微流控芯片–表面增强拉曼光谱法快速测定污水中氯胺酮

常颖，赵阳，高利生

(公安部物证鉴定中心，北京 100038)

氯胺酮(俗称K 粉)是常见的毒品之一，人服用后会产生意识与感觉分离，导致神经中毒和精神分裂，出现幻觉、运动功能障碍等症状，同时对记忆和思维能力造成严重损害。人吸食毒品后，氯胺酮会随人体代谢排入生活污水中。通过对一定区域内生活污水中氯胺酮进行检测分析，即可获得该区域内毒品滥用情况的代表性数据并进行溯源，进而为公安缉毒部门主动出击、有的放矢打击毒品犯罪提供可靠情报数据。

目前检测氯胺酮的方法主要有液相色谱–质谱联用法、气相色谱–质谱联用法、气相色谱法以及红外光谱法等［1–2］。由于污水中氯胺酮含量较低，现有分析方法大多需要复杂的前处理过程，以提高样品的分析浓度。表面增强拉曼光谱(SERS)法具有仪器便于携带、检测速度快、灵敏度高、能提供分子指纹信息等特点，适合现场快速检测，已广泛用于食品中非法添加剂、农兽药残留、肉类品质以及保健品中非法添加物等的快速检测［3–5］。然而在实际应用中，由于其增强效果持续时间短，往往只持续数十秒，制约其用于定量分析。针对上述问题，笔者设计了一套微流控联用检测平台，将其与表面增强拉曼光谱进行联用，实现被测样品与表面增强试剂在微流控通路内的混合，进而建立了微流控芯片–表面增强拉曼光谱快速检测污水中氯胺酮的分析方法［6–16］。该方法仪器设备体积小、便于携带，检测成本低，首次实现了污水、河道水中氯胺酮的现场、快速测定，有望实现社区毒情在线监测，为公安禁毒部门提供一线的情报参考信息。

1 实验部分

1.1 主要仪器与试剂

便携式拉曼光谱仪：Polaris-R80 型，普拉瑞思科学仪器(苏州)有限公司；

高精度蠕动泵：PL–B4 型，普拉瑞思科学仪器(苏州)有限公司；

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

超纯水机：Milli-Q Academic 型，美国密理博 公司；

氯胺酮标准溶液：(1.00±0.03) mg／mL，公安部物证鉴定中心；

乙腈、环己烷、乙酸乙酯、正己烷、二氯甲烷、乙醚：色谱纯，北京国药集团化学试剂有限公司；

氯化钠、氢氧化钠、盐酸、硫酸、硝酸：分析纯，北京国药集团化学试剂有限公司；

氯金酸钾：金含量不小于52.0%，南京森贝伽生物科技有限公司；

柠檬酸三钠：含量为99%，北京百灵威科技有限公司；

污水样品：取自北京某污水处理厂进水口细格栅后污水；

实验用水为超纯水。

1.2 微流控芯片设计

微流控芯片示意图如图1 所示，采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)材质，该类型材质兼容性能好，溶出物少，柔韧度高，适合于现场使用。芯片尺寸为6 cm×2.5 cm，设计有3 个进样口，1 个检测口及S 型样本混匀通道。通道直径为200 μm，保证在适当流速下样品混合均匀，反应充分。拉曼光谱–微流控联用检测平台示意图如图2 所示。

图1 微流控芯片示意图

图2 拉曼光谱–微流控联用检测平台示意图

1.3 仪器工作条件

（1）拉曼光谱仪。激光功率：200 mW；检测时间：5 s；采集次数：2 次；平滑系数：2；谱图设置：自动平滑和自动基线。

（2）蠕动泵。正相旋转，流量：0.3 mL／min；3通道。

1.4 溶液配制

氯金酸钾水溶液：质量分数为1%，准确称取1 g 氯金酸钾固体，加入99 g 超纯水溶解，摇匀，于4℃冰箱中冷藏备用。

柠檬酸三钠水溶液：质量分数为1%，准确称取1 g 柠檬酸三钠盐固体，加入99 g 超纯水溶解，摇匀，于4℃冰箱中冷藏备用。

胶体金溶液：向已清洗干净的三口烧瓶中加入1 mL 氯金酸钾水溶液，99 mL 超纯水，于磁力搅拌下加热，待溶液开始沸腾时(开始有气泡产生)，迅速加入适量体积的柠檬酸三钠水溶液，待其变色后继续加热30 min，得红色胶体金溶液［17］，冷却至室温备用。

系列氯胺酮标准工作溶液：分别移取适量的氯胺酮标准溶液，用超纯水逐级稀释，配制成氯胺酮的质量浓度分别为10，7.5，5.0，2.5，1.0，0.5 μg／mL的系列氯胺酮标准工作溶液。

1.5 实验方法

1.5.1 样品预处理

取20 mL 污水样品，加入0.6 mL 质量浓度为2 mol／L 的氢氧化钠溶液，5 mL 乙酸乙酯，振荡后离心或静置待其分层，取上层清液至另一离心管中，然后进行二次萃取，合并两次的萃取上清液，加入1 mL 质量浓度为0.1 mol／L 的盐酸溶液反萃取，离心10 s，下层酸液转移到进样瓶中，待测。

