内分泌干扰物三苯基锡的激光拉曼光谱分析

江 娟， 高俊敏， 4*， 郭劲松， 刘小红， 周秋红， 欧阳文娟

1. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室， 重庆 400045

2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院中国科学院水库水环境重点实验室， 重庆 400714

3. 第三军医大学西南医院检验科， 重庆 400038

4. 重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心， 重庆 400045

内分泌干扰物三苯基锡的激光拉曼光谱分析

江 娟1， 高俊敏1， 4*， 郭劲松2， 刘小红3， 周秋红1， 欧阳文娟2

1. 重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室， 重庆 400045

2. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院中国科学院水库水环境重点实验室， 重庆 400714

3. 第三军医大学西南医院检验科， 重庆 400038

4. 重庆大学低碳绿色建筑国际联合研究中心， 重庆 400045

三苯基锡(TPhT)是目前已知的内分泌干扰物中唯一的两种金属化合物之一， 被广泛应用于工业、 农业和交通领域， 其大量使用会对土壤、 海洋和内陆淡水环境造成不同程度的影响。 本实验采用激光共聚焦拉曼光谱采集固体TPhT的拉曼光谱信号， 尝试将该方法用于TPhT检测， 探索该方法的可行性， 并进行检测参数的优化选择。 将拉曼光谱分析检测方法与TPhT的物性研究相结合， 根据TPhT分子中不同官能团振动模式的不同， 将拉曼谱图分为高、 中、 低3个波数区(1 500～3 200， 900～1 500和100～900 cm-1)进行拉曼谱峰的归属与分析， 得到了TPhT的特征振动模式和拉曼特征峰， 并建立一套TPhT的标准拉曼图谱库， 光谱范围在100～3 200 cm-1之间。 结果表明， 当激光功率选择为衰减到原激光功率(500 mW)的0.5%、 曝光10 s、 累积2次时， 得到的拉曼谱图信噪比高且检测时间短。 在212， 332， 657， 997和1 577 cm-1处出现的信号强度较高的拉曼峰， 可作为固体TPhT拉曼检测的特征峰， 657和997 cm-1处拉曼特征峰的同时出现即可认为复杂的环境样品中存在TPhT。 实验结果给出了辨别TPhT存在的标志， 这些结果将为拉曼光谱用于实际环境样品中TPhT的残留检测提供理论依据和数据基础。

三苯基锡； 内分泌干扰物； 激光共聚焦拉曼光谱； 拉曼特征峰

引 言

有机锡化合物是指至少含有1个碳锡键(C—Sn)的化合物。 有机锡化合物按烃基数的不同主要分为四种类型[1]， 即一烃基锡化合物(RSnX3)、 二烃基锡化合物(R2SnX2)、 三烃基锡化合物(R3SnX)和四烃基锡化合物(R4Sn)， 其中R为甲基、 乙基、 丁基或苯基， X为阴离子或阴离子活性基团， 如卤族元素、 无机或有机酸根离子等[2]。 有机锡大多具有生物毒性， 在自然界中存在的形态和毒性随着烃基取代基数目的不同而不同， 且有机锡的毒性大大强于无机锡。 有机锡化合物的毒性一般顺序为 RSnX3

常用的有机锡检测方法是色谱法与其他检测方法联用， 如气相色谱质谱联用法(GC/MS)[6]、 气相色谱原子吸收光谱法(GC/AAS)[2]、 气相色谱-火焰光度检测法(GC-FPD)[7-8]、 液相色谱质谱联用法(LC-MS)[9]等等。 这些分析方法均大致包括以下几步： 萃取、 富集、 净化、 衍生化、 层析分离和选择性检测。 尽管这些方法灵敏度高、 检测限低、 结果准确可靠， 但由于其样品制备复杂、 前处理冗长繁琐、 检测时间长、 成本高、 对操作人员技术要求高， 这些技术目前还仅限于实验室分析[10]。 因此寻找快速、 经济和简便的方法来检测TPhT是很有必要的。 拉曼光谱检测方法所需样品少、 无需前处理、 不受水分子的干扰且检测速度快， 在环境领域农药残留检测方面应用广泛， 但在有机锡检测方面还未见报道。 本实验采用激光共聚焦拉曼光谱法检测TPhT， 论证激光拉曼光谱用于快速检测TPhT的可行性， 探索其优化的实验参数， 并对TPhT的拉曼谱图进行谱峰的归属和分析， 为拉曼光谱用于实际环境样品中TPhT的残留检测提供理论依据。

