基于便携式拉曼光谱仪的疑似吸毒人员尿液中毒品的SERS快速检测

基于便携式拉曼光谱仪的疑似吸毒人员尿液中毒品的SERS快
速检测
李树平;解启文;张莉;杨良保
【摘要】本文利用SERS技术对疑似吸毒人员尿液中的毒品进行快速检测.通过对尿液中的毒品进行快速分离和提纯,结合便携式拉曼光谱仪,并利用自组装的金纳米颗粒作为SERS基底对其进行检测分析,可以实现现场检测.该方法灵敏性高、检测速度快,有望应用于公安及司法部门的缉毒、查毒工作现场中.
【期刊名称】《光散射学报》
【年(卷),期】2018(030)002
【总页数】5页(P115-119)
【关键词】表面增强拉曼光谱;毒品;吸毒人员;人体尿液;便携式拉曼光谱仪
【作者】李树平;解启文;张莉;杨良保
【作者单位】安徽大学化学化工学院,合肥230039;中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031;安徽省公安厅物证鉴定中心,合肥230061;安徽大学化学化工学院,合肥230039;中国科学院合肥智能机械研究所,合肥230031
【正文语种】中文
【中图分类】O657.37
1 引言
随着当今经济的发展,毒品的蔓延也肆意发展。

在《2016年世界毒品报告》中显示,现在受吸毒困扰的人群已攀升至2900万人。

15岁到26岁的人群中,在2014年大约有2.5亿人至少使用过一次毒品,其中约有20.7万人因毒致死。

毒品给社会带来巨大的危害,造成了社会财富的巨大损失和浪费,而且毒品引发了各种违法犯罪的活动,严重扰乱社会治安。

长期以来,国家社会为遏制毒品蔓延、打击毒品走私做出了不懈努力,并在一些领域取得明显进展,但新型毒品的出现,使得禁毒执法难度更大[1]。

冰毒(methamphetamine,MAMP)、甲卡西酮(methcathinone,MCAT)、摇头丸(3,4-methylenedioxy methamphetamine,MDMA)、氯胺酮(ketamine,KET)等是如今新兴合成类毒品,吸食人群较多,其中冰毒成为泛滥程度最严重的合成类毒品(根据《2016年世界毒品报告》),因此毒品的快速检测对于打击毒品犯罪、抑制毒品的流行也具有非常重要的意义。

常见毒品的检测方法有气相色谱法(GC)、高效液相色谱法(HPLC)、气相色谱质谱联用仪(GC-MS)、酶联免疫吸附测试(ELIS)和免疫胶体金技术(ICGT)[2]。

但这些方法在现场快速检测毒品的应用上都受到一定的限制,因而开发一种快速简单的毒品检测方法也显得极为重要，表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman Spectroscopy,SERS)检测毒品,具有无损伤性、指纹特征、可重复性和高灵敏度等优点,现已广泛应用于毒品的快速检测[3]。

近年来SERS技术迅速发展,对待测样品的检测用量可以从低至几毫克甚至微克量级[4],对于涉毒人员的检测,采集的样品形式也多样化,一般在人体的尿液、毛发、血液和唾液等可以检测到毒品的存在。

由于人体尿液易于采集,且有一定的通用性,本文选择人体尿液作为检测样本。

另外,由于具有体积较小、便于携带等特点,使得便携式拉曼光谱仪可以用于现场检测,同时,近年来,便携式拉曼光谱仪得到了快速发展,已广泛应用于高分子材料、化学研究、生物医学、药品检测等领域[5-6],因此也为其用于毒品的现场检测提供了可能。

由于自组装结构基底具有较好的SERS效应和实用性,本文中我们利用对合成的金
纳米颗粒进行改性并进行组装得到的SERS基底,并通过对公安部门提供的疑似吸
毒人员尿液中的毒品进行快速分离和提纯,然后结合便携式拉曼光谱仪进行快速检测,对疑似吸毒人员人体尿液中是否含有毒品及毒品种类进行判断,为公安和司法部
门执法提供初步参考。

2 实验
2.1 金纳米颗粒(Au nanoparticles,AuNPs)的合成
本文中AuNPs的合成是采用经典的Frens和Ziegler的方法[7-8]。

具体合成流程如下:先制备(9.610-4 M的HAuCl4· 4H2O)生长液和9.710-4 M柠檬酸钠和
2.8410-3 M抗坏血酸体积比为1∶2混合还原液,备用。

向已清洗干净的三口烧瓶
中加入质量分数为1%的HAuCl4 1 mL,再加入二次蒸馏水99 mL,磁力搅拌下加热。

待溶液开始沸腾时(开始有气泡产生),迅速加入质量分数为1% 的柠檬酸钠4 mL,溶液的颜色由浅黄色变为紫黑色(柠檬酸钠加入的量不同,颜色的深浅不同),最后变成
酒红色。

