金溶膠基底結(jié)合表面拉曼光譜法的重金屬檢測試驗(yàn)

李娜 李杰

摘 要： 針對保健品中重金屬檢測存在檢測范圍窄的問題，提出金溶膠基底改性結(jié)合表面拉曼光譜法檢測保健品中重金屬元素。試驗(yàn)首先優(yōu)化了金溶膠基底的制備工藝并對其進(jìn)行改性，然后對改性后金溶膠基底重金屬檢測性能進(jìn)行檢測。結(jié)果表明：金溶膠基底制備工藝優(yōu)化結(jié)果：選擇1.5 mL檸檬酸鈉為還原劑，還原劑與四氯合金酸的摩爾比為2，pH值為4，反應(yīng)時間為18 min。優(yōu)化后金溶膠基底對重金屬離子具備良好的響應(yīng)效果。經(jīng)過4-MBA 醇溶液改性后，基底對重金屬特征峰的響應(yīng)得到增強(qiáng)，在 0.5～100 mg/L的濃度范圍內(nèi)，重金屬離子拉曼光譜峰強(qiáng)-濃度線性擬合相關(guān)系數(shù)R2均超過0.999 5，表現(xiàn)出良好的相關(guān)性。

關(guān)鍵詞： 重金屬檢測；金溶膠基底；拉曼光譜增強(qiáng)；保健品檢測

中圖分類號： TQ427.2+5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A ?文章編號： 1001-5922（2023）08-0138-04

Detection of heavy metals by Raman spectroscopy on gold sol

substrate bonding surface

LI Na1，LI Jie2

（1.Yunnan Provincial Food and Drug Inspection Center，Kunming 650032，China；

2.Henan Electromechanical Vocational College，Zhengzhou 451191，China）

Abstract： Aiming at the problems of low accuracy and narrow detection range of traditional heavy metal detection methods，surface Raman spectroscopy is proposed to detect heavy metal ions.Firstly，the gold sol substrate was prepared and its preparation process was optimized，then the optimized process gold sol substrate was modified，and finally the heavy metal detection performance of the modified gold sol substrate was tested.The experimental results show that the gold sol substrate prepared under the conditions that the molar ratio of reducing agent sodium citrate to tetrachloroalloy acid is 2，the dosage of sodium citrate is 1.5 ?mL，the reaction time is 18 min，and the pH value is 4 has the best response to heavy metals.After 4-MBA alcohol solution modification，the response of the substrate to the characteristic peaks of heavy metals is enhanced.In the concentration range of 0.5～100 mg/L，the peak intensity concentration linear fitting correlation coefficient R2 of heavy metal ions Raman spectra exceeds 0.99，showing good correlation performance.

Key words： heavy metal detection;gold sol substrate;Raman spectrum enhancement;health products testing

為了讓自己擁有健康的身體，在日常鍛煉的同時，人們也會服用一些保健品。但受現(xiàn)在保健品生產(chǎn)工藝的影響，保健品中可能存在一些重金屬超標(biāo)的情況，影響人們的身體健康。因此在保健品投入市場時，都需要對其重金屬含量進(jìn)行測定。雖然目前也有一些手段能夠檢測出保健品中的重金屬，但對保健品中痕量級重金屬的檢測還有提升空間。尋找一種適宜的保健品重金屬測試方式，是目前較為重要的研究課題。對此，部分學(xué)者也進(jìn)行了很多研究，如蔣文菊總結(jié)了目前常用的食品重金屬檢測方法[1]。趙國鵬、邢鈺則通過拉曼光譜對食品中重金屬含量進(jìn)行檢測。試驗(yàn)結(jié)果表明，拉曼光譜是較為有效的一種重金屬含量檢測方法[2-3]。但拉曼光譜測試重金屬，因此需要拉曼光譜進(jìn)行增強(qiáng)。宋移歡、陳金磊則嘗試對的拉曼光譜進(jìn)行增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，增強(qiáng)后的拉曼光譜無論是在檢測精度還是在檢測范圍方面都較普通拉曼光譜有了很大的提升[4-5]。溶膠增強(qiáng)拉曼光譜是時下最常用的一種增強(qiáng)方法，但目前對溶膠的研究較少?；诖?，本試驗(yàn)以譚雄論文為基礎(chǔ)[6]，制備了一種性能較優(yōu)的金溶膠基底，增強(qiáng)重金屬離子在拉曼光譜上的響應(yīng)，用于保健品中重金屬檢測。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

