表面增强拉曼光谱技术快速检测神经性化学毒剂模拟剂

张 琳，温宝英，刘卫卫，傅文翔，孔景临*，李剑锋*

1.国民核生化灾害防护国家重点实验室，北京 102205 2.厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室，化学化工学院，福建 厦门 361005

引 言

随着化学毒剂研究的发展与当前国际反恐斗争的深入，采用新的技术快速检测化学毒剂已成为各国科学工作者共同关注的课题。化学毒剂沙林(甲氟膦酸异丙酯，GB)是一种常用的军事神经性毒剂，可通过抑制乙酰胆碱酯酶来破坏神经系统的功能，且在人体内的降解速度很慢，具有毒性高、作用快和挥发性好的特点，成为现场快速检测的难点之一。甲基磷酸二甲酯(DMMP)是目前国际上使用效果最好的添加型有机磷阻燃剂之一，可与水和各种有机溶剂混溶，因与GB分子结构相似(图1)，毒性低，因此常用做沙林模拟剂进行化学侦察装备性能评价实验或者化学毒剂检测方法研究。

图1 DMMP和GB的分子式结构Fig.1 The molecular formula of DMMP and GB

目前进行DMMP测试的方法有很多，包括分光光度法[1]、气相色谱法[2]、振动光谱分析法[3]、石英晶体微天平(QCM)传感器[4]、表面声波(SAW)传感器[5]等。然而上述方法普遍存在响应时间较长、准确度差和检测灵敏度低等问题。表面增强拉曼光谱技术(SERS)因具有较好的稳定性以及可以达到单分子检测的灵敏度受到人们的关注，自发现以来迅速广泛地应用在各个领域中[6-7]。目前，开发出一种适用于检测GB高灵敏度的SERS技术仍然面临着很大的挑战。本研究通过两步法合成高活性的Au@Ag纳米溶胶，并进一步将其组装固定在Au片表面，大大提高了SERS基底的光谱增强能力，并利用SERS技术实现了对DMMP快速、灵敏的检测。

1 实验部分

1.1 仪器及试剂

便携式拉曼光谱仪(SHINS-P785V，厦门赛纳斯科技有限公司)，分析天平(TP114，美国Sartorius公司)，紫外可见-吸收光谱仪(UVmini-1280，日本岛津公司)，扫描电子显微镜图像SEM(S-4800，日本HITACHI公司)，高速离心机(上海安亭科学仪器厂)，超纯水仪(Heal-force，smart-N系列)。甲基磷酸二甲酯(Adamas，98%)，KI，NaCl，HCl，MgSO4和NaOH(国药集团化学试剂)，Ag纳米粒子购于厦门赛纳斯科技有限责任公司。本实验所用的水均为超纯水(>18.2 MΩ·cm-3，3 ppb)。

1.2 增强芯片的制备

将于赛纳斯购买的Ag纳米粒子(约150 nm)以4 000 r·min-1的转速进行离心，去除上清液，重复两次后将底部浓缩液直接组装在干净的硅片上，自然干燥，得到SERS增强芯片。

1.3 拉曼测试方法

溶胶测试方法：将模拟剂DMMP配制成水溶液，然后直接将模拟剂DMMP与Ag纳米粒子、团聚剂混匀，置于仪器自带的玻璃管中，用便携式拉曼光谱仪直接进行测试(785 nm，500 mW,1 s)。

芯片法测试：将模拟剂DMMP配制成甲醇溶液，然后直接将模拟剂DMMP甲醇溶液和团聚剂混匀，滴在制备好的增强芯片上，用便携式拉曼光谱仪直接进行测试(785 nm，500 mW,1 s)。

2 结果与讨论

2.1 Ag纳米粒子表征

将制备好的SERS基底进行扫描电镜表征，得到如图2(a)所示的扫描电镜图。Ag纳米粒子大小、形貌较为均一。同时对该Ag纳米溶胶进行紫外-可见光光谱检测，得到如图2(b)所示，该银纳米粒子的吸收峰在750 nm左右。为了获得最大的增强能力，选择785 nm激光作为激发光源。

图2 Ag纳米粒子的扫描电子显微镜图(a)和紫外-可见吸收光谱图(b)Fig.2 The SEM (a)and UV-Visible absorption spectrum (b)of Ag nanoparticles

2.2 常规SERS基底的测试条件考察

2.2.1 DMMP常规拉曼光谱的获得及谱峰指认

图3 DMMP分子常规拉曼光谱图Fig.3 The normal Raman of DMMP

2.2.2 不同团聚剂对DMMP检测的影响

Ag团聚溶胶比单分散Ag溶胶的增强能力更强，并且不同的团聚剂对Ag的团聚状态等影响不同，从而导致Ag的增强能力不同。在不加团聚剂的情况下1 000 mg·L-1的DMMP已经没有SERS信号了。因此，选择不同的团聚剂对1 000 mg·L-1的DMMP进行初步测试，从而选择该体系中最合适的团聚剂。实验中选择了1 mol·L-1的HCl，KI，MgSO4，NaCl和NaOH对1 000 mg·L-1的DMMP进行表面增强拉曼光谱的测试，测试结果如图4所示。由图可知，实验中不同的团聚剂对实验结果的影响并不是很大，然而HCl和KI的作为团聚剂，Ag的增强能力最强。考虑到在实际测试中，酯类样品在酸性条件下容易水解，因此最终选择KI为后续实验的团聚剂。

图4 不同团聚剂下1 000 mg·L-1的DMMP的SERS光谱图Fig.4 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different agglomerating agents

2.2.3 不同测试方法对DMMP检测的影响

在前期的实验中，发现不同的测试方法对于不同的测试体系的影响也是不同的。因此，选择100 mg·L-1浓度的DMMP标准溶液同时进行溶胶法和芯片法的测试，实验结果如图5所示。在实验中发现，100 mg·L-1的DMMP标准溶液用溶胶已经测不出拉曼信号了，但是用芯片法仍然具有很强的增强。因此，在后续的实验中选择用芯片法来进行实验。

图5 不同测试方法下100 mg·L-1 DMMP的SERS光谱图Fig.5 The SERS spectra of 1 000 mg·L-1 DMMP with different methods

2.3 DMMP不同浓度的检测

2.3.1 标准溶液的配制

首先准确称取50 mg的DMMP的纯溶液，用甲醇稀释定容至50 mL，得到浓度为1 000 mg·L-1的DMMP母液。然后用逐级稀释的方法，分别准确配制100 mg·L-1，10 mg·L-1，1 mg·L-1，100 μg·L-1，50 μg·L-1和10 μg·L-1的标准溶液。

2.3.2 不同浓度的DMMP的SERS测试

将上述配制好的标准溶液，用最优的测试条件，按照图6所示的路线图进行测试。首先取10 μL的DMMP标准溶液和10 μL的1 mol·L-1的KI团聚剂混合均匀，将混合液滴在已制备好的SERS芯片上，然后用便携式拉曼直接进行测试，得到如图7所示的结果图。

图6 DMMP的SERS测试流程图Fig.6 The schematic diagram of SERS detection for DMMP

图7 不同浓度DMMP的SERS光谱图Fig.7 SERS spectra of different concentrations of DMMP

由图可知，DMMP在710 cm-1的特征峰与浓度呈现一定的关系。并且随着浓度变小，该特征峰强度逐渐变小。最低可以检测至DMMP的浓度为10 μg·L-1。美军短期(<7 d)饮用水最大暴露安全指南规定对神经性化学毒剂最低检出限是10 μg·L-1，因此采用SERS方法，满足了军队应对化学战或者恐怖袭击时行动的需要。

3 结 论