張 琳，溫寶英，劉衛(wèi)衛(wèi)，傅文翔，孔景臨*，李劍鋒*

1.國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102205 2.廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，化學(xué)化工學(xué)院，福建 廈門 361005

引 言

隨著化學(xué)毒劑研究的發(fā)展與當(dāng)前國際反恐斗爭的深入，采用新的技術(shù)快速檢測化學(xué)毒劑已成為各國科學(xué)工作者共同關(guān)注的課題?；瘜W(xué)毒劑沙林(甲氟膦酸異丙酯，GB)是一種常用的軍事神經(jīng)性毒劑，可通過抑制乙酰膽堿酯酶來破壞神經(jīng)系統(tǒng)的功能，且在人體內(nèi)的降解速度很慢，具有毒性高、作用快和揮發(fā)性好的特點(diǎn)，成為現(xiàn)場快速檢測的難點(diǎn)之一。甲基磷酸二甲酯(DMMP)是目前國際上使用效果最好的添加型有機(jī)磷阻燃劑之一，可與水和各種有機(jī)溶劑混溶，因與GB分子結(jié)構(gòu)相似(圖1)，毒性低，因此常用做沙林模擬劑進(jìn)行化學(xué)偵察裝備性能評價實(shí)驗(yàn)或者化學(xué)毒劑檢測方法研究。

圖1 DMMP和GB的分子式結(jié)構(gòu)Fig.1 The molecular formula of DMMP and GB

目前進(jìn)行DMMP測試的方法有很多，包括分光光度法[1]、氣相色譜法[2]、振動光譜分析法[3]、石英晶體微天平(QCM)傳感器[4]、表面聲波(SAW)傳感器[5]等。然而上述方法普遍存在響應(yīng)時間較長、準(zhǔn)確度差和檢測靈敏度低等問題。表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)因具有較好的穩(wěn)定性以及可以達(dá)到單分子檢測的靈敏度受到人們的關(guān)注，自發(fā)現(xiàn)以來迅速廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域中[6-7]。目前，開發(fā)出一種適用于檢測GB高靈敏度的SERS技術(shù)仍然面臨著很大的挑戰(zhàn)。本研究通過兩步法合成高活性的Au@Ag納米溶膠，并進(jìn)一步將其組裝固定在Au片表面，大大提高了SERS基底的光譜增強(qiáng)能力，并利用SERS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對DMMP快速、靈敏的檢測。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器及試劑

便攜式拉曼光譜儀(SHINS-P785V，廈門賽納斯科技有限公司)，分析天平(TP114，美國Sartorius公司)，紫外可見-吸收光譜儀(UVmini-1280，日本島津公司)，掃描電子顯微鏡圖像SEM(S-4800，日本HITACHI公司)，高速離心機(jī)(上海安亭科學(xué)儀器廠)，超純水儀(Heal-force，smart-N系列)。甲基磷酸二甲酯(Adamas，98%)，KI，NaCl，HCl，MgSO4和NaOH(國藥集團(tuán)化學(xué)試劑)，Ag納米粒子購于廈門賽納斯科技有限責(zé)任公司。本實(shí)驗(yàn)所用的水均為超純水(>18.2 MΩ·cm-3，3 ppb)。

1.2 增強(qiáng)芯片的制備

將于賽納斯購買的Ag納米粒子(約150 nm)以4 000 r·min-1的轉(zhuǎn)速進(jìn)行離心，去除上清液，重復(fù)兩次后將底部濃縮液直接組裝在干凈的硅片上，自然干燥，得到SERS增強(qiáng)芯片。

1.3 拉曼測試方法

溶膠測試方法：將模擬劑DMMP配制成水溶液，然后直接將模擬劑DMMP與Ag納米粒子、團(tuán)聚劑混勻，置于儀器自帶的玻璃管中，用便攜式拉曼光譜儀直接進(jìn)行測試(785 nm，500 mW,1 s)。

芯片法測試：將模擬劑DMMP配制成甲醇溶液，然后直接將模擬劑DMMP甲醇溶液和團(tuán)聚劑混勻，滴在制備好的增強(qiáng)芯片上，用便攜式拉曼光譜儀直接進(jìn)行測試(785 nm，500 mW,1 s)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ag納米粒子表征

將制備好的SERS基底進(jìn)行掃描電鏡表征，得到如圖2(a)所示的掃描電鏡圖。Ag納米粒子大小、形貌較為均一。同時對該Ag納米溶膠進(jìn)行紫外-可見光光譜檢測，得到如圖2(b)所示，該銀納米粒子的吸收峰在750 nm左右。為了獲得最大的增強(qiáng)能力，選擇785 nm激光作為激發(fā)光源。