主要材料：四氯合金酸（AR 華翔科技生物技術(shù)）；巰基苯甲酸（AR 藝康化工）；檸檬酸鈉（CP ?商聯(lián)化工）；無水乙醇（AR 俱輝化工）。

主要設(shè)備：磁力攪拌機(jī)（78-1 德為儀器科技）；拉曼光譜分析儀（LD-LM27 卓爾）；氣浴振蕩器（SHA-B 金壇良友儀器設(shè)備）；高速離心機(jī)（TG16G 凱特實(shí)驗(yàn)儀器）；紫外可見分光光度計（UV-1150 美譜達(dá)儀器）。

1.2 檢測原理及優(yōu)勢分析

拉曼光譜通過光子與光學(xué)支聲子相互作用產(chǎn)生的拉曼效應(yīng)，對與不同入射光頻率的散射光譜進(jìn)行分析，以得到分子振動、轉(zhuǎn)動方面信息，進(jìn)而分析目標(biāo)物質(zhì)種類和含量。由于拉曼光譜不需要對樣品進(jìn)行前處理，且同時具備操作簡單，測試時間短和靈敏度高的特點(diǎn)，在重金屬檢測領(lǐng)域有重大作用。 但普通拉曼光譜在進(jìn)行目標(biāo)物質(zhì)檢測時，存在不同振動峰重疊和拉曼散射強(qiáng)度容易受光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響的問題。特別是痕量級金屬檢測方面，還存在很多的不足，因此需要對拉曼光譜進(jìn)行進(jìn)一步增強(qiáng)。

表面增強(qiáng)拉曼光譜是利用吸附在粗糙化的Ag電極表現(xiàn)的吡啶分子具有巨大的拉曼散射現(xiàn)象和活性載體表面選擇吸附分子一致熒光發(fā)射的特性，增強(qiáng)了拉曼光譜的性噪比。通過基底與待測重金屬離子中的共振反應(yīng)，拉近了離子間距，進(jìn)而引發(fā)聚集現(xiàn)象，使得拉曼光譜現(xiàn)象更明顯，這就有效增強(qiáng)了拉曼光譜的分辨與檢測靈敏度。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 金溶膠基底

（1）提前配制質(zhì)量濃度為1%的四氯合金酸溶液和檸檬酸鈉溶液備用。

（2）將99 mL純水放入錐形瓶中，然后放入1 mL 1%四氯合金酸溶液，然后在78-1型磁力攪拌機(jī)的作用下進(jìn)行加熱攪拌至溶液沸騰，攪拌溫度和轉(zhuǎn)速分別為200 ℃和500 r/min。

（3）將適量1%檸檬酸鈉溶液滴入步驟（2）溶液中，繼續(xù)反應(yīng)至溶液顏色變?yōu)榫萍t色。

（4） 將反應(yīng)后溶液置于室溫環(huán)境進(jìn)行自然冷卻，得到金溶膠基底，然后在4 ℃條件下進(jìn)行避光保存 。

（5）由于金溶膠的特性，在存放時可能出現(xiàn)非特異性團(tuán)聚現(xiàn)象，因此在使用時，需要進(jìn)行超聲處理，破壞金溶膠基底特異性團(tuán)聚現(xiàn)象，超聲時間為4 min。還原劑用量配比見表1。

1.3.2 金溶膠基底的改性

（1）提前配置濃度為1 mol/L的巰基苯甲酸（4-MBA）醇溶液備用；

（2） 按照20 ∶1 ∶20 的比例依次將金溶膠、4-MBA 醇溶液和超純水放入錐形瓶，然后通過氣浴振蕩器振蕩接枝1 h。振蕩結(jié)束后，靜置5 ?h進(jìn)行孵育 ；

（3） 將孵化結(jié)束的混合物置于TG16G型高速離心機(jī)內(nèi)進(jìn)行離心濃縮改性處理，離心轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。離心結(jié)束后得到改性后金溶膠，置于4 ℃環(huán)境保存。

1.4 性能分析

1.4.1 紫外可見分光分析

通過UV-1150型紫外可見分光光度計對待測樣品進(jìn)行紫外可見光分析。

1.4.2 拉曼光譜分析

通過LD-LM27型拉曼光譜分析儀對樣品進(jìn)行拉曼光譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備條件的優(yōu)化

