基于SERS技术快速实现现场毒品检测

孟娟,杨良保,张莉,唐祥虎*

(1.安徽大学化学化工学院,合肥 230039;2.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥 230031)

基于SERS技术快速实现现场毒品检测

孟娟1,2,杨良保2,张莉1*,唐祥虎2*

(1.安徽大学化学化工学院,合肥 230039;2.中国科学院合肥智能机械研究所,合肥 230031)

本文通过对尿液进行前处理,实现了人体尿液中毒品快速分离和纯化。并且,我们以自组装的金纳米棒为SERS基底对纯化的尿样进行检测,结合便携式拉曼光谱仪成功实现了对尿液中冰毒、摇头丸、甲卡西酮的分析检测,具有很高的灵敏性。整个纯化和检测过程只需要～3.5 min,该方法方便、快捷,有望能实现现场对吸毒人员尿样中毒品的灵敏性检测。

表面增强拉曼光谱；便携式拉曼光谱仪；毒品检测；尿液

1 引言

冰毒(methamphetamine,MAMP)、摇头丸(3,4-methylenedioxy methamphetamine,MDMA)、甲卡西酮(methcathinone,MCAT)是现如今的新兴合成类毒品,毒品的滥用、成瘾与流行,已成为当今世界日益严峻的问题。根据《2014年中国毒品形势报告》,目前我国以冰毒、摇头丸、甲卡西酮等为主的合成毒品滥用人员增长迅速,吸毒的人员出现低龄化、多元化,且合成毒品滥用群体比例已经超过海洛因。毒品打乱了社会和谐,破坏了家庭的稳定。因此,对毒品的检测和抑制具有非常重要的意义。常见的人体内毒品检材有血液、唾液、汗液、头发和尿液等。但是由于生物检材成分比较复杂,存在大量的干扰物,直接对其分析检测有很大的难度。目前,常见的毒品检测方法主要有气相色谱法(GC)[1]、高效液相色谱法(HPLC)[2]、薄层层析法、气相色谱—质谱联用法(GC-MS)[3]、液相色谱—质谱联用法(HPLC-MS)[4]、胶体金法等分析方法。但这些检测技术存在许多缺点,如需要专业的人员进行操作、检测过程消耗时间长、灵敏性差、易出现“假阳性”、不能应用于现场检测等。因此,我们需要一种快速的、灵敏的能应用于现场毒品检测的方法。

表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)自发现以来因其指纹特征、高灵敏性、水干扰小、高分辨率等优势,常被作为一种很有前景的光谱工具。目前,SERS有着广泛的分析和应用,常被用于识别和检测化学和生物种类[5-6],以及在细胞、组织[7]和动物水平上的分子成像和监测[8]。此外,SERS技术在应用表面分析方面也有着很大的进步,例如在食品安全[9],探测爆炸物[10-11],以及农产品内的农药残留检测[12]、和生物检材的毒品检测等[13]。尽管SERS技术有众多的优点,目前多使用大型傅里叶变换拉曼光谱仪,因其体积庞大,价格昂贵,应用受到限制。而便携式拉曼的出现弥补了实验室大型拉曼的不足,它易于携带、价格便宜、灵敏性高,适合用于现场的毒品检测。

本文中我们以组装的金纳米棒为SERS基底结合便携式拉曼仪,对模拟现场吸毒人员的尿样进行纯化处理后进行检测。该方法方便、快速,适用于苯丙胺类的毒品的检测。

2 实验部分

2.1 金纳米棒的制备

金纳米棒的制备是基于Nikoobakht和El -Sayed报道的经典的种子生长法来合成的[14]。

种子液的制备：首先在28 ℃水浴条件下,将10 mL CTAB和0.05 mL 0.05 M氯金酸溶液在磁力搅拌下混合均匀。然后将0.60 mL 10 mM新制备并冰冻的硼氢化钠溶液迅速地注入上述的混合物中,溶液的颜色迅速变为桔红色,停止搅拌,并置25 ℃恒温水槽中,约十分钟后溶液颜色褪为橙褐色,种子液制备完成以备用。

生长液的制备：100 mL CTAB加入1.2 mL 0.008 M硝酸银,然后用1 mL 2 M硝酸进行酸化,再加入2 mL 0.05 mM的氯金酸和0.6 mL 0.1 M 抗坏血酸,最后溶液颜色为无色。

2.2 金纳米棒的自组装

首先,将适量的2×10-3M mPEG-SH聚合物加入到生长好的Au纳米棒的溶液中,并且在室温

下搅拌10 h。其次,混合的溶液离心以去除多余的表面活性剂和聚合物,然后再分散在水中。最后,将离心后分散在水中的金纳米棒自组装到干净的硅片上备用。

2.3 尿液中样品的纯化[15]

首先,在1.5 mL的离心管中加入人体尿液和特定的毒品溶液各0.5 mL来模拟真实的吸毒者尿液。接着向混合尿样中加入100L 5 w % NaOH调整溶液pH。其次,再加入0.34 g NaCl固体至溶液饱和。最后,将100L环己烷作为萃取溶剂加入到混合溶液中,摇晃后静置～1 min。