1 实验部分

1.1 仪器与材料

英国雷尼绍公司生产的in Via-Reflex型激光共聚焦拉曼光谱仪， 该仪器配置有3个激发激光器： 532， 633和785 nm， 原激光功率为500 mW， 光谱检测范围为50～4 000 cm-1， 光谱分辨率≤1 cm-1。 本实验采用的激发波长为785 nm， 光栅刻线1200 line·mm-1， 拉曼光谱检测范围为100～3 200 cm-1， 显微放大倍数是50倍。

三苯基锡标准样品(TPhT， 95%)购于德国Dr.Ehrenstorfe。

TPhT的分子式为C18H15ClSn， 分子结构模型见图1。 由图可知TPhT分子结构模型由苯环、 C—Sn键和Sn—Cl键组成。 由于每种官能团都有其各自的特征振动频率， 根据振动频率的不同可对拉曼谱峰进行归属。

图1 TPhT分子结构模型

1.2 拉曼光谱采集及最佳参数的选择

1.2.1 TPhT标准固体粉末拉曼光谱的采集

以石英玻璃为载玻片， 取适量TPhT标准粉末置于载玻片上， 压平以利于显微镜的对焦， 室温下采集标准拉曼光谱信号。

1.2.2 激光拉曼光谱最佳参数的选择

激光功率、 曝光时间和累积次数是获得较好拉曼光谱图的三个重要参数。 本次实验分别改变拉曼光谱仪的激光功率、 曝光时间和累积次数， 采集一系列TPhT标准固体的拉曼谱图并进行分析， 进行优化参数的选择。 首先采集了激光功率衰减为原激光功率的0.1%， 0.5%， 1%和5%时的四组拉曼光谱图， 扫描并比较信号效果， 优选出最佳激光功率； 然后通过设定相同累积次数(1次和2次)条件下， 变化曝光时间， 分别设置扫描曝光时间为10 ， 20和30 s， 在曝光时间10 s条件下， 采集光谱累积3次的谱图， 综合比较各组信号效果， 优选出曝光时间与累积次数的最佳组合。

利用数据分析和绘图软件origin8.5做出各个条件下TPhT的拉曼光谱图， 并对谱图进行解析。

2 结果与讨论

2.1 TPhT的原始拉曼光谱图

在1.2中最优化实验条件下TPhT标准固体粉末的拉曼谱图如图2所示。 根据图2中的峰位， 可以确定TPhT的主要拉曼谱带归属， 寻找出TPhT的拉曼特征峰。

图2 固体TPhT的拉曼谱图

2.2 拉曼光谱优化参数的选择

2.2.1 激光功率的选择

图3为拉曼光谱激光功率的选择图。 由图3可以看出， 当激光功率选择为衰减至原激光功率的1%和5%时， 100～400和900～1 000 cm-1处范围内的拉曼信号已经出现失真； 而激光功率选择为原激光功率的0.1%时， 信号虽未出现失真， 但拉曼谱图的信噪比不高， 有些中等强度振动峰并不明

图3 拉曼光谱激光功率的优化

a，b，c，d分别表示激发功率衰减至原功率的0.1%， 0.5%， 1%和5%

Fig.3 Optimization of Raman laser power

a,b,c,ddenote the excitation power which decreased to 0.1%, 0.5%, 1%, and 5% of the original power, respectively