2.1.1 還原劑用量的優(yōu)化

在反應(yīng)體系內(nèi)，金溶膠穩(wěn)定性、顆粒粒徑和均勻性均與還原劑用量有一定關(guān)系。若在反應(yīng)過程中，無法提供足夠的還原劑，體系內(nèi)反應(yīng)物無法完全反應(yīng)，使得制備的產(chǎn)物穩(wěn)定性降低。若反應(yīng)體系中存在過多的還原劑，多余的還原劑在體系內(nèi)無法發(fā)揮作用，反而會成為反應(yīng)雜質(zhì)，在一定程度上降低了體系內(nèi)金納米顆粒濃度，對檢測效果產(chǎn)生不利影響。圖1為還原劑優(yōu)化結(jié)果。通過觀察圖1曲線變化可以發(fā)現(xiàn)，隨還原劑檸檬酸鈉摩爾比的增加，金溶膠紫外-可見吸收光光譜吸收峰向左發(fā)生了移動。這是因?yàn)?，金納米粒子還原速率隨還原劑用量增加而提升。但還原劑用量存在適宜值，超過適宜值則會對金納米粒子產(chǎn)生一些不利影響，使得金納米粒子粒徑偏小，吸收峰向左移動[7]。當(dāng)摩爾比為2時，材料具備較窄的紫外吸收峰，這說明在此條件下，材料粒子具備較好的均一性。由圖1（b）可知，所有金溶膠在1 620 cm-1處均出現(xiàn)較為明顯的增強(qiáng)特征峰。進(jìn)行進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料與還原劑摩爾比為2時，金溶膠的增強(qiáng)效果最好，該結(jié)論也與圖1（a）結(jié)論相符。綜上所述，適宜摩爾比為2，即檸檬酸鈉用量為1.5 mL。

2.1.2 反應(yīng)時間的優(yōu)化

反應(yīng)時間主要對金納米成核尺寸產(chǎn)生影響，較短的反應(yīng)時間無法使得所有粒子均達(dá)到理想尺寸。較長的反應(yīng)時間可能使得粒子過度熟化，這就導(dǎo)致粒子粒徑有一定增加，粒子均一性受到影響，使得金溶膠基底對拉曼光譜的增強(qiáng)效果受到影響。反應(yīng)時間優(yōu)化結(jié)果見圖2。通過觀察圖2（a）可知，所有吸收峰均未出現(xiàn)移動，這就說明反應(yīng)時間幾乎不影響金溶膠的總體粒徑，只影響金納米粒子均一性[9]。通過觀察金溶膠吸收峰寬度變化可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)時間為12～21 min時，紫外吸收峰的寬度較窄，其余時間點(diǎn)的吸收峰的寬度相對較寬。金溶膠顆粒均一性在12～21 min時較好。通過圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，在反應(yīng)時間為15～18 min時，對1 620 cm-1特征峰的增強(qiáng)效果最好（圖內(nèi)小圖），由此可以判定，在該段時間內(nèi)，金溶膠均一性最優(yōu)，對拉曼光譜的增強(qiáng)效果最佳。因此選擇反應(yīng)時間為18 min。

2.1.3 ?pH值優(yōu)化

圖3為pH值金溶膠特征峰的影響。通過圖3可知，強(qiáng)酸、強(qiáng)堿均對金溶膠基底產(chǎn)生不良影響，當(dāng)pH=4時，1 620 cm-1特征峰的增強(qiáng)最為明顯。即在pH=4的條件下，金溶膠性能最佳。因此在制備金溶膠基底時，選擇適合的pH值為4。

2.1 改性金溶膠基底表征

對改性前后金溶膠基底進(jìn)行表征，確保經(jīng)過改性后，金溶膠基底的優(yōu)化情況，結(jié)果見圖1。

由圖1（a）可知，經(jīng)過改性后的金溶膠基底發(fā)生右移，同時，金溶膠的顏色也相對變暗，證明4-MBA 醇溶液改性增加了金納米粒子粒徑。以鉛元素為探查對象，觀察改性前后的金溶膠對鉛的梯度響應(yīng)，結(jié)果見圖1（b）。由圖1（b）可知，經(jīng)過改性后的金溶膠基底對乙醇峰干擾有排除作用，同時探針分子表現(xiàn)出更明顯的鉛離子的響應(yīng)特征峰，對鉛離子的檢出限達(dá)到了0.1 mg/L。以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)說明了經(jīng)過4-MBA 醇溶液改性后，金溶膠基底對重金屬離子定量分析研究產(chǎn)生了積極的影響。

