孟娟,楊良保,張莉,唐祥虎*

(1.安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,合肥 230039;2.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031)

基于SERS技術(shù)快速實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)毒品檢測(cè)

孟娟1,2,楊良保2,張莉1*,唐祥虎2*

(1.安徽大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,合肥 230039;2.中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所,合肥 230031)

本文通過(guò)對(duì)尿液進(jìn)行前處理,實(shí)現(xiàn)了人體尿液中毒品快速分離和純化。并且,我們以自組裝的金納米棒為SERS基底對(duì)純化的尿樣進(jìn)行檢測(cè),結(jié)合便攜式拉曼光譜儀成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)尿液中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮的分析檢測(cè),具有很高的靈敏性。整個(gè)純化和檢測(cè)過(guò)程只需要～3.5 min,該方法方便、快捷,有望能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)吸毒人員尿樣中毒品的靈敏性檢測(cè)。

表面增強(qiáng)拉曼光譜；便攜式拉曼光譜儀；毒品檢測(cè)；尿液

1 引言

冰毒(methamphetamine,MAMP)、搖頭丸(3,4-methylenedioxy methamphetamine,MDMA)、甲卡西酮(methcathinone,MCAT)是現(xiàn)如今的新興合成類(lèi)毒品,毒品的濫用、成癮與流行,已成為當(dāng)今世界日益嚴(yán)峻的問(wèn)題。根據(jù)《2014年中國(guó)毒品形勢(shì)報(bào)告》,目前我國(guó)以冰毒、搖頭丸、甲卡西酮等為主的合成毒品濫用人員增長(zhǎng)迅速,吸毒的人員出現(xiàn)低齡化、多元化,且合成毒品濫用群體比例已經(jīng)超過(guò)海洛因。毒品打亂了社會(huì)和諧,破壞了家庭的穩(wěn)定。因此,對(duì)毒品的檢測(cè)和抑制具有非常重要的意義。常見(jiàn)的人體內(nèi)毒品檢材有血液、唾液、汗液、頭發(fā)和尿液等。但是由于生物檢材成分比較復(fù)雜,存在大量的干擾物,直接對(duì)其分析檢測(cè)有很大的難度。目前,常見(jiàn)的毒品檢測(cè)方法主要有氣相色譜法(GC)[1]、高效液相色譜法(HPLC)[2]、薄層層析法、氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[3]、液相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用法(HPLC-MS)[4]、膠體金法等分析方法。但這些檢測(cè)技術(shù)存在許多缺點(diǎn),如需要專業(yè)的人員進(jìn)行操作、檢測(cè)過(guò)程消耗時(shí)間長(zhǎng)、靈敏性差、易出現(xiàn)“假陽(yáng)性”、不能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等。因此,我們需要一種快速的、靈敏的能應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)毒品檢測(cè)的方法。

表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)自發(fā)現(xiàn)以來(lái)因其指紋特征、高靈敏性、水干擾小、高分辨率等優(yōu)勢(shì),常被作為一種很有前景的光譜工具。目前,SERS有著廣泛的分析和應(yīng)用,常被用于識(shí)別和檢測(cè)化學(xué)和生物種類(lèi)[5-6],以及在細(xì)胞、組織[7]和動(dòng)物水平上的分子成像和監(jiān)測(cè)[8]。此外,SERS技術(shù)在應(yīng)用表面分析方面也有著很大的進(jìn)步,例如在食品安全[9],探測(cè)爆炸物[10-11],以及農(nóng)產(chǎn)品內(nèi)的農(nóng)藥殘留檢測(cè)[12]、和生物檢材的毒品檢測(cè)等[13]。盡管SERS技術(shù)有眾多的優(yōu)點(diǎn),目前多使用大型傅里葉變換拉曼光譜儀,因其體積龐大,價(jià)格昂貴,應(yīng)用受到限制。而便攜式拉曼的出現(xiàn)彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)室大型拉曼的不足,它易于攜帶、價(jià)格便宜、靈敏性高,適合用于現(xiàn)場(chǎng)的毒品檢測(cè)。

本文中我們以組裝的金納米棒為SERS基底結(jié)合便攜式拉曼儀,對(duì)模擬現(xiàn)場(chǎng)吸毒人員的尿樣進(jìn)行純化處理后進(jìn)行檢測(cè)。該方法方便、快速,適用于苯丙胺類(lèi)的毒品的檢測(cè)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 金納米棒的制備

金納米棒的制備是基于Nikoobakht和El -Sayed報(bào)道的經(jīng)典的種子生長(zhǎng)法來(lái)合成的[14]。

種子液的制備：首先在28 ℃水浴條件下,將10 mL CTAB和0.05 mL 0.05 M氯金酸溶液在磁力攪拌下混合均勻。然后將0.60 mL 10 mM新制備并冰凍的硼氫化鈉溶液迅速地注入上述的混合物中,溶液的顏色迅速變?yōu)榻奂t色,停止攪拌,并置25 ℃恒溫水槽中,約十分鐘后溶液顏色褪為橙褐色,種子液制備完成以備用。