30 min 后停止加热,使其在常温下自然冷却,即得到HAuCl4与柠檬酸钠
体积比为1∶4的酒红色的金纳米颗粒。

取上述溶液3 mL于三口烧瓶中,加入蒸馏水17 mL。

在加热的条件下以0.23 mL/min 的速度同时加入已制备好的生长液和还原液,继续加热至沸腾半小时后,停止加热,在室温下自然冷却即可得到35 nm的
金纳米颗粒。

然后取上述35 nm的金纳米颗粒于烧瓶中,加入蒸馏水4 mL,加热的条件下以0.23 mL/min向其加入生长液和还原液各10 mL,加热至沸腾后停止加热,在室温下自然冷却即可得到55 nm的金纳米颗粒。

2.2 金纳米颗粒的自组装[9]
本文是利用十六烷基三甲溴化铵(Cetyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)对金纳米颗粒进行改性，然后进行组装,具体实验步骤如下:先配制浓度为40 mM 的CTAB溶液,在室温下与合成的AuNPs溶液混合(CTAB与AuNPs溶液的体积比为1∶1),陈化放置后将混合溶液进行离心,把离心浓缩后的AuNPs组装到干净的硅片
上即可[10]。

2.3 人体尿液样品中毒品的快速分离和纯化
取2 mL的疑似吸毒人员尿液样品(模拟吸毒样品是先取1 mL尿液,然后加入不同
浓度的1 mL冰毒溶液与之混合),向溶液中加入0.6 g NaCl,然后加入质量分数为10%的 NaOH溶液调节混合液呈弱碱性,再加入200 L环己烷作为萃取剂,最后,将
混合液充分摇匀后静置一段时间,使有机相从水相中分离出来。

2.4 SERS检测
取混合物的上层液10 L滴在金纳米颗粒薄膜上,自然挥发后在室温下用于SERS的分析。

实验室所使用的便携式拉曼光谱仪的积分时间为10 s,激光功率为200
mW(400 mW×50%),激光波长为785 nm,光谱范围为400～1700 cm-1。

3 结果与讨论
3.1 自组装AuNPs的结构表征
通过相关工艺,我们得到了AuNPs的自组装结构,并对其进行了结构表征。

图1 A
是本文实验的工作流程图,图1 B是所使用的便携式拉曼光谱仪。

图1 C是SERS
检测原理示意图,当待测分子吸附在或者非常接近基底表面时,会出现显著增强的拉
曼散射信号。

图2 A是AuNPs自组装结构的扫描电镜图,通过扫描电镜图可以看
出AuNPs排列紧密,有利于形成灵敏度高、重现性好的SERS基底。

图2 B是AuNPs溶胶的紫外-可见吸收光谱图,从谱图中我们可以看出其等离子体共振吸收
峰约为533 nm,由文献得知AuNPs的直径与此最大吸收峰相对应的尺寸大小约为50～60 nm[11]。

图 2 C是AuNPs的透射电镜图,通过透射电镜图进行粒径分析
可以得出AuNPs的粒径约为50.30±3 nm,与紫外-可见吸收光谱表征结果相一致。

图1 实验工作流程图(A)和便携式光谱仪(B)及AuNPs自组装基底用于SERS检测
原理图(C)
Fig.1 The flow chart of experiment work (A) and the picture of portable Raman spectrometer (B) and schematic diagram of SERS (C)
图2 自组装AuNPs的电镜扫描图(A),紫外吸收光谱图(B)和透射电镜图(C)Fig.2 Typical SEM image of self-assembled AuNPs (A),UV-Vis absorbance spectrum (B) and typical TEM image (C) of AuNPs
3.2 AuNPs自组装结构基底的SERS性能表征
本文使用的AuNPs的平均直径约为50.30 nm,为了检测AuNPs自组装结构基底的SERS效应,我们利用最常见的染料分子结晶紫(Crystal violet,CV)作为探针分子来评估基底的灵敏性。

首先配制不同浓度的CV溶液,浓度分别为10-6 M、10-7 M、10-8 M,用移液枪移取不同浓度的CV溶液5 L滴加到已组装好的基底上,在室温下自然干燥后,用便携式拉曼光谱仪对其进行检测。

图3是不同浓度的CV分子的SERS谱图,从图中可以看出CV分子在波数802 cm-1、915 cm-1、1174 cm-1、1375 cm-1和1618 cm-1处都有较明显的拉曼特征峰,802 cm-1、915 cm-1和1174 cm-1分别对应的是二甲氨基的C-N-C对称伸缩振动,苯环上C-H的弯曲振动和 N-苯基的伸缩振动,振动谱带1583 cm-1、1615 cm-1为苯环上C-C的伸缩振动模型[12-13]。