显， 不利于拉曼峰的振动归属分析。 故本实验选择激光功率衰减到原激光功率的0.5%作为检测TPhT标准固体的最佳激光功率。

2.2.2 曝光时间和累积次数的选择

图4给出的是累积1次， 曝光10， 20， 30 s和累积2次， 曝光10， 20， 30 s， 以及累积3次， 曝光10 s的拉曼光谱图。 从图4可以看出曝光时间10 s、 累积2次谱图信噪比明显高于曝光10 s、 累积1次和曝光20 s、 累积1次的谱图信噪比， 而曝光30 s， 累积1次与2次， 谱图均有两个特征峰信号出现了不同程度的失真。 虽然曝光20 s， 累积2次与曝光10 s， 累积3次谱图的信噪比也很高， 但由于曝光时间越短、 积分次数越少越省时， 因此本实验选择曝光时间为10 s、 累积次数2次作为快速获得较高信噪比的拉曼光谱图的优化参数组合。

图4 拉曼光谱曝光时间和累积次数的优化

a,b,c分别为累积1次， 曝光10, 20, 30 s；d,e,f分别为累积2次，曝光10, 20,30 s；g为累积3次， 曝光10 s)

Fig.4 Optimization of the exposure time and the integration number

a,b,cdenote accumulate 1 time, exposure 10， 20， 30 s, respectively;d,e,fdenote accumulate 2 times, exposure 10， 20， 30 s, respectively;gdenotes accumulate 3 times and exposure 10 s

2.3 TPhT拉曼谱图中不同波数区谱峰的振动频率和归属

为了分析TPhT的拉曼光谱特征， 根据官能团苯环、 C—Sn和Sn—Cl的振动模式， 并参照其他具有相同官能团和类似结构的物质的拉曼光谱， 将TPhT的拉曼光谱分为三个波数段进行谱峰归属和分析： 高波数区1 500～3 200 cm-1、 中波数区900～1 500 cm-1和低波数区100～900 cm-1。

2.3.1 高波数区(1 500～3 200 cm-1)谱峰的振动频率和归属

测得的高波数范围内的TPhT拉曼谱图如图5所示。 从图5可以看出该区域内的振动峰很少， 只有位于1 569， 1 577和3 045 cm-1的三个振动峰， 其中1 569和1 577 cm-1处的振动还是一个肩峰， 对应着同一个官能团的振动。 各峰的振动频率和归属见表1。

图5 光谱范围为1 500～3 200 cm-1的TPhT拉曼谱图

芳香结构的C—H伸缩振动一般出现在3 100～3 000 cm-1， 此区域是识别C—H伸缩振动的特征区[12]。 本实验中3 045 cm-1处的振动主要归属于苯环C—H伸缩振动。

表1 1 500～3 200 cm-1波数范围内TPhT

2.3.2 中波数区(900～1 500 cm-1)谱峰的振动频率和归属

测得的中波数范围内的TPhT拉曼谱图如图6所示。

图6 光谱范围为900～1 500 cm-1的TPhT拉曼谱图

从图6可以看出该区域内的振动峰较多， 而且有一个振动强度很大的特征峰位于997 cm-1处。 对于TPhT结构来说， 该区域存在着苯环的环呼吸振动、 苯环C—H面外弯曲振动、 苯环C—H面内弯曲振动和苯环C—C伸缩振动等特征振动峰， 各峰对应的振动频率和归属见表2。

(1)苯环C—H面外弯曲振动区域一般为1 000～809 cm-1[11]， TPhT拉曼谱图中915 cm-1处出现的振动峰对应着C—H面外弯曲振动。

(2)苯环的对称均匀呼吸振动在1 000 cm-1左右[12]， TPhT拉曼谱图中997 cm-1归属于苯环环呼吸振动， 该拉曼特征峰可作为苯环存在的重要标志之一。

(3)在1 022 cm-1出现的拉曼振动峰归属于苯环—C的伸缩振动[13]。 苯环C—H面内弯曲振动通常是一系列由强到弱的较尖锐的振动峰， 对应的拉曼振动区域为1 300～1 000 cm-1[11]。 本实验在1 075， 1 157， 1 191， 1 333 cm-1出现的五个拉曼振动峰均对应着苯环C—H面内弯曲振动。

(4)苯环C—C伸缩振动一般出现在1 590～1 430 cm-1区域[12]， TPhT拉曼谱图中出现的1 429和1 479 cm-1两个峰同属于苯环C—C伸缩振动。

