拉曼光谱检测水中痕量甲基膦酸

王　楠，程振兴*，张鸿鹏，黄志平，刘广强，蔡伟平

(1.中国人民解放军防化学院，北京　102205；2.中科院固体物理研究所，合肥　230031)



拉曼光谱检测水中痕量甲基膦酸

王楠1，程振兴1*，张鸿鹏1，黄志平1，刘广强2，蔡伟平2

(1.中国人民解放军防化学院，北京102205；2.中科院固体物理研究所，合肥230031)

摘要:基于化学增强理论，选取了银、镍和铁等过渡金属离子与甲基膦酸(MPA)分子进行络合，采用拉曼光谱技术对水相中微量的甲基膦酸进行检测。结果表示，银离子对于水相中甲基膦酸的拉曼增强效果最佳；并且添加银离子后并不影响其定性检测；进一步的条件优化实验表明，随着银离子添加量的增加，增强效果会先增大后减小，当CMPA∶CAg+=1∶1时增强效果达到最佳，检测下限为20 pg。

关键词：拉曼光谱； 化学增强； 甲基膦酸； 痕量检测

1引言

当今时代，随着国际恐怖组织和一些极端宗教组织对化学武器的觊觎和化学工业发展的全球化，我们仍不能减少对化学武器威胁的关注，1995年日本东京地铁遭受沙林毒剂攻击事件是典型的化学恐怖袭击实例[1]。但是沙林等神经毒剂在自然环境中稳定性不高，易分解为相应的甲基膦酸脂和甲基膦酸，因此在环境样品中很少发现神经毒剂的原体，更多的为其降解产物。甲基膦酸作为神经毒剂沙林的主要水解产物，其在水相中极其稳定，因此检测水相中的甲基膦酸对于判断染毒种类具有重要意义，其快量检测正在被各国学者关注[2-3]。

现阶段对于甲基膦酸的检测可采用固相微萃取-气相色谱(SPME-GC)检测技术[4]，该方法的优点是灵敏度高、重复性好，但是过程繁琐、耗时长，而且对于实验条件有着严格的要求。拉曼光谱技术由于其可以直接提供物质表面的分子结构信息，同时具有不受水的影响和无损分析等特点在食品安全、生物医学和环境检测等领域具有很大的优势和潜力，但是由于甲基膦酸分子散射截面积小、极化率低且无生色基团，不利于拉曼光谱直接检测，如果对甲基膦酸分子进行结构改性将可能提升其拉曼活性。已有文献[5]报道利用纳米结构的金、银颗粒通过与待检测物结合从而改变其振动模式，并观察到明显的增强效应，但其中化学增强的贡献是有限的，最高仅为102[6]。由于过渡金属离子自身具有较高的极化率，通过化学键合作用同样可以明显改善配体的振动模式和极化率，本论文基于化学增强的原理(chemical enhancement mechanism,CM)[7]提出了一种通过强键合作用生成金属络合物来增强被检测物的拉曼活性，从而实现检测痕量甲基膦酸的有效方法，为拉曼检测技术在防化领域的实际应用提供理论基础和技术支撑。

2实验部分

2.1设备与试剂

SENTERRA共聚焦激光拉曼光谱仪，德国布鲁克(Bruker)公司；PDC-32G PLASMA清洁器，美国Harrick Plasma公司；BS224S 电子天平，北京赛多利斯仪器系统有限公司。

甲基膦酸(MPA)，98%，北京伊诺凯科技有限公司；硝酸银(AgNO3)、硝酸铬(Cr(NO3)3)、硝酸钴(Co(NO3)2)，分析纯，国药集团化学试剂有限公司；硝酸镍(Ni(NO3)2)、硝酸铁(Fe(NO3)3)，分析纯，北京化学试剂厂；硝酸铜(Cu(NO3)2)，分析纯，汕头西陇化工厂；高纯氩，北京氦普北分工业气体有限公司；镀金硅片，合肥中科院固体物理研究所提供。

2.2实验方法

将甲基膦酸、硝酸银、硝酸铜、硝酸铁、硝酸铬、硝酸镍和硝酸钴分别溶于去离子水中，配置成0.01 mol/L水溶液移入棕色容量瓶中保存。

为了确保衬底不产生基底信号，我们选用表面光洁的镀金硅片作为衬底。使用前，将镀金硅片衬底均匀切割成5 mm×5 mm大小，放入PLASMA表面清洁仪中在高功率下利用氩气等离子体清洁3 min，从而保证衬底洁净，不产生干扰信号。

