CN102608093B - 一种多环芳烃检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明合成了一种核壳式Fe₃0₄Ag磁性纳米颗粒，利用硫醇对纳米颗粒表面进行修饰。将修饰后的磁性纳米颗粒作为表面增强拉曼活性基底，用于多环芳烃PAHs的富集，并通过便携式拉曼光谱仪观察到了PAHs的拉曼特征峰。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标污染物分析方法操作简便，不仅可以实现单一PAHs的快速检测，还可以用于多环芳烃混合溶液的检测。

Description

一种多环芳烃检测方法

技术领域

本发明涉及一种多环芳烃检测方法。

技术背景

拉曼光谱(RS)技术是以拉曼散射效应为基础建立起来的分子结构表征技术，常规拉曼光谱技术在晶体性质、分子结构和分析化学等领域有广泛的应用。自从1974年Fleischmann等第一次在吡啶吸附的粗糙银电极上观察到表面增强拉曼散射(Surface Enhanced RamanScattering，简称SERS)现象以来，SERS研究得到了飞速发展。由于其高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好及适合研究界面等特点，SERS效应被广泛应用于表面研究、吸附物界面表面状态研究、生物大分子的界面取向及构型、构象研究和结构分析等方向。

SERS基底的制备是SERS领域的研究热点之一，并不断向制备方便、稳定性好、信号强的方向努力。尽管SERS技术得到了广泛的应用，但制备出符合要求的纳米结构表面在实验上仍然是一个挑战。利用纳米技术获得SERS活性基底的最大优势是：(1)可以获得纳米尺度下形状及大小基本可控的粗糙表面；(2)制备可模拟“粗糙表面”的各种有序纳米结构表面，定量研究SERS增强机理；(3)便于寻找产生强SERS效应的最佳实验条件。贵金属溶胶颗粒法是目前表面增强拉曼光谱中最常用的SERS活性基底。采用贵金属金、银制备SERS活性基底，可以获得均一形状的金属粒子，直径通常在50nm～100nm范围内，粒径分布范围较窄，适用范围广泛，而且可以在空气中长期放置，比较稳定。

煤、石油、煤焦油、烟草和其他一些有机物的热解或不完全燃烧，会生成一系列多环芳烃化合物(PAHs)，如苯并[a]芘、苯并[a]蒽、苯并[b]荧蒽等，长期接触这类物质可能诱发皮肤癌、阴囊癌和肺癌等。煤烟、沥青、焦油类的物质已被国际癌症研究机构(IARC)列入对人体致癌的化学物质之中。在分析多环芳烃环境样品时，由于采集的环境样品基体复杂，污染物浓度低，因此要获得数据准确、重现性好的分析结果，样品预处理是重要的一个环节，而且往往也是PAHs环境样品分析成败的关键。目前常用的多环芳烃检测方法有高效液相色谱法，气相色谱法以及色质联用分析法，这些方法所用仪器价格昂贵，并且对样品前处理要求较高。因此，探索快速高效、简便经济的PAHs检测方法已成为当今环境分析领域的重要研究方向之一。从理论上讲，将SERS活性基底用于PAHs的监测分析是可行的，但是限制其应用的一个主要问题是如何将非极性的PAHs与金属纳米粒子之间的距离缩小，从而发生SERS效应。近年来，国外已经有学者利用贵金属溶胶作为SERS活性基底，在其表面连接特定的官能基团(光泽精，腐殖酸等)，并将其用于监测PAHs。官能团的加入缩小了PAHs与金属纳米粒子之间的距离，使得PAHs进入金属表面等离子共振区域，因而产生SERS效应。另外一种常用基底为硫醇修饰的金膜或银膜。由于硫醇可以在金属表面形成自聚单分散层，并且具有疏水作用，因此可以将PAHs嵌入到SERS基底表面，从而实现检测。迄今为止，国内外有关SERS应用于PAHs检测的文章寥寥无几，并且所用基底种类单一。因此制备价格低廉，性质稳定，可应用于PAHs检测的新型SERS基底对环境分析领域具备重要意义。

发明内容

本发明合成了一种核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒，利用戊硫醇对纳米颗粒表面进行修饰。将修饰后的磁性纳米颗粒用于PAHs的富集，并通过便携式拉曼光谱仪观察到了PAHs的拉曼特征峰。通过一系列实验证明本发明采用的样品制备方法及目标污染物分析方法操作简便，不仅可以实现单一PAHs的快速检测，还可以用于多环芳烃混合溶液的检测。

