王　楠，程振興*，張鴻鵬，黃志平，劉廣強(qiáng)，蔡偉平

(1.中國人民解放軍防化學(xué)院，北京　102205；2.中科院固體物理研究所，合肥　230031)

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拉曼光譜檢測(cè)水中痕量甲基膦酸

王楠1，程振興1*，張鴻鵬1，黃志平1，劉廣強(qiáng)2，蔡偉平2

(1.中國人民解放軍防化學(xué)院，北京102205；2.中科院固體物理研究所，合肥230031)

摘要:基于化學(xué)增強(qiáng)理論，選取了銀、鎳和鐵等過渡金屬離子與甲基膦酸(MPA)分子進(jìn)行絡(luò)合，采用拉曼光譜技術(shù)對(duì)水相中微量的甲基膦酸進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表示，銀離子對(duì)于水相中甲基膦酸的拉曼增強(qiáng)效果最佳；并且添加銀離子后并不影響其定性檢測(cè)；進(jìn)一步的條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)表明，隨著銀離子添加量的增加，增強(qiáng)效果會(huì)先增大后減小，當(dāng)CMPA∶CAg+=1∶1時(shí)增強(qiáng)效果達(dá)到最佳，檢測(cè)下限為20 pg。

關(guān)鍵詞：拉曼光譜； 化學(xué)增強(qiáng)； 甲基膦酸； 痕量檢測(cè)

1引言

當(dāng)今時(shí)代，隨著國際恐怖組織和一些極端宗教組織對(duì)化學(xué)武器的覬覦和化學(xué)工業(yè)發(fā)展的全球化，我們?nèi)圆荒軠p少對(duì)化學(xué)武器威脅的關(guān)注，1995年日本東京地鐵遭受沙林毒劑攻擊事件是典型的化學(xué)恐怖襲擊實(shí)例[1]。但是沙林等神經(jīng)毒劑在自然環(huán)境中穩(wěn)定性不高，易分解為相應(yīng)的甲基膦酸脂和甲基膦酸，因此在環(huán)境樣品中很少發(fā)現(xiàn)神經(jīng)毒劑的原體，更多的為其降解產(chǎn)物。甲基膦酸作為神經(jīng)毒劑沙林的主要水解產(chǎn)物，其在水相中極其穩(wěn)定，因此檢測(cè)水相中的甲基膦酸對(duì)于判斷染毒種類具有重要意義，其快量檢測(cè)正在被各國學(xué)者關(guān)注[2-3]。

現(xiàn)階段對(duì)于甲基膦酸的檢測(cè)可采用固相微萃取-氣相色譜(SPME-GC)檢測(cè)技術(shù)[4]，該方法的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、重復(fù)性好，但是過程繁瑣、耗時(shí)長，而且對(duì)于實(shí)驗(yàn)條件有著嚴(yán)格的要求。拉曼光譜技術(shù)由于其可以直接提供物質(zhì)表面的分子結(jié)構(gòu)信息，同時(shí)具有不受水的影響和無損分析等特點(diǎn)在食品安全、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)和潛力，但是由于甲基膦酸分子散射截面積小、極化率低且無生色基團(tuán)，不利于拉曼光譜直接檢測(cè)，如果對(duì)甲基膦酸分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)改性將可能提升其拉曼活性。已有文獻(xiàn)[5]報(bào)道利用納米結(jié)構(gòu)的金、銀顆粒通過與待檢測(cè)物結(jié)合從而改變其振動(dòng)模式，并觀察到明顯的增強(qiáng)效應(yīng)，但其中化學(xué)增強(qiáng)的貢獻(xiàn)是有限的，最高僅為102[6]。由于過渡金屬離子自身具有較高的極化率，通過化學(xué)鍵合作用同樣可以明顯改善配體的振動(dòng)模式和極化率，本論文基于化學(xué)增強(qiáng)的原理(chemical enhancement mechanism,CM)[7]提出了一種通過強(qiáng)鍵合作用生成金屬絡(luò)合物來增強(qiáng)被檢測(cè)物的拉曼活性，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)痕量甲基膦酸的有效方法，為拉曼檢測(cè)技術(shù)在防化領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

2實(shí)驗(yàn)部分

2.1設(shè)備與試劑

SENTERRA共聚焦激光拉曼光譜儀，德國布魯克(Bruker)公司；PDC-32G PLASMA清潔器，美國Harrick Plasma公司；BS224S 電子天平，北京賽多利斯儀器系統(tǒng)有限公司。

