圖。圖1A是自組裝金納米的掃描電鏡圖,可以看出自組裝金納米棒的排列緊密,縱向長度約為65 nm,適合做SERS基底。圖1B是自組裝金納米棒的紫外—可見吸收光譜圖,在圖中我們可以看出,其LSPR峰為785 nm,這確保能夠與激發(fā)光為785 nm的便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)生共振,有利于提高SERS基底的靈敏性。

3.2 自組裝金納米棒基底的靈敏性

一個設計出的SERS基底是否滿足檢測的需要,首先要對其靈敏性進行表征。通過常用的探針分子結晶紫(crystal violet,CV)來檢測基底的靈敏性。取不同濃度的CV分子水溶液5L分別滴加到同一批次的自組裝金納米棒基底上,待其自然干燥后進行SERS檢測。圖2以自組裝金納米棒為基底,采集的自上而下濃度分別為 10-6M,10-7M和 10-8M的 CV 分子的 SERS 譜圖[16-17]。從圖中可以看出當CV的濃度為10-8M時,CV分子的特征峰依然能夠分辨,說明自組裝金納米棒基底能夠檢測到10-8M濃度的CV,具有較高的靈敏性。

Fig.1 Characteristic of self-assembled nanorods SEM image of self-assembled nanorods for AR=3.7 with LSPR at 785 nm (A) and UV-Vis absorbance spectrum of self-assembled nanorods (B)

Fig.2 SERS spectra of CV with concentrations of 10-6M,10-7M and 10-8M from top to bottom collected from self-assembled Au NRs

3.3 便攜式拉曼光譜儀檢測人體尿液中的毒品

通過以CV分子為探針,確定自組裝金納米棒基底具有良好的靈敏性。除了靈敏性,實用性也是檢測SERS基底的重要指標之一。毒品的出現(xiàn)嚴重危害了社會的穩(wěn)定,我們需要建立一種能快速、靈敏的檢測毒品的方法。所以,我們以自組裝金納米棒為基底研究了人體尿樣中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮等苯丙胺類毒品的SERS檢測。圖3是以自組裝金納米棒為基底分別檢測尿液中加入濃度為100 ppm,10 ppm和1 ppm冰毒的SERS譜圖,以尿樣中不加冰毒的尿樣萃取相為空白樣品。通過與空白樣的對比,冰毒的指紋特征峰可以清楚地被識別,1001 cm-1處的拉曼譜帶歸屬于冰毒分子苯環(huán)呼吸振動模式,1205 cm-1屬于phenyl-C伸縮,1030 cm-1歸屬于苯環(huán)上的C-H變形,834 cm-1處的拉曼譜帶為異丙基的C-C伸縮振動模式[15]。其中最容易識別的是1000 cm-1處的拉曼譜帶。我們對冰毒的最低檢測濃度達到1 ppm,表明該金納米棒自組裝基底具有優(yōu)異的SERS活性。

Fig.3 SERS spectra of MAMPwith concentrations of 100 ppm,10 ppm,and 1 ppm in human urine by the use of self-assembled Au NRs

同樣,以自組裝金納米棒為基底對毒品搖頭丸和甲卡西酮的SERS檢測進行了探究。如圖4和圖5所示,分別為搖頭丸和甲卡西酮的SERS檢測圖譜,對于搖頭丸,713 cm-1歸屬為C-C-C的變形振動,810 cm-1歸屬為O-C-C-O的對稱伸縮振動,938 cm-1歸屬為C-O-C的變形振動,1250 cm-1歸屬為芳環(huán)C-H彎曲振動,1630 cm-1歸屬為苯環(huán)C=C的伸縮振動模式[18]。1000 cm-1、1028 cm-1、1162 cm-1、1242 cm-1、1595 cm-1和1688 cm-1是甲卡西酮特征指紋峰[19-20]。其中冰毒和甲卡西酮的指紋峰很相似,都在1000 cm-1和1028 cm-1處有特征峰。1205 cm-1可以作為判斷為冰毒區(qū)別于甲卡西酮的指紋峰,而1242 cm-1和1688 cm-1可以作為甲卡西酮區(qū)別于冰毒的特征指紋峰。通過圖4和圖5可以看出,我們對搖頭丸和甲卡西酮的檢出限分別達到5 ppm和0.1 ppm。基于以上研究,通過對冰毒、搖頭丸和甲卡西酮的檢測限進行比較,我們還可以發(fā)現(xiàn),該方法對甲卡西酮的檢出限最低,可以達到0.1 ppm,對冰毒的檢測限可以達到1 ppm,而對搖頭丸的檢出限相對較高,為5 ppm,這可能是由于不同毒品的分子結構以及與基底表面作用差異造成的。

Fig.4 SERS spectra of MDMA with concentrations of 100 ppm,10 ppm,and 5 ppm in human urine by the use of self-assembled Au NRs

Fig.5 SERS spectra of MCAT with concentrations of 100 ppm,10 ppm,1 ppm and 100 ppb in human urine by the use of self-assembled Au NRs

4 結論

本文利用mPEG-SH實現(xiàn)了金納米棒自組裝,用CV探針分子檢測分析表明自組裝金納米棒作為SERS基底具有很高的靈敏性,其檢出限達到10-8M。通過前處理法對尿液中的毒品進行純化、萃取,并用自組裝金納米棒為基底在便攜式拉曼光譜儀上成功實現(xiàn)了對尿液中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮的分析檢測,其檢出限分別為1 ppm,5 ppm和0.1 ppm。整個純化和檢測過程只需要～3.5 min。因此,該自組裝金納米棒SERS基底結合尿液前處理方法可以方便、快速實現(xiàn)苯丙胺類毒品的現(xiàn)場檢測,為SERS技術在刑偵領域的推廣應用提供了參考。

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Rapid Detection Drugs in Urine by Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

MENG Juan1,2,YANG Liang-bao2,ZHANG Li1*,TANG Xiang-hu2*

(1.CollegeofChemistyandChemicalEngineer,AnhuiUniversity,Hefei230601,China;2.InstituteofIntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei20031,China)

The drugs was rapidly separated and purified in human urine sample by pretreatment.Furthermore,the self-assembled gold nanorods were used as the substrate to detect the drugs in real purifiedhuman urine byportable Raman spectrometer.It was found that our substrate present excellent sensitivity of methamphetamine (MAMP),3,4-methylenedioxy-methamphetamine (MDMA) and methcathinone(MCAT) detection.The whole process of the purified and detected procedure can be completed in ～3.5 min.Therefore,our platform for detecting drugs promises a great prospective towards a rapid,reliable and on-spot detection method.

SERS;portable Raman spectrometer;drugs detection;urine

2015-11-02; 修改稿日期:2015-11-23

國家自然科學基金 (20871089,21271136)

孟娟(1991-),女,碩士.E-mail:mengjuan0558@163.com

張莉,E-mail:zhlisuzh@163.com；唐祥虎,E-mail:tangxh2011@iim.cas.cn

1004-5929(2016)04-0297-05

O657.37

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604005