生長(zhǎng)液的制備：100 mL CTAB加入1.2 mL 0.008 M硝酸銀,然后用1 mL 2 M硝酸進(jìn)行酸化,再加入2 mL 0.05 mM的氯金酸和0.6 mL 0.1 M 抗壞血酸,最后溶液顏色為無(wú)色。

2.2 金納米棒的自組裝

首先,將適量的2×10-3M mPEG-SH聚合物加入到生長(zhǎng)好的Au納米棒的溶液中,并且在室溫

下攪拌10 h。其次,混合的溶液離心以去除多余的表面活性劑和聚合物,然后再分散在水中。最后,將離心后分散在水中的金納米棒自組裝到干凈的硅片上備用。

2.3 尿液中樣品的純化[15]

首先,在1.5 mL的離心管中加入人體尿液和特定的毒品溶液各0.5 mL來(lái)模擬真實(shí)的吸毒者尿液。接著向混合尿樣中加入100L 5 w % NaOH調(diào)整溶液pH。其次,再加入0.34 g NaCl固體至溶液飽和。最后,將100L環(huán)己烷作為萃取溶劑加入到混合溶液中,搖晃后靜置～1 min。

2.4 SERS測(cè)試

3 結(jié)果與討論

3.1 自裝金納米棒的表征

通過(guò)種子生長(zhǎng)法成功的合成了金納米棒,并且實(shí)現(xiàn)了自組裝。圖1是自組裝的金納米棒的表征圖。圖1A是自組裝金納米的掃描電鏡圖,可以看出自組裝金納米棒的排列緊密,縱向長(zhǎng)度約為65 nm,適合做SERS基底。圖1B是自組裝金納米棒的紫外—可見(jiàn)吸收光譜圖,在圖中我們可以看出,其LSPR峰為785 nm,這確保能夠與激發(fā)光為785 nm的便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)生共振,有利于提高SERS基底的靈敏性。

3.2 自組裝金納米棒基底的靈敏性

一個(gè)設(shè)計(jì)出的SERS基底是否滿足檢測(cè)的需要,首先要對(duì)其靈敏性進(jìn)行表征。通過(guò)常用的探針?lè)肿咏Y(jié)晶紫(crystal violet,CV)來(lái)檢測(cè)基底的靈敏性。取不同濃度的CV分子水溶液5L分別滴加到同一批次的自組裝金納米棒基底上,待其自然干燥后進(jìn)行SERS檢測(cè)。圖2以自組裝金納米棒為基底,采集的自上而下濃度分別為 10-6M,10-7M和 10-8M的 CV 分子的 SERS 譜圖[16-17]。從圖中可以看出當(dāng)CV的濃度為10-8M時(shí),CV分子的特征峰依然能夠分辨,說(shuō)明自組裝金納米棒基底能夠檢測(cè)到10-8M濃度的CV,具有較高的靈敏性。

Fig.1 Characteristic of self-assembled nanorods SEM image of self-assembled nanorods for AR=3.7 with LSPR at 785 nm (A) and UV-Vis absorbance spectrum of self-assembled nanorods (B)

Fig.2 SERS spectra of CV with concentrations of 10-6M,10-7M and 10-8M from top to bottom collected from self-assembled Au NRs

3.3 便攜式拉曼光譜儀檢測(cè)人體尿液中的毒品

通過(guò)以CV分子為探針,確定自組裝金納米棒基底具有良好的靈敏性。除了靈敏性,實(shí)用性也是檢測(cè)SERS基底的重要指標(biāo)之一。毒品的出現(xiàn)嚴(yán)重危害了社會(huì)的穩(wěn)定,我們需要建立一種能快速、靈敏的檢測(cè)毒品的方法。所以,我們以自組裝金納米棒為基底研究了人體尿樣中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮等苯丙胺類(lèi)毒品的SERS檢測(cè)。圖3是以自組裝金納米棒為基底分別檢測(cè)尿液中加入濃度為100 ppm,10 ppm和1 ppm冰毒的SERS譜圖,以尿樣中不加冰毒的尿樣萃取相為空白樣品。通過(guò)與空白樣的對(duì)比,冰毒的指紋特征峰可以清楚地被識(shí)別,1001 cm-1處的拉曼譜帶歸屬于冰毒分子苯環(huán)呼吸振動(dòng)模式,1205 cm-1屬于phenyl-C伸縮,1030 cm-1歸屬于苯環(huán)上的C-H變形,834 cm-1處的拉曼譜帶為異丙基的C-C伸縮振動(dòng)模式[15]。其中最容易識(shí)別的是1000 cm-1處的拉曼譜帶。我們對(duì)冰毒的最低檢測(cè)濃度達(dá)到1 ppm,表明該金納米棒自組裝基底具有優(yōu)異的SERS活性。

