表面增强拉曼散射光谱同时检测4种痕量多环芳烃

傅书悦, 张 琦, 陈 璐, 郭小玉,应 叶, 吴一萍, 文 颖, 杨海峰

(上海师范大学 生命与环境科学学院 资源化学教育部重点实验室,上海 200234)

表面增强拉曼散射光谱同时检测4种痕量多环芳烃

傅书悦, 张 琦, 陈 璐, 郭小玉,应 叶, 吴一萍, 文 颖, 杨海峰

(上海师范大学 生命与环境科学学院 资源化学教育部重点实验室,上海 200234)

合成了植酸保护的纳米金,其具有较强的疏水性和表面增强拉曼散射(SERS)活性.利用小型拉曼光谱仪和分子光谱的指纹信息特征,建立可同时分析水中多种多环芳烃的SERS分析方法.多环芳烃检出限如下:蒽为100 μg/L,荧蒽为100 μg/L,芘达到10 μg/L 和苯并芘可达1 μg/L.

表面增强拉曼散射光谱; 植酸修饰纳米金; 蒽; 荧蒽; 芘; 苯并芘; 同时检测

0 引 言

多环芳烃(PAH)是广泛存在于环境中具强致癌性的有机污染物[1-2].目前,检测PAH常用的方法有GC-FID(气相色谱-氢火焰离子化检测器)、GC-MS(气相色谱-质谱)和HPLC-UV/FL(高效液相色谱-紫外/荧光串联法)等[2-8].其中GC-MS法选择性和准确度高,由于多环芳烃的热稳定性好,质谱可用电子轰击(EI)源,使得该分析方法有很高的灵敏度.与GC方法比较,HPLC-UV/FL可测定低挥发性的多环芳烃,并可有效分离分析同分异构体.目前上述方法的局限是需购置昂贵的大型仪器,在对痕量物分析前,样品预处理繁琐耗时,大量使用有毒的有机溶剂,且对操作人员技术要求高.

表面增强拉曼散射(SERS)技术能提供指纹特征的分子信息,有极高灵敏度[9-10],样品通常无需复杂的前预处理,且水分子拉曼散射弱,有望成为水体中痕量有机污染物的分析技术,已成为环境检测领域的研究热点.该技术实用的关键是制备SERS活性基底(如纳米金、银和铜等),理想的SERS基底除了具有高的增强活性和信号稳定外,应易制备、存储和长期保存,并易于使用[10].另外,SERS光谱虽然是分子光谱,但在复杂体系中如何进一步提高分析选择性是具有挑战性的工作[11-12].

本文作者制备了植酸修饰纳米金SERS基底.该基底由于植酸的包裹,提高了其在水相的分散性,与传统柠檬酸盐还原制得的纳米金相比与有机分子的作用力也得以增强.两者的协同作用,使得该基底更易于捕获游离在水中的PAH分子.该基底表现出高拉曼散射增强效应,提升了便携式小型拉曼仪的检测灵敏度,可实现水中蒽、荧蒽、芘和苯并芘多种PAH分子的同时定量分析.该SERS分析方法无需复杂的样品前处理.

1 实验部分

1.1 仪器与试剂

便携式拉曼仪(Enwave公司,美国)用于拉曼测定.芘(AR)、蒽(AR)、荧蒽(AR)、植酸钠(AR)和苯并芘(AR)购于SIGMA公司.柠檬酸三钠(AR)、乙醇(AR)、硝酸银(AR)和氯金酸(AR)购于国药集团化学试剂有限公司.

1.2 实验方法

按文献[13]所述合成植酸保护的纳米金,即0.0255 g硝酸银溶解在150 mL的去离子水中,随后加入0.001 mol/L植酸钠5 mL,加热至沸腾,然后缓慢加入3 mL 1%(质量分数)的柠檬酸三钠,在保持沸腾的条件下搅拌6 h,得到植酸保护的纳米银(IP6@Ag).取10 mL IP6@Ag加入至15 mL 蒸馏水中,升温至50 ℃.10 min后,5 mL氯金酸(0.001 mol/L)加入到银纳米粒子中,30 min后,合成了金纳米粒子,在1 000 r/min的速度下离心10 min,获得20 nm左右植酸保护的纳米金(IP6@Au).

选取8.0 cm×8.0 cm铝箔纸作为检测载体,滴加5 μL样品和5 μL IP6@Au(已优化,参见文献[11]).拉曼谱的采样积分时间是5 s/次,785 nm半导体激光器,激光功率300 mW.