甲基膦酸(MPA)，98%，北京伊諾凱科技有限公司；硝酸銀(AgNO3)、硝酸鉻(Cr(NO3)3)、硝酸鈷(Co(NO3)2)，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；硝酸鎳(Ni(NO3)2)、硝酸鐵(Fe(NO3)3)，分析純，北京化學(xué)試劑廠；硝酸銅(Cu(NO3)2)，分析純，汕頭西隴化工廠；高純氬，北京氦普北分工業(yè)氣體有限公司；鍍金硅片，合肥中科院固體物理研究所提供。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

將甲基膦酸、硝酸銀、硝酸銅、硝酸鐵、硝酸鉻、硝酸鎳和硝酸鈷分別溶于去離子水中，配置成0.01 mol/L水溶液移入棕色容量瓶中保存。

為了確保襯底不產(chǎn)生基底信號(hào)，我們選用表面光潔的鍍金硅片作為襯底。使用前，將鍍金硅片襯底均勻切割成5 mm×5 mm大小，放入PLASMA表面清潔儀中在高功率下利用氬氣等離子體清潔3 min，從而保證襯底潔凈，不產(chǎn)生干擾信號(hào)。

取一定質(zhì)量的甲基膦酸粉末于鍍金硅片襯底上，固定于樣品臺(tái)上進(jìn)行拉曼測(cè)試。

將甲基膦酸和金屬鹽溶液等體積混合(摩爾比為1∶1)，用微量移液器移取混合液2 μL，點(diǎn)滴到鍍金硅片襯底上，風(fēng)干后進(jìn)行拉曼檢測(cè)。

采用50倍工作距離為8 mm的物鏡進(jìn)行拉曼測(cè)試，拉曼檢測(cè)條件為：532 nm激光激發(fā)，功率10 mW，積分時(shí)間10 s，光闌尺寸50×50 μm狹縫。

3結(jié)果與討論

3.1不同金屬離子的影響

為討論不同過渡金屬離子對(duì)于甲基膦酸檢測(cè)的影響，表1列出了甲基膦酸與不同金屬離子絡(luò)合物的拉曼特征峰位置與信號(hào)強(qiáng)度。通過比較散射峰位置得出對(duì)于在779 cm-1處具有甲基膦酸指紋識(shí)別的P-C鍵特征峰[8]在混入金屬離子之后峰位置在765~783 cm-1范圍內(nèi)發(fā)生位移。同時(shí)不同組分表現(xiàn)出不同的信號(hào)強(qiáng)度，進(jìn)一步對(duì)此處峰面積進(jìn)行積分來定量表現(xiàn)不同組分信號(hào)強(qiáng)度，從中得出甲基膦酸與銀離子的絡(luò)合物拉曼信號(hào)強(qiáng)度最強(qiáng)。

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

種類P-C鍵峰位置/cm-1拉曼譜帶積分強(qiáng)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-銀離子絡(luò)合物譜圖分析

由于銀離子的加入并與甲基膦酸發(fā)生了強(qiáng)的化學(xué)作用，可能使甲基膦酸的拉曼峰位置產(chǎn)生偏移，進(jìn)一步對(duì)甲基膦酸-銀離子絡(luò)合物進(jìn)行譜圖分析。圖1(a)是硝酸銀粉末的拉曼譜圖，圖1(b)為甲基膦酸粉末的拉曼譜圖，圖1(c)為0.01 mol/L的甲基膦酸與銀離子絡(luò)合物的拉曼譜圖。

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

通過比較三種樣品的拉曼譜圖發(fā)現(xiàn)，甲基膦酸-銀離子絡(luò)合物在765 cm-1處的P-C伸縮振動(dòng)得到了明顯的增強(qiáng)，而在1426 cm-1處的C-H彎曲振動(dòng)則增強(qiáng)效果并不明顯；同時(shí)其P-C振動(dòng)模頻率變低(765 cm-1對(duì)比779 cm-1)，而C-H的彎曲振動(dòng)則無明顯偏移。由于沙林分子中P的四個(gè)配體中只有-CH3不能被親核試劑所取代，所以P-C鍵相對(duì)很穩(wěn)定，因此可以選擇甲基膦酸中的P-C鍵作為特征拉曼峰進(jìn)行檢測(cè)。雖然該方法會(huì)導(dǎo)致P-C振動(dòng)模紅移，但由于其P-C峰位置附近并無其他干擾拉曼峰(NO3-的峰位置位于1046 cm-1)，所以此方法可以作為一種定性檢測(cè)甲基膦酸的方法。