2.2 金溶膠對重金屬離子的定量檢測

用金溶膠基底定量檢測砷離子、鉛離子、鎘離子和汞離子的標(biāo)準(zhǔn)溶液，然后對檢測結(jié)果進(jìn)行線性擬合，結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，在 0.5～100 mg/L的范圍內(nèi)，拉曼光譜中重金屬特征峰均出現(xiàn)了明顯的變化。這是因?yàn)榛佐然c重金屬結(jié)合后，產(chǎn)生了新鍵峰。同時，探針分子團(tuán)聚結(jié)構(gòu)在吸附重金屬離子后出現(xiàn)變化[10-11]。這種變化受金屬離子原子粒徑的影響，因此特征峰的峰位也會產(chǎn)生一定的偏移，且該偏移現(xiàn)象存在規(guī)律性差異。

同時，在該濃度范圍內(nèi)，對重金屬離子拉曼光譜峰強(qiáng)-濃度進(jìn)行線性擬合，二者線性關(guān)系良好， R2 大于0.999 5，表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確度。

由測試結(jié)果可知，本試驗(yàn)制備的金溶膠基底在較寬的濃度范圍內(nèi)，具備較好的定量和區(qū)分能力，可以檢測寬濃度范圍的金屬離子。但改性金溶膠基地分析重金屬離子時，其特征峰較為接近，難以區(qū)分，在實(shí)際檢測的過程中容易出現(xiàn)誤判的現(xiàn)象[12-13]。這是因?yàn)閮x器分辨率決定了波速偏移偏差，特征峰差異性的豐富與探針分子鏈長結(jié)構(gòu)和活性位點(diǎn)有關(guān)，而本試驗(yàn)所用的儀器為普通拉曼光譜儀。受其分辨率和探針分子結(jié)合位點(diǎn)的影響，拉曼檢測判斷難度增加，其應(yīng)用范圍受到了限制，因此在實(shí)際應(yīng)用中，可以考慮選擇分辨率較高的拉曼光譜儀或利用特征峰比對進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.3 檢測性能驗(yàn)證

在水樣中的檢測性能是方法可行性的重要指標(biāo)，因此本試驗(yàn)以自來水和池水為主要研究對象，對水中鉛離子進(jìn)行加標(biāo)回收試驗(yàn)，驗(yàn)證本試驗(yàn)建立方法的可行性。首先通過電感耦合等離子光譜發(fā)生儀測定待測溶液中重金屬初始含量，然后通過拉曼光譜對重金屬進(jìn)行加標(biāo)回收檢測，結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，制備的金溶膠基底在水中對鉛離子同樣具備響應(yīng)能力。通過分析特征峰嵌固端確定其加標(biāo)回收率與定量關(guān)系符合，可以在實(shí)際檢測中使用。

2.4 實(shí)際樣品測定

以GB 16740—2014 為指標(biāo)，用金溶膠增強(qiáng)拉曼光譜對市售保健品中重金屬含量進(jìn)行測定，確定其重金屬含量是否符合標(biāo)準(zhǔn)[14-20]；表2為實(shí)際樣品檢測結(jié)果。

由表2可知，市售保健品中重金屬含量均滿足國家安全標(biāo)準(zhǔn)。這也說明了本試驗(yàn)建立的金溶膠增強(qiáng)拉曼光譜可以用于保健品的檢測。

3 結(jié)語

（1）金溶膠基底制備優(yōu)化工藝為：檸檬酸鈉用量為1.5 mL，反應(yīng)時間為18 min，適宜pH值為4；

（2）經(jīng)過4-MBA 醇溶液改性后，重金屬特征峰響應(yīng)更加明顯，表現(xiàn)出良好的檢測能力；

（3）在離子質(zhì)量濃度為 0.5～100 mg/L， R2 大于0.999 5，表明相關(guān)性能表現(xiàn)良好；

（4）加標(biāo)回收試驗(yàn)結(jié)果表明，金溶膠基底在水中仍舊具備重金屬檢測能力，可以在液體保健中檢測使用。

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