“仪器分析实验”开放性实验设计及实践

渠陆陆 张迎弟 戴诗雨

（江苏师范大学化学与材料科学学院 江苏徐州 221116）

仪器分析实验是为化学专业学生开设的一门专业必修课，通过实验操作可以巩固学生对仪器分析中涉及的仪器理论知识的理解[1]，掌握仪器的基本原理及应用范围，为培养学生的创新能力和科研思维奠定基础。目前，仪器分析实验课程内容大多集中于验证性实验，这种实验方式虽然在一定程度上可以增强学生对基础知识的理解和运用，但是在培养学生创新能力、激发学生科学研究兴趣上有所欠缺[2]。开放性研究实验则可以很好地解决这个问题，同时还能做到让科研带动本科教学、促进实验室的建设。

拉曼光谱是用于研究分子结构的一种强大的表征方法，但是由于只有少数光子被拉曼散射，通常拉曼光谱信号强度较弱，这极大地限制了拉曼光谱的应用。1974 年，英国科学家发现粗糙的银电极表面能够极大地增强吡啶分子的拉曼信号，并将这种表面增强效应称为表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）[3]。SERS 技术作为一种可以提供分子指纹信息的技术，具有检测灵敏度高、干扰小、检测速度快等优点，并且在环境污染分析、生物传感等领域得到了广泛应用[4]。但是本科生所使用的仪器分析教材大多对于拉曼、SERS 的介绍较少，教师对于这部分内容的讲解也并不深入，而且由于拉曼仪器昂贵、SERS 信号重现性差等问题，导致很多高校在本科生教学中并未开展实验教学环节。因此，许多学生要么对拉曼一知半解，要么对拉曼光谱的理解仅仅停留在枯燥的书本知识上。在这样的情况下，将拉曼相关实验引入本科教学的开放性实验中显得尤为重要，这不仅可以将理论知识与科研知识密切结合，并将理论应用于实践，还可以以此培养学生浓厚的科研兴趣和创新思维。

基于此，本文通过化学还原法制备银纳米颗粒，结合便携式拉曼光谱仪对制备的纳米颗粒的SERS 性能进行分析。通过对比罗丹明6G 溶液的拉曼光谱和SERS 光谱，让学生深入理解银纳米颗粒对增强的作用。以氯化钠为团聚剂，考察纳米颗粒加入团聚剂前后颜色变化和SERS 信号的变化。将银纳米颗粒与不同浓度的罗丹明6G 混合，探究此时SERS 对罗丹明6G 的检测能力，加深学生对SERS 技术的理解。将该实验应用于本科生的开放式实验，不仅可以改善本科生对SERS认识层次较低的现状，增强学生对拉曼和SERS 基本原理的掌握，还可以提高本科生的实验操作技能和科研技能，培养学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力。

一、实验目的

该实验课程可以作为化学专业本科生仪器分析和设计性实验的桥梁，学习目标如下：

（一）了解拉曼及SERS 的原理；

（二）了解团聚剂对于信号增强的作用；

（三）掌握银纳米颗粒的合成原理和步骤；

（四）通过检测不同浓度罗丹明6G 的信号强度来提高实验操作、解决实际问题、分析问题的能力，增强对SERS 技术的理解和运用。

二、实验环节

该实验旨在帮助本科生将课本上的拉曼光谱理论与实际操作中的动手实践能力相结合，将理论应用于实践，同时在实践中巩固理论。实验环节主要包括以下部分：首先，回顾拉曼光谱和SERS 的基础理论知识，学习拉曼实验操作技能；其次，引导学生提出研究计划；再次，学生进行实验，在实验期间学生可以多次实验验证其可行性，同时查阅文献解决实验中到的问题；最后，实验结果分析与讨论，学生撰写实验报告。在此实验中，对参与学生进行分组，每组同学为3—5 人，实验时间为5 小时。

三、实验部分

（一）试剂

硝酸银、柠檬酸钠、罗丹明6G 和氯化钠均是从上海阿拉丁生化科技股份有限公司购得。实验中使用到的水是电导率为18 MΩ·cm 的超纯水。所有的化学试剂均为分析纯且使用前未经进一步纯化。

（二）仪器

实验所用的拉曼光谱仪为美国必达泰克公司的BWS415型便携式激光拉曼光谱仪，激发波长为785nm，光谱分辨率为5cm-1，拉曼光谱仪光纤约为1.5m，便于提供现场简易检测。在未特殊说明下，实验过程使用的光谱采集时间为10s，激光能量为10mW。

（三）银纳米胶体的制备

将0.018g 硝酸银溶解在100mL 的超纯水中，在磁力搅拌下将溶液加热至微沸，然后向溶液中逐滴加入2mL 的1.0%（wt）的柠檬三酸钠溶液，继续保持溶液微沸10min，待溶液冷却至室温得到灰色银纳米颗粒胶体。