取一定质量的甲基膦酸粉末于镀金硅片衬底上，固定于样品台上进行拉曼测试。

将甲基膦酸和金属盐溶液等体积混合(摩尔比为1∶1)，用微量移液器移取混合液2 μL，点滴到镀金硅片衬底上，风干后进行拉曼检测。

采用50倍工作距离为8 mm的物镜进行拉曼测试，拉曼检测条件为：532 nm激光激发，功率10 mW，积分时间10 s，光阑尺寸50×50 μm狭缝。

3结果与讨论

3.1不同金属离子的影响

为讨论不同过渡金属离子对于甲基膦酸检测的影响，表1列出了甲基膦酸与不同金属离子络合物的拉曼特征峰位置与信号强度。通过比较散射峰位置得出对于在779 cm-1处具有甲基膦酸指纹识别的P-C键特征峰[8]在混入金属离子之后峰位置在765~783 cm-1范围内发生位移。同时不同组分表现出不同的信号强度，进一步对此处峰面积进行积分来定量表现不同组分信号强度，从中得出甲基膦酸与银离子的络合物拉曼信号强度最强。

Table.1Influence of the different metallic ion on Raman spectra for MPA

种类P-C键峰位置/cm-1拉曼谱带积分强度IMPA779-MPA-Cr3+7831.1×102MPA-Co2+7811.5×102MPA-Fe3+7824.8×102MPA-Cu2+7788.9×102MPA-Ni2+7691.4×103MPA-Ag+7652.3×104

3.2甲基膦酸-银离子络合物谱图分析

由于银离子的加入并与甲基膦酸发生了强的化学作用，可能使甲基膦酸的拉曼峰位置产生偏移，进一步对甲基膦酸-银离子络合物进行谱图分析。图1(a)是硝酸银粉末的拉曼谱图，图1(b)为甲基膦酸粉末的拉曼谱图，图1(c)为0.01 mol/L的甲基膦酸与银离子络合物的拉曼谱图。

Fig.1(a) Normal Raman spectrum of silver nitrate (b) Normal Raman spectrum of MPA (c) Raman spectrum of the complexation of MPA with silver ion

通过比较三种样品的拉曼谱图发现，甲基膦酸-银离子络合物在765 cm-1处的P-C伸缩振动得到了明显的增强，而在1426 cm-1处的C-H弯曲振动则增强效果并不明显；同时其P-C振动模频率变低(765 cm-1对比779 cm-1)，而C-H的弯曲振动则无明显偏移。由于沙林分子中P的四个配体中只有-CH3不能被亲核试剂所取代，所以P-C键相对很稳定，因此可以选择甲基膦酸中的P-C键作为特征拉曼峰进行检测。虽然该方法会导致P-C振动模红移，但由于其P-C峰位置附近并无其他干扰拉曼峰(NO3-的峰位置位于1046 cm-1)，所以此方法可以作为一种定性检测甲基膦酸的方法。

3.4银离子添加量对检测的影响

为了进一步优化实验条件，图2给出了不同银离子添加量对于甲基膦酸拉曼检测的影响，从(a)到(f)分别对应的是银离子与甲基膦酸，摩尔比为1∶0、1∶0.1、1∶0.5、1∶1、1∶2和1∶4，甲基膦酸与银离子浓度均为0.01 mol/L。分析谱图可知，银离子添加量摩尔比在1∶0.5以下时甲基膦酸的拉曼信号很弱，随着银离子添加量的增大，拉曼信号得到了显著的增强，在摩尔比为1∶1时拉曼信号达到最强。但是随着添加量的继续增大，甲基膦酸的拉曼信号明显减弱同时出现了硝酸银的拉曼特征峰。分析原因可能是液滴在镀金硅片衬底上风干时，若硝酸银过量则它会在衬底表面形成一层金属盐的结晶层，而甲基膦酸分子则仅仅是通过物理吸附的方法附着在硝酸银的表面，从而并未形成强的键合作用，所以我们可以分别检测到甲基膦酸和硝酸盐的拉曼特征峰。