3.4銀離子添加量對(duì)檢測(cè)的影響

為了進(jìn)一步優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，圖2給出了不同銀離子添加量對(duì)于甲基膦酸拉曼檢測(cè)的影響，從(a)到(f)分別對(duì)應(yīng)的是銀離子與甲基膦酸，摩爾比為1∶0、1∶0.1、1∶0.5、1∶1、1∶2和1∶4，甲基膦酸與銀離子濃度均為0.01 mol/L。分析譜圖可知，銀離子添加量摩爾比在1∶0.5以下時(shí)甲基膦酸的拉曼信號(hào)很弱，隨著銀離子添加量的增大，拉曼信號(hào)得到了顯著的增強(qiáng)，在摩爾比為1∶1時(shí)拉曼信號(hào)達(dá)到最強(qiáng)。但是隨著添加量的繼續(xù)增大，甲基膦酸的拉曼信號(hào)明顯減弱同時(shí)出現(xiàn)了硝酸銀的拉曼特征峰。分析原因可能是液滴在鍍金硅片襯底上風(fēng)干時(shí)，若硝酸銀過量則它會(huì)在襯底表面形成一層金屬鹽的結(jié)晶層，而甲基膦酸分子則僅僅是通過物理吸附的方法附著在硝酸銀的表面，從而并未形成強(qiáng)的鍵合作用，所以我們可以分別檢測(cè)到甲基膦酸和硝酸鹽的拉曼特征峰。

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

3.4對(duì)不同濃度的甲基膦酸水溶液的檢測(cè)

為測(cè)定該方法的檢測(cè)效果，圖3從b-e給出了甲基膦酸水溶液濃度從10-5mol/L逐漸增大到10-2mol/L的拉曼譜圖。分析圖3可知甲基膦酸銀離子絡(luò)合增強(qiáng)方法對(duì)甲基膦酸的檢測(cè)限可達(dá)20 pg；甲基膦酸拉曼信號(hào)的強(qiáng)度隨濃度的增大而增強(qiáng)。而10-2mol/L與10-3mol/L兩個(gè)濃度拉曼信號(hào)的強(qiáng)度差別很小，繼續(xù)降低濃度則拉曼信號(hào)強(qiáng)度明顯減弱，原因可能是由于甲基膦酸與銀離子濃度降低反應(yīng)平衡發(fā)生移動(dòng)，絡(luò)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結(jié)論

根據(jù)化學(xué)增強(qiáng)的原理，找到了一種可以明顯提高甲基膦酸水溶液拉曼檢測(cè)效率的方法。通過比較不同金屬離子對(duì)于甲基膦酸拉曼檢測(cè)所產(chǎn)生影響，結(jié)果表明銀離子與甲基膦酸的絡(luò)合物拉曼檢測(cè)效果最佳。通過對(duì)甲基膦酸-銀離子絡(luò)合物的譜圖分析表明，銀離子的加入并未引起甲基膦酸拉曼峰位置的明顯變化。條件優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，銀離子的添加量存在一個(gè)最佳值，當(dāng)CMPA∶CAg+=1∶1時(shí)，檢測(cè)下限可達(dá)20 pg。

參考文獻(xiàn)

[1]Nakajima T,Sasaki K,Ozawa H,etal.Urinary metabolites of sarin in a patient of the Matsumoto sarin incident[J].Arch Toxicl,1998,72:601-603.

[2]Farquharson S,Gift A,Maksymiuk P,etal.Surface-enhanced Raman spectra of VX and its hydrolysis products[J].Appl Spectrosc,2005,59: 654-660.

[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

中圖分類號(hào)：O657.37

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.13883/j.issn1004-5929.201601006

作者簡介：王楠(1990-)，男，山東威海人，在讀碩士生，研究方向?yàn)槔庾V檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用研究。E-mail：wangnanwudi@126.com通訊作者：程振興，E-mail：slsl8888@sina.com

收稿日期：2015-07-07; 修改稿日期:2015-07-20

文章編號(hào)：1004-5929(2016)01-0023-04