2 结果与讨论

2.1 多环芳烃的SERS光谱

将IP6@Au与样品以体积比1∶1混合,按实验方法中描述的参数设定便携式拉曼仪,然后直接测定SERS光谱.图1(A-D)分别是质量浓度为1 g/ L的蒽、荧蒽、苯并芘(BaP)和芘的SERS光谱(a1-d1)与相应的普通拉曼光谱(a2-d2).蒽的SERS特征峰在748和1 397 cm-1处,分别归属于环骨架振动和环C-C伸缩振动[14].荧蒽主要SERS峰在665和1 098 cm-1,这些峰分别来自于环C-H面外摇摆振动和面内摇摆振动[13].苯并芘的C-C和C-H变形振动出现在608 cm-1,1 234 cm-1处的峰可归属为C-H面内和面外变形振动[13].芘在591和1 236 cm-1处的SERS峰是来自于环骨架振动和C-C伸缩振动[13].可见,在400～1 500 cm-1范围内4种多环芳烃都有可区分的各自振动“指纹”峰,有望实现蒽、荧蒽、芘和苯并芘同时检测.另外,SERS峰与常规拉曼峰有明显的不同,说明IP6@Au表面能有效吸附4种分子,产生表面增强拉曼散射,且有电磁场增强和化学增强两种机理.

2.2 定量线性范围和检测灵敏度

考察基于IP6@Au基底SERS检测多环芳烃的灵敏度,如图2～5中所示.蒽在1～100 μg/L质量浓度范围内有线性关系(R2=0.9873),检测限为100 μg/L(S/N=3);荧蒽在1～100 μg/L质量浓度范围内呈现线性(R2=0.9909),检测限为100 μg/L(S/N=3);苯并芘在1～1 μg/L质量浓度范围内有线性(R2=0.9855),检测限为1 μg/L(S/N=3);芘在1～10 μg/ L质量浓度范围内有线性(R2=0.9442),检测限为10 μg/L(S/N=3).本SERS分析4种多环芳烃方法有较宽线性度,检出限在μg/ L水平.不同多环芳环与SERS基底有不同作用能力,呈现不同的分析灵敏度.

2.3 河水中多环芳烃的同时检测

取上海师范大学附近漕河泾河水,同时加标1 mg/L的蒽、荧蒽、苯并芘和芘作为模拟实际样品.按体积比1∶1将IP6@Au与模拟样充分混合,然后直接进行SERS实验,结果见图6.蒽在748 cm-1处的SERS特征峰,荧蒽在1 098 cm-1处的SERS特征峰,1 236 cm-1处芘的SERS特征峰,608 cm-1处来自苯并芘的SERS特征峰都清晰可辨且互不干扰.

根据2.2中的标准曲线进行定量时,各多环芳烃单独标加到河水中的检测回收率在92%～105%区间内,说明该SERS方法有望用于检测实际样品中多种多环芳烃的快速检测.

图1 基于IP6@Au的蒽、荧蒽、苯并芘和芘的SERS(a1-d1)与它们的常规拉曼光谱(a2-d2)

图2 (A)质量浓度范围从1～100 μg/L蒽的SERS光谱;(B)以748 cm-1的SERS峰强与浓度的线性关系(数据皆为3次测量平均值)

图3 (A)质量浓度范围从1～到100 μg/L荧蒽的SERS光谱;(B)以1 098 cm-1的SERS峰强与浓度的线性关系(数据皆为3次测量平均值)

图4 (A)质量浓度范围从1～1 μg/L 苯并芘的SERS光谱;(B)以608 cm-1的SERS峰强与浓度的线性关系(数据皆为3次测量平均值)

图5 (A)质量浓度范围从1～10 μg/L芘的SERS光谱;(B)以1236 cm-1的SERS峰强与浓度的线性关系(数据皆为3次测量平均值)

图6 在河水中分别标准添加1 mg/L 蒽、荧蒽、苯并芘和芘的基于IP6@Au的SERS光谱

3 结 论

本工作通过合成植酸修饰的纳米金,有较强的表面增强效应.利用小型拉曼光谱仪,发展了可同时快速分析水体中的蒽、荧蒽、苯并芘和芘四种多环芳烃的方法.分析线性范围较宽,检出限达到每升微克级.该SERS方法有望用于环境水体的现场监测分析.

[1] Betts K S.Second hand suspicions:breast cancer and passive smoking [J].Environmental Health Perspectives,2007,115(3):136-143.