Fig.3 SERS spectra of MAMPwith concentrations of 100 ppm,10 ppm,and 1 ppm in human urine by the use of self-assembled Au NRs

同樣,以自組裝金納米棒為基底對(duì)毒品搖頭丸和甲卡西酮的SERS檢測(cè)進(jìn)行了探究。如圖4和圖5所示,分別為搖頭丸和甲卡西酮的SERS檢測(cè)圖譜,對(duì)于搖頭丸,713 cm-1歸屬為C-C-C的變形振動(dòng),810 cm-1歸屬為O-C-C-O的對(duì)稱伸縮振動(dòng),938 cm-1歸屬為C-O-C的變形振動(dòng),1250 cm-1歸屬為芳環(huán)C-H彎曲振動(dòng),1630 cm-1歸屬為苯環(huán)C=C的伸縮振動(dòng)模式[18]。1000 cm-1、1028 cm-1、1162 cm-1、1242 cm-1、1595 cm-1和1688 cm-1是甲卡西酮特征指紋峰[19-20]。其中冰毒和甲卡西酮的指紋峰很相似,都在1000 cm-1和1028 cm-1處有特征峰。1205 cm-1可以作為判斷為冰毒區(qū)別于甲卡西酮的指紋峰,而1242 cm-1和1688 cm-1可以作為甲卡西酮區(qū)別于冰毒的特征指紋峰。通過(guò)圖4和圖5可以看出,我們對(duì)搖頭丸和甲卡西酮的檢出限分別達(dá)到5 ppm和0.1 ppm?；谝陨涎芯?通過(guò)對(duì)冰毒、搖頭丸和甲卡西酮的檢測(cè)限進(jìn)行比較,我們還可以發(fā)現(xiàn),該方法對(duì)甲卡西酮的檢出限最低,可以達(dá)到0.1 ppm,對(duì)冰毒的檢測(cè)限可以達(dá)到1 ppm,而對(duì)搖頭丸的檢出限相對(duì)較高,為5 ppm,這可能是由于不同毒品的分子結(jié)構(gòu)以及與基底表面作用差異造成的。

Fig.4 SERS spectra of MDMA with concentrations of 100 ppm,10 ppm,and 5 ppm in human urine by the use of self-assembled Au NRs

Fig.5 SERS spectra of MCAT with concentrations of 100 ppm,10 ppm,1 ppm and 100 ppb in human urine by the use of self-assembled Au NRs

4 結(jié)論

本文利用mPEG-SH實(shí)現(xiàn)了金納米棒自組裝,用CV探針?lè)肿訖z測(cè)分析表明自組裝金納米棒作為SERS基底具有很高的靈敏性,其檢出限達(dá)到10-8M。通過(guò)前處理法對(duì)尿液中的毒品進(jìn)行純化、萃取,并用自組裝金納米棒為基底在便攜式拉曼光譜儀上成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)尿液中冰毒、搖頭丸、甲卡西酮的分析檢測(cè),其檢出限分別為1 ppm,5 ppm和0.1 ppm。整個(gè)純化和檢測(cè)過(guò)程只需要～3.5 min。因此,該自組裝金納米棒SERS基底結(jié)合尿液前處理方法可以方便、快速實(shí)現(xiàn)苯丙胺類(lèi)毒品的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè),為SERS技術(shù)在刑偵領(lǐng)域的推廣應(yīng)用提供了參考。

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Rapid Detection Drugs in Urine by Surface-Enhanced Raman Spectroscopy

MENG Juan1,2,YANG Liang-bao2,ZHANG Li1*,TANG Xiang-hu2*

(1.CollegeofChemistyandChemicalEngineer,AnhuiUniversity,Hefei230601,China;2.InstituteofIntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei20031,China)

The drugs was rapidly separated and purified in human urine sample by pretreatment.Furthermore,the self-assembled gold nanorods were used as the substrate to detect the drugs in real purifiedhuman urine byportable Raman spectrometer.It was found that our substrate present excellent sensitivity of methamphetamine (MAMP),3,4-methylenedioxy-methamphetamine (MDMA) and methcathinone(MCAT) detection.The whole process of the purified and detected procedure can be completed in ～3.5 min.Therefore,our platform for detecting drugs promises a great prospective towards a rapid,reliable and on-spot detection method.

SERS;portable Raman spectrometer;drugs detection;urine

2015-11-02; 修改稿日期:2015-11-23

國(guó)家自然科學(xué)基金 (20871089,21271136)

孟娟(1991-),女,碩士.E-mail:mengjuan0558@163.com

張莉,E-mail:zhlisuzh@163.com；唐祥虎,E-mail:tangxh2011@iim.cas.cn

1004-5929(2016)04-0297-05

O657.37

A

10.13883/j.issn1004-5929.201604005