Fig.2The influence of different concentrations of silver ion to MPA Raman spectra

3.4对不同浓度的甲基膦酸水溶液的检测

为测定该方法的检测效果，图3从b-e给出了甲基膦酸水溶液浓度从10-5mol/L逐渐增大到10-2mol/L的拉曼谱图。分析图3可知甲基膦酸银离子络合增强方法对甲基膦酸的检测限可达20 pg；甲基膦酸拉曼信号的强度随浓度的增大而增强。而10-2mol/L与10-3mol/L两个浓度拉曼信号的强度差别很小，继续降低浓度则拉曼信号强度明显减弱，原因可能是由于甲基膦酸与银离子浓度降低反应平衡发生移动，络合物生成率降低。

Fig.3Raman spectra of different concentration of MPA (0,10-5,10-4,10-3,10-2mol/L from (a) to (e),respectively)

4结论

根据化学增强的原理，找到了一种可以明显提高甲基膦酸水溶液拉曼检测效率的方法。通过比较不同金属离子对于甲基膦酸拉曼检测所产生影响，结果表明银离子与甲基膦酸的络合物拉曼检测效果最佳。通过对甲基膦酸-银离子络合物的谱图分析表明，银离子的加入并未引起甲基膦酸拉曼峰位置的明显变化。条件优化实验结果表明，银离子的添加量存在一个最佳值，当CMPA∶CAg+=1∶1时，检测下限可达20 pg。

参考文献

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[3]Taranenko N,Alarie J P,Stokes D L,etal.Surface-enhanced Raman Detection of Nerve Agent Simulant (DMMP and DIMP) vapor on electrochemically prepared silver oxide substrates[J].J Raman Spectrosc,1996,27(5):379-384.

[4]Nassar A E,Lucas S V,jones W R,etal.Separation of chemical warfare agent degradation products by the reversal of electroosmotic flow in capillary electrophoresis[J].Anal Chem,1998,70:1085-1091.

[5]Jeanmaire D L,Van D R P.Surface Raman Spectroelectrochemistry[J].Electroanal Chem,1977,84:1-20.

[6]Valley N,Greeneltch N,Van D R P,etal.A look at the origin and magnitude of the chemical contribution to the enhancement mechanism of surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS):theory and experiment[J].Phys Chem Lett,2013,4:2599-2604.

[7]Morton S M,Silverstein D W,Jensen L.Theoretical studies of plasmonics using electronic structure methods[J].Chem Rev,2011,111:3962-94.

[8]Huang H,Shende C,Sengupta A,etal.Evaluation of SERS substrates for chemical agent detection[C].SPIE,2012,887322:1-22.

Raman Spectroscopy for Phosphonic Acid Detection in Water

WANG Nan1，CHENG Zhen-xing1*，ZHANG Hong-peng1，HUANG Zhi-ping1，LIU Gung-qiang2，CAI Wei-ping2

(1.InstituteofChemicalDefence，Beijing102205,China；2.InstituteofSoildStatePhysics,ChineseAcademiaofScience,Hefei230031,China)

Abstract:For the detection of methyl phosphonic acid (MPA) in water we choose several kinds of transition metal ions (Ag+,Ni2+and Fe2+,etc) to chelate with it through the chemical enhancement mechanism.It is found that the Ag+ as a strong electron donating groups to chelate with MPA leading to the highest enhancements.There was no effect on the qualitative detection of MPA when adding Ag+.The experiments results of optimizations show that along increasing concentration of Ag+,MPA Raman spectroscopy intensity firstly increased and then decreased.There was an optimized concentration of Ag+ when the CMPA∶CAg+=1∶1.The limit of detection of MPA in water was around 20 pg.

Key words:Raman scattering; chemical enhancement; methyl phosphonic acid; trace detection

中图分类号：O657.37

文献标志码：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601006

作者简介：王楠(1990-)，男，山东威海人，在读硕士生，研究方向为拉曼光谱检测技术及其应用研究。E-mail：wangnanwudi@126.com通讯作者：程振兴，E-mail：slsl8888@sina.com

收稿日期：2015-07-07; 修改稿日期:2015-07-20

文章编号：1004-5929(2016)01-0023-04