[2] Olatunji O S,Fatoki O S,Opeolu B O,Ximba B Determination of polycyclic aromatic hydrocarbons [PAHs] in processed meat products using gas chromatography-flame ionization detector.Food Chemistry [J].Food Chemistry,2014,156:296-300.

[3] Kato K,Shoda S M,Takahashi N,et al.Determination of three phthalate metabolites in human urine using on-line solid-phase extraction-liquid chromatography-tandem mass spectrometry [J].Journal of Chromatography B,2003,788(2):407-411.

[4] Veiga L L A,Amorim H,Moraes J,et al.Quantification of polycyclic aromatic hydrocarbons in toasted guarana (Paullinia cupana) by high-performance liquid chromatography with a fluorescence detector [J].Food Chemistry,2014,152:612-618.

[5] Oliferova L,Statkus M,Tsysin G,et al.On-line solid-phase extraction and HPLC determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in water using fluorocarbon polymer sorbents [J].Analytica Chimica Acta,2005,538(1-2):35-40.

[6] Tseng W C,Chen P S,Huang S D.Optimization of two different dispersive liquid-liquid microextraction methods followed by gas chromatography-mass spectrometry determination for polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) analysis in water [J].Talanta,2014,120:425-432.

[7] Shang D Y,Kim M,Haberl M.Rapid and sensitive method for the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons in soils using pseudo multiple reaction monitoring gas chromatography/tandem mass spectrometry [J].Journal of Chromatography A,2014,1334:118-125.

[8] Ali M Y,Cole R B.SFE-plus-C-18 lipid cleanup and selective extraction method for GC/MS quantiatation of polycyclic aromatic hydrocarbons in smoked meat [J].Journal of agricultural and food chemistry,2001,49(9):4192-4198.

[9] Fleischman M,Hendra P J,Mcquillan A J.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode [J].Chemical physics letters,1974,26(2):163-166.

[10] 朱自莹,顾仁敖,陆天虹.拉曼光谱在化学中的应用 [M].沈阳:东北大学出版社.1998.

[11] Yang T X,Guo X Y,Wang H,et al.Magnetically optimized SERS assay for rapid detection of trace drug-related biomarkers in saliva and fingerprints [J].Biosensors and Bioelectronics,2015,68:350-357

[12] Yang T X,Guo X Y,Wu Y P,et al.Facile and label-free detection of lung cancer biomarker in urine by magnetically assisted surface-enhanced Raman scattering [J].ACS Applied Materials and Interfaces,2014,6(23):20985-20993

[13] Fu S Y,Guo X Y,Wang H,et al.Functionalized Au nanoparticles for Label-free Raman Determination of ppb Level Benzopyrene in Edible Oil [J].Sensors and Actuators,B:Chemical,2015,212:200-206.

[14] Qu L L,Li Y T,Li D W,et al.Humic acids-based one-step fabrication of SERS substrates for detection of polycyclic aromatic hydrocarbons [J].Analyst,2013,138:1523-1528.

(责任编辑：郁 慧,包震宇)

Surface enhanced Raman scattering technique for simultaneous detection of four trace polycyclic aromatic hydrocarbons

FU Shuyue, ZHANG Qi, CHEN Lu, GUO Xiaoyu,YING Ye, WU Yiping, WEN Ying, YANG Haifeng

(The Education Ministry Key Lab of Resource Chemistry,College of Life and Environmental Sciences,Shanghai Normal University,Shanghai,200234)

Phytic acid modified Au (IP6@Au) nanoparticles with high surface enhanced Raman scattering (SERS) activity as well as hydrophobicity were synthesized.Based on IP6@Au and the molecular fingerprint information,we developed a SERS-based method for simultaneous detection of four polycyclic aromatic hydrocarbon species in river water by using a portable Raman system.The limit of detection for anthracene,fluoranthene,pyrene and benzopyrene were 100,100,10 and 1 μg/L,respectively.

surface enhanced Raman scattering; IP6@Au; anthracene; fluoranthene; benzopyrene; pyrene; simultaneous detection

2016-09-22

国家自然科学基金项目(21475088,21507087);上海师范大学大学生创新实验项目(A-9103-15-035100);上海市扬帆计划(15YF1409000);上海市教委化学高原(I)学科

杨海峰,中国上海市徐汇区桂林路100号,上海师范大学生命与环境科学学院,邮编:200234,E-mail:hfyang@shnu.edu.cn

O 652.6

A

1000-5137(2016)06-0705-07