微流控芯片–表面增強拉曼光譜法快速測定污水中氯胺酮

常穎，趙陽，高利生

(公安部物證鑒定中心，北京 100038)

氯胺酮(俗稱K 粉)是常見的毒品之一，人服用后會產生意識與感覺分離，導致神經中毒和精神分裂，出現幻覺、運動功能障礙等癥狀，同時對記憶和思維能力造成嚴重損害。人吸食毒品后，氯胺酮會隨人體代謝排入生活污水中。通過對一定區(qū)域內生活污水中氯胺酮進行檢測分析，即可獲得該區(qū)域內毒品濫用情況的代表性數據并進行溯源，進而為公安緝毒部門主動出擊、有的放矢打擊毒品犯罪提供可靠情報數據。

目前檢測氯胺酮的方法主要有液相色譜–質譜聯用法、氣相色譜–質譜聯用法、氣相色譜法以及紅外光譜法等［1–2］。由于污水中氯胺酮含量較低，現有分析方法大多需要復雜的前處理過程，以提高樣品的分析濃度。表面增強拉曼光譜(SERS)法具有儀器便于攜帶、檢測速度快、靈敏度高、能提供分子指紋信息等特點，適合現場快速檢測，已廣泛用于食品中非法添加劑、農獸藥殘留、肉類品質以及保健品中非法添加物等的快速檢測［3–5］。然而在實際應用中，由于其增強效果持續(xù)時間短，往往只持續(xù)數十秒，制約其用于定量分析。針對上述問題，筆者設計了一套微流控聯用檢測平臺，將其與表面增強拉曼光譜進行聯用，實現被測樣品與表面增強試劑在微流控通路內的混合，進而建立了微流控芯片–表面增強拉曼光譜快速檢測污水中氯胺酮的分析方法［6–16］。該方法儀器設備體積小、便于攜帶，檢測成本低，首次實現了污水、河道水中氯胺酮的現場、快速測定，有望實現社區(qū)毒情在線監(jiān)測，為公安禁毒部門提供一線的情報參考信息。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

便攜式拉曼光譜儀：Polaris-R80 型，普拉瑞思科學儀器(蘇州)有限公司；

高精度蠕動泵：PL–B4 型，普拉瑞思科學儀器(蘇州)有限公司；

電子天平：XS105DU 型，感量為0.01 mg，瑞士梅特勒–托利多公司；

超純水機：Milli-Q Academic 型，美國密理博 公司；

氯胺酮標準溶液：(1.00±0.03) mg／mL，公安部物證鑒定中心；

乙腈、環(huán)己烷、乙酸乙酯、正己烷、二氯甲烷、乙醚：色譜純，北京國藥集團化學試劑有限公司；

氯化鈉、氫氧化鈉、鹽酸、硫酸、硝酸：分析純，北京國藥集團化學試劑有限公司；

氯金酸鉀：金含量不小于52.0%，南京森貝伽生物科技有限公司；

檸檬酸三鈉：含量為99%，北京百靈威科技有限公司；

污水樣品：取自北京某污水處理廠進水口細格柵后污水；

實驗用水為超純水。

1.2 微流控芯片設計

微流控芯片示意圖如圖1 所示，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材質，該類型材質兼容性能好，溶出物少，柔韌度高，適合于現場使用。芯片尺寸為6 cm×2.5 cm，設計有3 個進樣口，1 個檢測口及S 型樣本混勻通道。通道直徑為200 μm，保證在適當流速下樣品混合均勻，反應充分。拉曼光譜–微流控聯用檢測平臺示意圖如圖2 所示。

圖1 微流控芯片示意圖

圖2 拉曼光譜–微流控聯用檢測平臺示意圖

1.3 儀器工作條件

（1）拉曼光譜儀。激光功率：200 mW；檢測時間：5 s；采集次數：2 次；平滑系數：2；譜圖設置：自動平滑和自動基線。

（2）蠕動泵。正相旋轉，流量：0.3 mL／min；3通道。

1.4 溶液配制

氯金酸鉀水溶液：質量分數為1%，準確稱取1 g 氯金酸鉀固體，加入99 g 超純水溶解，搖勻，于4℃冰箱中冷藏備用。

檸檬酸三鈉水溶液：質量分數為1%，準確稱取1 g 檸檬酸三鈉鹽固體，加入99 g 超純水溶解，搖勻，于4℃冰箱中冷藏備用。

膠體金溶液：向已清洗干凈的三口燒瓶中加入1 mL 氯金酸鉀水溶液，99 mL 超純水，于磁力攪拌下加熱，待溶液開始沸騰時(開始有氣泡產生)，迅速加入適量體積的檸檬酸三鈉水溶液，待其變色后繼續(xù)加熱30 min，得紅色膠體金溶液［17］，冷卻至室溫備用。

系列氯胺酮標準工作溶液：分別移取適量的氯胺酮標準溶液，用超純水逐級稀釋，配制成氯胺酮的質量濃度分別為10，7.5，5.0，2.5，1.0，0.5 μg／mL的系列氯胺酮標準工作溶液。

1.5 實驗方法

1.5.1 樣品預處理

取20 mL 污水樣品，加入0.6 mL 質量濃度為2 mol／L 的氫氧化鈉溶液，5 mL 乙酸乙酯，振蕩后離心或靜置待其分層，取上層清液至另一離心管中，然后進行二次萃取，合并兩次的萃取上清液，加入1 mL 質量濃度為0.1 mol／L 的鹽酸溶液反萃取，離心10 s，下層酸液轉移到進樣瓶中，待測。