表2 900～1 500 cm-1波数范围内TPhT

2.3.3 低波数区(100～900 cm-1)谱峰的振动频率和归属

实验测得的低波数范围内的TPhT拉曼谱图如图7所示。

图7 光谱范围为100～900 cm-1的TPhT拉曼谱图

此波数范围内TPhT的拉曼谱峰较强， 最主要的振动归属为C—Sn键振动和Sn—Cl键振动， 各峰对应的振动频率和归属见表3。

(1)在100～900 cm-1范围内， 苯环中C—H面外弯曲振动通常出现在671， 850和970 cm-1附近[14]。 对三苯基锡而言， 856 cm-1归属于苯环C—H键面外弯曲振动。

(2)650 cm-1左右振动较明显的频带通常为无机基团、 有机金属基团或晶格振动[11]。 振动原理， TPhT中的Sn连接着三个苯环， 即与Sn直接相连的C原子不饱和度较大， 导致C—Sn键振动波数增大， 故657 cm-1归属于苯环单取代的C—Sn键振动。 TPhT的毒性主要取决于苯环的个数和C—Sn键， 故657 cm-1出现的拉曼特征峰是鉴别苯基锡的重要标志之一。

(3)616 cm-1归属于苯环的环变形振动。 该实验结果与有些学者对苯甲酸归属得到的实验值615 cm-1结果一致， 均归属于苯环的环变形振动。

(4)332 cm-1处的振动归属于Sn—Cl键振动， 这与其他学者研究论文中315 cm-1处出现的Sn—Cl键振动结果大致吻合。

(5)212 cm-1峰为C—C—C面外弯曲振动， 与王晓彬等[14]文献中218 cm-1归属于C—C—C面外弯曲振动的分析结果一致。

表3 100～900 cm-1波数范围内TPhT

2.4 TPhT的拉曼光谱特征峰

通过前面对TPhT拉曼光谱谱峰的归属和分析， 得到了TPhT分子的特征振动模式， 各拉曼振动峰对应的振动模式如图8所示。 从图8可看出， 在拉曼光谱图中332， 657和997 cm-1处出现的高强度拉曼特征峰， 可作为鉴定环境中是否含有TPhT的重要依据。 虽然实际环境样品成分复杂， 可

图8 TPhT拉曼振动峰对应的振动模式图

能对TPhT的残留检测产生一定程度的干扰， 导致相应拉曼光谱图发生变化， 但只要其中含有一定量的TPhT， 理论上来说其拉曼谱图中都会出现相应的特征峰。 657和997 cm-1处峰的同时出现即可初步认为环境样品中存在TPhT， 332， 616， 1 022， 1 157， 1 191， 1 577和3 045 cm-1处出现的振动较明显的特征峰， 可作为TPhT拉曼光谱检测更精确分析的补充依据。

3 结 论

对TPhT的拉曼光谱检测作了初步的探索， 获得了TPhT分子振动拉曼光谱及最佳检测的实验参数(即激光功率选择为衰减到原激光功率的0.5%、 曝光10 s、 累积2次)， 发现了在212， 332， 657， 997和1 577 cm-1处出现的强度较高的振动谱峰， 可作为TPhT拉曼检测的特征峰， 用于验证TPhT的存在。 该研究验证了拉曼光谱技术用于TPhT检测的可行性， 表明激光拉曼光谱技术可为TPhT检测提供更为客观、 直接和有效的方法， 为TPhT拉曼光谱检测方法的探索以及研究将拉曼光谱技术用于实际环境样品中TPhT的残留检测奠定了基础， 拓宽了拉曼光谱技术在检测内分泌干扰物中的应用。

[1] Laila Hajjaj el Hassani, Antonia Garrido Frenich, José L. Martínez Vidal. Science of The Total Environment, 2005, 348: 191.

[2] Andy Xianliang Yi, Kenneth M Y Leung, Michael H W Lam. Chemosphere, 2012, 89: 1015.

[3] Awad Aqeel Al-rashdi. Science Journal of Analytical Chemistry, 2013, 1:1.

[4] Gao Jiong, Ye Jinshao, Ma Jiawen. Journal of Hazardous Materials, 2014, 276: 112.