本发明首先合成了Fe₃O₄纳米颗粒，利用硅烷修饰Fe₃O₄表面后，将其分散于硝酸银溶液中，在还原剂盐酸羟胺的作用下，制备得到核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒，这种颗粒兼具Fe₃O₄的磁性与纳米银颗粒的拉曼增强性能。将制备出的Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散到一定浓度的硫醇溶液中后，由于硫醇的-SH官能团与银结合力较强，因此硫醇可以迅速在Fe₃O₄Ag颗粒表面形成疏水单分散层。一段时间后利用外加磁场将分散在溶液中的磁性颗粒进行回收，通过便携式拉曼光谱仪可以检测到硫醇的拉曼特征峰，证明修饰成功。将硫醇修饰后的磁性颗粒作为SERS基底分散于一定浓度的PAHs溶液中，由于硫醇分子间存在一定空间，可以将PAHs嵌入，因此缩短了多环芳烃分子与Fe₃O₄Ag纳米颗粒表面的距离，为表面增强拉曼散射的发生创造了条件。此时用外加磁场对磁性颗粒进行收集后，利用便携式拉曼光谱仪可以在10s内检测到多环芳烃的拉曼特征峰。

通过下面的描述来阐明本发明的具体内容：

(1)用共沉淀法合成Fe₃O₄磁性纳米颗粒：将FeCl₂·4H₂O与FeCl₃·6H₂O以质量比2∶5.4的比例溶解于100mL去离子水中，并加入1mL盐酸促进溶解。在机械搅拌下向上述溶液中滴加氨水，至pH值到达10，反应30分钟后将产物置于80℃水浴锅中熟化半小时，停止搅拌，将产物冷却至室温，水洗3次后于真空烘箱中70℃下干燥3小时，将产物研磨后过200目筛，得到Fe₃O₄磁性纳米颗粒；

(2)硅烷修饰Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备：取0.25g步骤(1)中制备的纳米Fe₃O₄分散于100mL无水乙醇中，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下滴加1mLAPTMS(3-氨基丙基-三甲氧基硅烷)，反应进行6h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到硅烷修饰后的Fe₃O₄纳米颗粒；

(3)核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒的制备：将0.05g步骤(2)得到的产物分散于100mL硝酸银溶液中(8.8×10^-3M)，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下向其中滴加95ml盐酸羟胺与氢氧化钠组成的混合溶液，反应45min后制得核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒；

(4)硫醇修饰SERS基底的制备：将0.05g步骤(3)得到的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于10mL乙醇溶液中，滴加10μL戊硫醇。反应6h后得到硫醇修饰后的Fe₃O₄Ag磁性SERS基底；

(5)PAHs的富集与检测：将0.025g步骤(4)得到的磁性SERS基底分散于多环芳烃溶液中，混合1h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集。使用ENWAVE便携式拉曼光谱仪进行信号采集，仪器型号为EZRaman-I Series，产地美国，激光波长785nm，扫描时间5s，得到多环芳烃的SERS谱图。

附图说明

下面通过图例说明本发明的主要特征。

附图1为本发明制备的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒的透射电镜照片，实验结果表明制备出的磁性纳米颗粒大小均匀，平均粒径为50nm左右。

附图2为本发明制备的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒的磁滞曲线图。与Fe₃O₄相比，在银层包裹后颗粒的磁性有所下降，但是在SM＝49.5emu g^-1的条件下，完全可以实现磁性颗粒的快速分离。

附图3为硫醇在本发明制备的核壳式磁性纳米颗粒表面的SERS谱图。检测结果充分说明硫醇能够主动富集到磁性颗粒表面，并且产生了均匀的拉曼增强效应。需要特别指出的是，虽然硫醇自身产生的拉曼峰较强，但是由于特征峰位置集中于600-1000cm^-1的范围，所以对下一步多环芳烃的检测影响较小。

附图4是本发明所用五种多环芳烃的结构示意图。

附图5是五种多环芳烃在硫醇修饰基底表面的SERS谱图以及五种多环芳烃固体纯品的拉曼谱图。通过与纯品拉曼谱图的特征峰位置对比，可以看出多环芳烃SERS谱图中的特征峰峰型与位置基本保持不变，这充分验证了本发明检测方法的可行性。

附图6是五种多环芳烃混合物在硫醇修饰基底表面的SERS谱图。检测结果表明，当混合溶液中PAHs浓度达到1mg L^-1时，可以区分出不同种类多环芳烃各自的特征峰。附图6的实验结果说明本方法具备应用于实际样品检测的潜力。