1.5.2 樣品測定

將微流控芯片、進樣針、進樣管、拉曼光譜儀檢測探頭分別固定到位，調整焦距，在1.2 儀器工作條件下，控制膠體金溶液、待測樣品液、促凝劑流量比為1∶1∶1，進樣測定。圖3 所示為微流控芯片檢測模塊結構示意圖，右側為3 個進樣孔，分別連接進樣針和進樣管；左側為檢測孔，正上方為調整焦距的拉曼光譜儀探頭，啟動軟件后采集拉曼光譜，檢測結束后，廢液導流，進樣裝置清洗干凈后可重復使用。

圖3 微流控芯片檢測模塊結構示意圖

2 結果與討論

2.1 氯胺酮定性分析

按照1.5.2 方法分別對質量濃度為10 μg／mL的氯胺酮標準溶液和空白溶液進行測定，氯胺酮標準溶液及空白溶液的拉曼光譜圖如圖4 所示。

圖4 氯胺酮標準溶液及空白溶液的拉曼光譜圖

由圖4 可以看出，經增強檢測后的指紋特征峰在譜圖中能清楚識別，在450，595，654，768，1 048 cm–1處有峰，其中較為明顯的654 cm–1為鄰位取代的伸縮振動，1 048 cm–1為鄰–雙取代苯的伸縮 振動。

2.2 促凝劑選擇

在SERS 檢測中，促凝劑主要作用是使目標分子與納米粒子吸附在一起，改變納米金增強基底聚集狀態(tài)，從而改變SERS 信號。分別考察質量濃度為0.1 mol／L的氯化鈉溶液、氯化鉀溶液、鹽酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液等多種離子態(tài)促凝劑，結果如圖5 所示。由圖5 可以看出，當促凝劑為0.1 mol／L 氯化鈉溶液時，特征峰強度最大，因而選用0.1 mol／L氯化鈉溶液作為促凝劑。

圖5 不同促凝劑時氯胺酮標準溶液的拉曼光譜圖

2.3 提取試劑及萃取試劑選擇

按照1.5.1 方法，其它實驗條件不變，分別考察乙酸乙酯、環(huán)己烷、正己烷、二氯甲烷、乙腈5 種試劑的提取效果，結果如圖6 所示。由圖6 可以看出，用乙腈提取時分層步驟復雜，且雜質較多；正己烷、環(huán)己烷、二氯甲烷提取效果稍好；乙酸乙酯提取效率最高，且伴生雜質較少，因此確定最佳提取試劑為乙酸乙酯。

圖6 不同提取試劑時氯胺酮標準溶液的拉曼光譜圖

按照1.5.1 方法，固定其它實驗條件，分別考察硫酸、鹽酸、硝酸3 種反萃取試劑萃取效果，結果如圖7 所示。由圖7 可以看出，鹽酸萃取效果稍好于硫酸和硝酸，且鹽酸濃度為0.1 mol／L 時萃取效果最好，故確定最佳萃取試劑為0.1 mol／L 鹽酸。

圖7 不同萃取試劑時氯胺酮標準溶液的拉曼光譜圖

2.4 拉曼特征峰選擇

按照1.5.2 方法，分別對不同濃度的氯胺酮標準溶液進行測定，結果如圖6 所示。由圖6 可以看出，氯胺酮在654 和1048 cm–1處的特征拉曼峰，對樣品的分析不產生干擾；隨著氯胺酮溶液濃度的降低，其拉曼特征峰也在不斷減弱；當氯胺酮溶液濃度為500 ng／mL 時，仍然可明顯觀察到氯胺酮的特征拉曼譜峰，表明SERS 在氯胺酮的檢測中有較高的檢測靈敏度。利用鄰位取代伸縮振動特征峰(654 cm–1)的強度，對氯胺酮可進行定量分析。

圖8 污水中不同濃度氯胺酮溶液的拉曼光譜圖

2.5 線性方程與檢出限

按照1.5.2 方法，對1.4 中的系列氯胺酮標準工作溶液進行測定，以氯胺酮的質量濃度（X）為橫坐標，以對應的拉曼特征峰強度（Y）為縱坐標，繪制標準工作曲線，計算得線性方程為Y=1 116.8X+268.81，相關系數為0.996 3。

以3 倍信噪比對應的濃度作為方法檢出限，則該方法檢出限為250 ng／mL。

2.6 精密度試驗

移取污水樣品，按照1.5.1 方法處理6 份樣品，在1.2 儀器工作條件下進行測定，選取654 cm–1處的特征峰，記錄拉曼峰強度，結果見表1。由表1 可知，6 次測定結果的相對標準偏差為3.3%，表明該方法具有較好的精密度。

表1 精密度試驗結果

2.7 加標回收試驗

移取適量已知氯胺酮濃度的污水樣品，加入一定濃度的氯胺酮標準溶液，按1.5 實驗方法進行測定，結果見表2。由表2 可知，氯胺酮的回收率為95.8%，表明該方法具有較高的準確度，滿足測定 要求。

表2 準確度試驗數據

3 結語

建立了微流控芯片和表面增強拉曼光譜聯用法快速檢測環(huán)境樣品中氯胺酮的方法。在堿性條件下選取乙酸乙酯為提取試劑，鹽酸為萃取試劑，利用拉曼表面增強試劑對樣品中的氯胺酮拉曼光譜信號進行增強，進而對環(huán)境樣品中低濃度的氯胺酮進行檢測。該方法適用于污水、地表水、河道水等環(huán)境樣品中低濃度違禁氯胺酮的檢測，檢出限為250 ng／mL。該方法具有檢出限低、分析范圍廣、操作方便簡單、分析速度快等特點，可用于氯胺酮等毒品現場快速檢測。