圖2 Ag納米粒子的掃描電子顯微鏡圖(a)和紫外-可見吸收光譜圖(b)Fig.2 The SEM (a)and UV-Visible absorption spectrum (b)of Ag nanoparticles

2.2 常規(guī)SERS基底的測試條件考察

2.2.1 DMMP常規(guī)拉曼光譜的獲得及譜峰指認(rèn)

圖3 DMMP分子常規(guī)拉曼光譜圖Fig.3 The normal Raman of DMMP

2.2.2 不同團(tuán)聚劑對DMMP檢測的影響

Ag團(tuán)聚溶膠比單分散Ag溶膠的增強(qiáng)能力更強(qiáng)，并且不同的團(tuán)聚劑對Ag的團(tuán)聚狀態(tài)等影響不同，從而導(dǎo)致Ag的增強(qiáng)能力不同。在不加團(tuán)聚劑的情況下1 000 mg·L-1的DMMP已經(jīng)沒有SERS信號了。因此，選擇不同的團(tuán)聚劑對1 000 mg·L-1的DMMP進(jìn)行初步測試，從而選擇該體系中最合適的團(tuán)聚劑。實(shí)驗(yàn)中選擇了1 mol·L-1的HCl，KI，MgSO4，NaCl和NaOH對1 000 mg·L-1的DMMP進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼光譜的測試，測試結(jié)果如圖4所示。由圖可知，實(shí)驗(yàn)中不同的團(tuán)聚劑對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響并不是很大，然而HCl和KI的作為團(tuán)聚劑，Ag的增強(qiáng)能力最強(qiáng)?？紤]到在實(shí)際測試中，酯類樣品在酸性條件下容易水解，因此最終選擇KI為后續(xù)實(shí)驗(yàn)的團(tuán)聚劑。

圖4 不同團(tuán)聚劑下1 000 mg·L-1的DMMP的SERS光譜圖Fig.4 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different agglomerating agents

2.2.3 不同測試方法對DMMP檢測的影響

在前期的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)不同的測試方法對于不同的測試體系的影響也是不同的。因此，選擇100 mg·L-1濃度的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液同時進(jìn)行溶膠法和芯片法的測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，100 mg·L-1的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液用溶膠已經(jīng)測不出拉曼信號了，但是用芯片法仍然具有很強(qiáng)的增強(qiáng)。因此，在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中選擇用芯片法來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

圖5 不同測試方法下100 mg·L-1 DMMP的SERS光譜圖Fig.5 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different methods

2.3 DMMP不同濃度的檢測

2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制

首先準(zhǔn)確稱取50 mg的DMMP的純?nèi)芤?，用甲醇稀釋定容?0 mL，得到濃度為1 000 mg·L-1的DMMP母液。然后用逐級稀釋的方法，分別準(zhǔn)確配制100 mg·L-1，10 mg·L-1，1 mg·L-1，100 μg·L-1，50 μg·L-1和10 μg·L-1的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

2.3.2 不同濃度的DMMP的SERS測試

將上述配制好的標(biāo)準(zhǔn)溶液，用最優(yōu)的測試條件，按照圖6所示的路線圖進(jìn)行測試。首先取10 μL的DMMP標(biāo)準(zhǔn)溶液和10 μL的1 mol·L-1的KI團(tuán)聚劑混合均勻，將混合液滴在已制備好的SERS芯片上，然后用便攜式拉曼直接進(jìn)行測試，得到如圖7所示的結(jié)果圖。

圖6 DMMP的SERS測試流程圖Fig.6 The schematic diagram of SERS detection for DMMP

圖7 不同濃度DMMP的SERS光譜圖Fig.7 SERS spectra of different concentrations of DMMP

由圖可知，DMMP在710 cm-1的特征峰與濃度呈現(xiàn)一定的關(guān)系。并且隨著濃度變小，該特征峰強(qiáng)度逐漸變小。最低可以檢測至DMMP的濃度為10 μg·L-1。美軍短期(<7 d)飲用水最大暴露安全指南規(guī)定對神經(jīng)性化學(xué)毒劑最低檢出限是10 μg·L-1，因此采用SERS方法，滿足了軍隊(duì)?wèi)?yīng)對化學(xué)戰(zhàn)或者恐怖襲擊時行動的需要。

3 結(jié) 論