发明实施例

下面进一步通过实施例来阐述本发明。

实施例1Fe₃0₄纳米颗粒的制备：取5.4g FeCl₃·6H₂O与2g FeCl₂·4H₂O溶于100mL去离子水中，向其中滴加氨水至pH值等于10，将生成的沉淀物于真空70℃干燥3h，将产物研磨后过200目筛，制得Fe₃O₄纳米颗粒；核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒的制备：取0.25g纳米Fe₃O₄分散于100mL无水乙醇中，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下滴加1mLAPTMS(3-氨基丙基-三甲氧基硅烷)，反应进行6h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到中间产物-氨基修饰后的Fe₃O₄纳米颗粒。将0.05g中间产物分散于100mL硝酸银溶液中(8.8×10^-3M)，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下向其中滴加45mL盐酸羟胺(0.06M)与50mL氢氧化钠(0.1M)组成的混合溶液，反应45min后制得SERS基底-核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒；硫醇修饰SERS基底的制备：将0.05g核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于10mL乙醇溶液中，滴加10μL戊硫醇。反应6h后，利用外加磁场对磁性颗粒进行收集得到硫醇修饰后的SERS基底；PAHs的富集与检测：将0.025g硫醇修饰后的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于1mg L^-1的多环芳烃溶液中，1h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集。将富集了多环芳烃的磁性颗粒置于培养皿中，使用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，扫描时间为5s，得到多环芳烃的SERS谱图。

实施例2硫醇修饰SERS基底的制备方法同实施例1。PAHs混合溶液的富集与检测：将0.025g硫醇修饰后的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于多环芳烃混合溶液中，五种多环芳烃各自浓度为1mg L^-1。1h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，将富集了多环芳烃的磁性颗粒置于培养皿中，使用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，扫描时间为5s，得到多环芳烃混合物的SERS谱图。

Claims (8)

1.一种多环芳烃检测方法，其由下述步骤组成：

(1)用共沉淀法合成Fe₃O₄磁性纳米颗粒：将FeCl₂·4H₂O与FeCl₃·6H₂O以质量比2：5.4的比例溶解于去离子水中，并加入盐酸促进溶解，在机械搅拌下向上述溶液中滴加氨水，至pH值到达9.5以上，反应30min后将产物置于80℃水浴锅中熟化30min，停止搅拌，将产物冷却至室温，水洗3次后于真空烘箱中70℃下干燥3h，将产物研磨后过200目筛，得到纳米Fe₃O₄磁性颗粒；

(2)硅烷修饰Fe₃O₄磁性纳米颗粒的制备：取0.25g步骤(1)中制备的纳米Fe₃O₄分散于100mL无水乙醇中，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下滴加3-氨基丙基-三甲氧基硅烷，反应进行6h后，将生成的沉淀物于真空60℃干燥1h得到硅烷修饰后的Fe₃O₄纳米颗粒；

(3)核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒的制备：将0.05g步骤(2)得到的产物分散于100mL硝酸银溶液中，超声30min，倒入三口圆底烧瓶中，在机械搅拌下向其中滴加盐酸羟胺与氢氧化钠组成的混合溶液，反应45min后制得核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒；

(4)硫醇修饰SERS基底的制备：将0.05g步骤(3)得到的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于10mL乙醇溶液中，滴加10μL戊硫醇，反应6h后得到硫醇修饰后的Fe₃O₄Ag磁性SERS基底；

(5)PAHs的富集与检测：将步骤(4)得到的磁性SERS基底0.025g分散于多环芳烃溶液中，混合1～2h后用外加磁场对磁性颗粒进行收集，使用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，得到多环芳烃的SERS谱图。

2.如权利要求1所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(1)中，去离子水用量为100mL，盐酸浓度为36％，用量1mL，氨水浓度为25％，反应过程持续滴加氨水至pH值等于10.0。

3.如权利要求1所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(2)中，3-氨基丙基-三甲氧基硅烷的浓度为97％，用量1mL。

4.如权利要求1-3中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(3)中，硝酸银溶液浓度为8.8×10^-3M，盐酸羟胺与氢氧化钠混合溶液的配制方法为：盐酸羟胺45mL，浓度0.06M，氢氧化钠50mL，浓度0.1M，两种溶液在100mL烧杯中混合搅拌5min。

5.如权利要求1-3中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，该方法检测的多环芳烃目标物为以下五种：蒽，芘，菲，苝，苯并[a]芘。

6.如权利要求1-3中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(5)中的多环芳烃富集方法如下：将硫醇修饰后的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于浓度为1mg·L^-1的多环芳烃溶液中，混合时间1h，用外加磁场对富集了多环芳烃的磁性颗粒进行回收，外加磁场为体积10×15×2cm³的Nd-Fe-B强磁铁。

7.如权利要求1-3中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(5)中的多环芳烃混合溶液富集方法如下：将硫醇修饰后的核壳式Fe₃O₄Ag磁性纳米颗粒分散于五种多环芳烃混合溶液中，每种多环芳烃浓度为1mg·L^-1，混合时间1h，用外加磁场对富集了多环芳烃的磁性颗粒进行回收。

8.如权利要求1-3中任一项所述的一种多环芳烃检测方法，步骤(5)中的多环芳烃检测方法如下：将富集了多环芳烃的磁性颗粒置于培养皿中，利用便携式拉曼光谱仪进行信号采集，激光波长785nm，扫描时间5s。

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