从SERS的谱图上可以看出检出限可以达到10-8 M以下,可以说明AuNPs自组装结构基底具有较高的SERS检测灵敏度。

图3 基于便携式拉曼光谱仪和自组装AuNPs基底的不同浓度CV溶液的SERS检测谱图
Fig.3 The SERS spectrogram of different concentration of CV molecules by use of the portable Raman spectrometer
3.3 不同浓度的冰毒水溶液基于便携式拉曼光谱仪的SERS检测
本文利用对合成的AuNPs进行改性并进行组装得到的SERS基底,结合便携式拉曼
光谱仪检测了不同浓度的冰毒水溶液。

图4是不同浓度冰毒水溶液的SERS谱图,浓度分别为20 ppm,10 ppm,500 ppb和100 ppb。

从谱图中可以看出该AuNPs 自组装结构基底用于冰毒检测亦具有较高的灵敏度,对冰毒水溶液的检测能达到100 ppb量级。

冰毒的指纹特征峰在谱图中也能清楚的被识别,其中1000 cm-1是冰毒分子苯环呼吸振动模式,1205 cm-1是phenyl-C伸缩,1028 cm-1是苯环上的C-H变形振动峰。

图4 不同浓度的冰毒水溶液基于便携式拉曼光谱仪和自组装AuNPs基底的SERS 检测
Fig.4 The SERS spectrogram of different concentrations of MAMP aqueous solution by use of the portable Raman spectrometer
3.4 人体尿液中不同浓度的冰毒基于便携式拉曼光谱仪的SERS检测
由于人体尿液易于采集,且有一定的通用性,因此对于涉毒人员尿液的检测具有一定的实际意义。

为了证实基于便携式拉曼光谱仪SERS检测人体尿液中不同浓度冰毒的可行性,本文首先选择正常人的尿液中加入冰毒样品来进行模拟检测研究,结果如图5所示。

图5中显示了以AuNPs自组装结构为基底,对尿液中不同浓度冰毒进行检测的SERS谱图,加入冰毒浓度分别为20 ppm,10 ppm,5 ppm,1 ppm和500 ppb,以及与尿液中不加冰毒的空白样品进行对比。

通过对比我们以看出,冰毒的指纹特征峰清晰可见(1001 cm-1、1205 cm-1、1028 cm-1),检出限能达到ppb数量级,检测的灵敏度较高,初步说明了人体尿液中不同浓度的冰毒基于便携式拉曼光谱仪的SERS检测的可行性。

图5 人体尿液中不同浓度的冰毒基于便携式拉曼光谱仪和自组装AuNPs基底的SERS检测
Fig.5 The SERS spectrogram of different concentrations of MAMP urine solution by use of the portable Raman spectrometer
3.5 疑似冰毒吸食人员尿液中毒品基于便携式拉曼光谱仪的SERS检测
安徽省公安厅缉毒部门采集并提供了5位疑似吸毒人员(A、B、C、D、E)的尿液,
我们利用AuNPs自组装结构基底并结合便携式拉曼光谱仪来对疑似涉毒人员的尿液进行SERS检测,结果如图6所示。

从图6的谱图中可以看出,冰毒的拉曼峰清晰
可见,说明5位疑似吸毒人员有吸食冰毒的重大嫌疑,亦表明基于AuNPs自组装结
构基底并结合便携式拉曼光谱仪用于涉毒现场快速检测的可行性[14]。

图6 疑似冰毒吸食人员尿液中毒品基于便携式拉曼光谱仪和自组装AuNPs基底的SERS检测
Fig.6 The SERS spectrogram of MAMP urine solution by use of the portable Raman spectrometer
4 结论
毒品的肆意发展已经严重地危害了人们的生活,毒品的肆意流通,不仅给个人带来伤害。

还破坏了家庭,给社会带来极大的危害,打击毒品犯罪,抑制毒品的流通,具有非常重要的意义。

本文使用便携式拉曼光谱仪结合可靠的SERS基底,具有分析速度快,
所需样品少及无损检测等优点,可用作涉毒现场的检测,为执法人员提供直接而有力
的证据。

我们采用经典的柠檬酸钠还原HAuCl4以及结合种子生长法合成了AuNPs,利用CTAB对其改性并进行组装。

通过AuNPs的透射电镜表征,我们可以
看出AuNPs排列紧密且形状均一,可以作为SERS的基底。

用探针分子CV对自组装结构AuNPs基底进行表征,其检出限能达到10-8 M,表明该基底具有较好的SERS效应。

本文用AuNPs自组装结构基底结合便携式拉曼光谱仪检测了不同浓
度的冰毒水溶液和尿液中不同浓度的冰毒溶液,检出限分别为100 ppb和500 ppb。

采集5位疑似吸毒人员的尿液并对其进行SERS检测,结果显示冰毒的指纹特征峰清晰可见,表明基于AuNPs自组装结构基底并结合便携式拉曼光谱仪用于涉毒现场快速检测的可行性。

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