1.5.2 样品测定

将微流控芯片、进样针、进样管、拉曼光谱仪检测探头分别固定到位，调整焦距，在1.2 仪器工作条件下，控制胶体金溶液、待测样品液、促凝剂流量比为1∶1∶1，进样测定。图3 所示为微流控芯片检测模块结构示意图，右侧为3 个进样孔，分别连接进样针和进样管；左侧为检测孔，正上方为调整焦距的拉曼光谱仪探头，启动软件后采集拉曼光谱，检测结束后，废液导流，进样装置清洗干净后可重复使用。

图3 微流控芯片检测模块结构示意图

2 结果与讨论

2.1 氯胺酮定性分析

按照1.5.2 方法分别对质量浓度为10 μg／mL的氯胺酮标准溶液和空白溶液进行测定，氯胺酮标准溶液及空白溶液的拉曼光谱图如图4 所示。

图4 氯胺酮标准溶液及空白溶液的拉曼光谱图

由图4 可以看出，经增强检测后的指纹特征峰在谱图中能清楚识别，在450，595，654，768，1 048 cm–1处有峰，其中较为明显的654 cm–1为邻位取代的伸缩振动，1 048 cm–1为邻–双取代苯的伸缩 振动。

2.2 促凝剂选择

在SERS 检测中，促凝剂主要作用是使目标分子与纳米粒子吸附在一起，改变纳米金增强基底聚集状态，从而改变SERS 信号。分别考察质量浓度为0.1 mol／L的氯化钠溶液、氯化钾溶液、盐酸溶液、硫酸溶液、硝酸溶液等多种离子态促凝剂，结果如图5 所示。由图5 可以看出，当促凝剂为0.1 mol／L 氯化钠溶液时，特征峰强度最大，因而选用0.1 mol／L氯化钠溶液作为促凝剂。

图5 不同促凝剂时氯胺酮标准溶液的拉曼光谱图

2.3 提取试剂及萃取试剂选择

按照1.5.1 方法，其它实验条件不变，分别考察乙酸乙酯、环己烷、正己烷、二氯甲烷、乙腈5 种试剂的提取效果，结果如图6 所示。由图6 可以看出，用乙腈提取时分层步骤复杂，且杂质较多；正己烷、环己烷、二氯甲烷提取效果稍好；乙酸乙酯提取效率最高，且伴生杂质较少，因此确定最佳提取试剂为乙酸乙酯。

图6 不同提取试剂时氯胺酮标准溶液的拉曼光谱图

按照1.5.1 方法，固定其它实验条件，分别考察硫酸、盐酸、硝酸3 种反萃取试剂萃取效果，结果如图7 所示。由图7 可以看出，盐酸萃取效果稍好于硫酸和硝酸，且盐酸浓度为0.1 mol／L 时萃取效果最好，故确定最佳萃取试剂为0.1 mol／L 盐酸。

图7 不同萃取试剂时氯胺酮标准溶液的拉曼光谱图

2.4 拉曼特征峰选择

按照1.5.2 方法，分别对不同浓度的氯胺酮标准溶液进行测定，结果如图6 所示。由图6 可以看出，氯胺酮在654 和1048 cm–1处的特征拉曼峰，对样品的分析不产生干扰；随着氯胺酮溶液浓度的降低，其拉曼特征峰也在不断减弱；当氯胺酮溶液浓度为500 ng／mL 时，仍然可明显观察到氯胺酮的特征拉曼谱峰，表明SERS 在氯胺酮的检测中有较高的检测灵敏度。利用邻位取代伸缩振动特征峰(654 cm–1)的强度，对氯胺酮可进行定量分析。

图8 污水中不同浓度氯胺酮溶液的拉曼光谱图

2.5 线性方程与检出限

按照1.5.2 方法，对1.4 中的系列氯胺酮标准工作溶液进行测定，以氯胺酮的质量浓度（X）为横坐标，以对应的拉曼特征峰强度（Y）为纵坐标，绘制标准工作曲线，计算得线性方程为Y=1 116.8X+268.81，相关系数为0.996 3。

以3 倍信噪比对应的浓度作为方法检出限，则该方法检出限为250 ng／mL。

2.6 精密度试验

移取污水样品，按照1.5.1 方法处理6 份样品，在1.2 仪器工作条件下进行测定，选取654 cm–1处的特征峰，记录拉曼峰强度，结果见表1。由表1 可知，6 次测定结果的相对标准偏差为3.3%，表明该方法具有较好的精密度。

表1 精密度试验结果

2.7 加标回收试验

移取适量已知氯胺酮浓度的污水样品，加入一定浓度的氯胺酮标准溶液，按1.5 实验方法进行测定，结果见表2。由表2 可知，氯胺酮的回收率为95.8%，表明该方法具有较高的准确度，满足测定 要求。

表2 准确度试验数据

3 结语

建立了微流控芯片和表面增强拉曼光谱联用法快速检测环境样品中氯胺酮的方法。在碱性条件下选取乙酸乙酯为提取试剂，盐酸为萃取试剂，利用拉曼表面增强试剂对样品中的氯胺酮拉曼光谱信号进行增强，进而对环境样品中低浓度的氯胺酮进行检测。该方法适用于污水、地表水、河道水等环境样品中低浓度违禁氯胺酮的检测，检出限为250 ng／mL。该方法具有检出限低、分析范围广、操作方便简单、分析速度快等特点，可用于氯胺酮等毒品现场快速检测。