2.4 SERS测试

3 结果与讨论

3.1 自装金纳米棒的表征

通过种子生长法成功的合成了金纳米棒,并且实现了自组装。图1是自组装的金纳米棒的表征图。图1A是自组装金纳米的扫描电镜图,可以看出自组装金纳米棒的排列紧密,纵向长度约为65 nm,适合做SERS基底。图1B是自组装金纳米棒的紫外—可见吸收光谱图,在图中我们可以看出,其LSPR峰为785 nm,这确保能够与激发光为785 nm的便携式拉曼光谱仪产生共振,有利于提高SERS基底的灵敏性。

3.2 自组装金纳米棒基底的灵敏性

一个设计出的SERS基底是否满足检测的需要,首先要对其灵敏性进行表征。通过常用的探针分子结晶紫(crystal violet,CV)来检测基底的灵敏性。取不同浓度的CV分子水溶液5L分别滴加到同一批次的自组装金纳米棒基底上,待其自然干燥后进行SERS检测。图2以自组装金纳米棒为基底,采集的自上而下浓度分别为 10-6M,10-7M和 10-8M的 CV 分子的 SERS 谱图[16-17]。从图中可以看出当CV的浓度为10-8M时,CV分子的特征峰依然能够分辨,说明自组装金纳米棒基底能够检测到10-8M浓度的CV,具有较高的灵敏性。

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 便携式拉曼光谱仪检测人体尿液中的毒品

通过以CV分子为探针,确定自组装金纳米棒基底具有良好的灵敏性。除了灵敏性,实用性也是检测SERS基底的重要指标之一。毒品的出现严重危害了社会的稳定,我们需要建立一种能快速、灵敏的检测毒品的方法。所以,我们以自组装金纳米棒为基底研究了人体尿样中冰毒、摇头丸、甲卡西酮等苯丙胺类毒品的SERS检测。图3是以自组装金纳米棒为基底分别检测尿液中加入浓度为100 ppm,10 ppm和1 ppm冰毒的SERS谱图,以尿样中不加冰毒的尿样萃取相为空白样品。通过与空白样的对比,冰毒的指纹特征峰可以清楚地被识别,1001 cm-1处的拉曼谱带归属于冰毒分子苯环呼吸振动模式,1205 cm-1属于phenyl-C伸缩,1030 cm-1归属于苯环上的C-H变形,834 cm-1处的拉曼谱带为异丙基的C-C伸缩振动模式[15]。其中最容易识别的是1000 cm-1处的拉曼谱带。我们对冰毒的最低检测浓度达到1 ppm,表明该金纳米棒自组装基底具有优异的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

同样,以自组装金纳米棒为基底对毒品摇头丸和甲卡西酮的SERS检测进行了探究。如图4和图5所示,分别为摇头丸和甲卡西酮的SERS检测图谱,对于摇头丸,713 cm-1归属为C-C-C的变形振动,810 cm-1归属为O-C-C-O的对称伸缩振动,938 cm-1归属为C-O-C的变形振动,1250 cm-1归属为芳环C-H弯曲振动,1630 cm-1归属为苯环C=C的伸缩振动模式[18]。1000 cm-1、1028 cm-1、1162 cm-1、1242 cm-1、1595 cm-1和1688 cm-1是甲卡西酮特征指纹峰[19-20]。其中冰毒和甲卡西酮的指纹峰很相似,都在1000 cm-1和1028 cm-1处有特征峰。1205 cm-1可以作为判断为冰毒区别于甲卡西酮的指纹峰,而1242 cm-1和1688 cm-1可以作为甲卡西酮区别于冰毒的特征指纹峰。通过图4和图5可以看出,我们对摇头丸和甲卡西酮的检出限分别达到5 ppm和0.1 ppm。基于以上研究,通过对冰毒、摇头丸和甲卡西酮的检测限进行比较,我们还可以发现,该方法对甲卡西酮的检出限最低,可以达到0.1 ppm,对冰毒的检测限可以达到1 ppm,而对摇头丸的检出限相对较高,为5 ppm,这可能是由于不同毒品的分子结构以及与基底表面作用差异造成的。

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 结论

本文利用mPEG-SH实现了金纳米棒自组装,用CV探针分子检测分析表明自组装金纳米棒作为SERS基底具有很高的灵敏性,其检出限达到10-8M。通过前处理法对尿液中的毒品进行纯化、萃取,并用自组装金纳米棒为基底在便携式拉曼光谱仪上成功实现了对尿液中冰毒、摇头丸、甲卡西酮的分析检测,其检出限分别为1 ppm,5 ppm和0.1 ppm。整个纯化和检测过程只需要～3.5 min。因此,该自组装金纳米棒SERS基底结合尿液前处理方法可以方便、快速实现苯丙胺类毒品的现场检测,为SERS技术在刑侦领域的推广应用提供了参考。

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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

国家自然科学基金 (20871089,21271136)

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

张莉,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