[5] Zuo Zhenghong, Wang Chonggang, Wu Meifang. Aquatic Toxicology, 2012, 122-123: 106.

[6] Huang Jie, Ye Jinshao, Ma Jiawen. Chemical Engineering Journal, 2014, 249: 167.

[7] Hussein K Okoro, Olalekan S Fatoki, Folahan A. Arabian Journal of Chemistry, 2013, 54(3): 212.

[8] Tetsuo Hamasaki. Talanta, 2013, 115: 374.

[9] Li Tengfei, She Yongxin, Wang Miao. Food Chemistry, 2015, 181: 347.

[10] Sagar Dhakal, Li Yongyu, Peng Yankun. Journal of Food Engineering, 2014, 123: 94.

[11] Mahadevan D, Periandy S, Ramalingam S. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2011, 78: 575.

[12] Smith W E, Dent G. Modern Raman Spectroscopy-A Practical Approach. John Wiley & Sons, Ltd., 2005. 15.

[13] Stuart Farquharson, Chetan Shende, Atanu Sengupta. Pharmaceutics, 2011,3: 425.

[14] WANG Xiao-bin, WU Rui-mei, LIU Mu-hua(王晓彬, 吴瑞梅, 刘木华). Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析), 2014, 34(6): 1566.

欢迎投稿 欢迎订阅 欢迎刊登广告

Analysis of Endocrine Disruptor: Triphenyltin Chloride with Raman Spectroscopy

JIANG Juan1, GAO Jun-min1,4*, GUO Jin-song2, LIU Xiao-hong3, ZHOU Qiu-hong1, OUYANG Wen-juan2

1. Key Laboratory of the Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environments of Ministry of Education, Chongqing University, Chongqing 400045, China

2. Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China

3. Department of Laboratory Medicine, Southwest Hospital, Third Military Medical University, Chongqing 400038, China

4. International Joint Research Center of Low Carbon Green Building in Chongqing University, Chongqing 400045, China

Triphenyltin Chloride (TPhT) is one of the only two kinds of metal compounds known in the endocrine disruptors. TPhT is widely used in industry, agriculture and transportation fields, which can cause great impact on soil, marine and inland freshwater environment. This experiment collects the Raman signal of TPhT standard powders by applying laser confocal Raman spectroscopy to explore the feasibility of the method and to acquire optimized parameters. In this paper, we combined the application of laser confocal Raman spectroscopy with TPhT physical property. Due to different functional groups of TPhT molecules shows different vibration modes, the Raman spectra was divided into three wavenumber areas(1 500～3 200, 900～1 500 and 100～900 cm-1) to attribute and analyze their assignments of the Raman peaks, obtaining the characteristics of TPhT vibration modes and the corresponding characteristic peaks. Finally, a standard Raman spectra library was established with the spectral range between 100～3 200 cm-1. The results showed that the Raman spectra with high signal-to-noise ratio can be obtained in a short time when the laser power options decayed to 0.5% of the original power (500 mW) after 10s exposure and 2 times integration. Strong Raman signals observed in the Raman spectroscopy at 212, 332, 657, 997 and 1 577 cm-1could be used as the characteristic peaks of TPhT in Raman detection. Otherwise, the co-occurrence of the Raman peaks at 657 and 997 cm-1can be considered as the presence of TPhT in complex environmental samples. Experimental results are given to identify the presence of TPhT. The results would be used to identify the presence of TPhT residual in real environmental samples, which provide a theoretical basis and data base on Raman spectroscopy.

Triphenyltin Chloride; Endocrine disruptors; Laser confocal Raman spectroscopy; The Raman characteristic peaks

Apr. 3, 2015; accepted Aug. 12, 2015)

2015-04-03，

2015-08-12

国家自然科学基金青年基金项目(21107147)和中国科学院水库水环境重点实验室开放研究基金项目(RAE2014AA04B)资助

江 娟， 1990年生， 重庆大学城市建设与环境工程学院硕士研究生 e-mail: jjyuba19900912@163.com *通讯联系人 e-mail: gao-junmin@126.com

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2499-06

*Corresponding author