（四）拉曼和SERS 检测

配制50mL 罗丹明6G 母液，浓度为10-4mol·L-1。用移液枪移取10 μL10-4mol·L-1的罗丹明6G 溶液，滴加在硅片上，检测其拉曼信号。将10μL 罗丹明6G 溶液和10 μL 银纳米胶体混合滴加在硅片上，然后采集SERS 信号，通过该过程对比拉曼和SERS 信号的差异。

（五）团聚剂对SERS 信号的影响检测

用超纯水配制10-7mol·L-1的罗丹明6G 溶液，移取溶液与银纳米胶体混合，采集拉曼增强信号。然后往混合体系中加入0.3 mol·L-1的氯化钠溶液，对比前后采集的拉曼信号。

（六）SERS 对罗丹明6G 的灵敏度检测

用超纯水配制不同浓度的罗丹明6G 溶液，浓度范围为10-5mol·L-1—10-9mol·L-1。分别移取10μL 溶液与10μL 银纳米胶体混合滴加在硅片上，然后加入氯化钠溶液，采集SERS信号。

四、结果和讨论

该开放性实验具体包括三个阶段。第一阶段是记录罗丹明6G 的拉曼光谱和SERS 光谱；第二个阶段是考察团聚剂对SERS 光谱强度的影响；第三个阶段证明SERS 在罗丹明6G分析中的检测性能。

（一）拉曼光谱和SERS 光谱对比

实验过程中，我们选择罗丹明6G 作为探针分子，因为该试剂价格便宜又能产生可重现的SERS 光谱，显示许多容易区分的振动带。为了让学生深入体验到SERS 与拉曼光谱对比在检测分析中的增强能力，该实验首先对比了罗丹明6G 的拉曼光谱和SERS 光谱。实验采集了在不加入银纳米颗粒的情况下10-4mol·L-1的罗丹明6G 溶液的拉曼信号，获得的为一条平滑的曲线，没有采集到拉曼谱峰。当将罗丹明6G 和银纳米颗粒胶体混合后，检测到罗丹明6G 明显的拉曼增强信号。这主要是由于罗丹明6G 吸附在银纳米颗粒表面，其信号被放大，从而获得增强的信号。

（二）SERS 检测中的影响因素

金属溶胶作为SERS 增强基底时，通常会往混合体系中加入适量的团聚剂，以促使纳米颗粒适度团聚，从而获得较佳的增强效果。研究表明，氯化钠为常见的团聚剂，其能够破坏银纳米颗粒表面的电荷平衡从而诱导纳米颗粒团聚[5]。因此，实验考察了有和无团聚剂存在下的罗丹明6G 的SERS 光谱。从图2 可以发现加入团聚剂后获得的信号强度约为没有加入团聚剂下信号强度的3 倍，说明团聚剂的存在使得纳米粒子之间的间隙满足因表面等离子体共振作用产生的“热点”，从而可以获得较强的信号。

（三）SERS 对罗丹明6G 的检测灵敏度

实验开始之前，给学生布置查阅文献的作业，确定之前报道的工作中该技术对罗丹明6G 的最低检测浓度，以给后续的实验提供基本的指导。并且要求学生通过记录约1359cm-1处的特征峰出现的浓度，来判断银纳米颗粒基于的SERS 技术对罗丹明6G 的检测能力。

实验将不同浓度的罗丹明6G 溶液与银纳米胶体混合，然后向混合体系中加入1 μL 氯化钠溶液，随即采集SERS 光谱。结果发现，在浓度范围10-6mol·L-1到10-9mol·L-1内，随着罗丹明6G 的浓度降低，SERS 信号强度逐渐降低。即使浓度低至10-9mol·L-1，罗丹明6G 的光谱特征也可以被明显识别，其中611 cm-1、771 cm-1和1125 cm-1处的特征谱峰分别归属于C-C 环面内、面外弯曲振动和C-H 面内弯曲振动，1359 cm-1、1509 cm-1和 1648 cm-1，的特征谱峰均来源于芳香族C-C 伸缩模式[6]。当罗丹明6G 在较高浓度下（从10-6到10-5mol·L-1），随着浓度的增加，SERS 响应强度基本保持不变，主要是由于银纳米颗粒表面的增强位点完全被吸附的罗丹明6G 分子占据而导致的。上述结果说明SERS 作为一项高灵敏的分析技术，结合增强基底，可以检测低至10-9mol·L-1的分析物。

五、危害及安全防范措施

在拉曼光分析过程中，护目镜是强制使用的，可以避免眼睛直接接触激光。硝酸银有毒且具有刺激性，与皮肤和眼睛接触会导致灼伤，使用中要多加注意。制备的罗丹明6G 溶液浓度较低，因此只需采用标准的化学品处理预防措施比如穿戴实验服、防护眼镜和手套即可，实验过程中不需要采用特别的预防措施。

结语

该开放性实验合成了银纳米材料，结合便携式拉曼光谱仪实现了对低浓度罗丹明6G 的分析。实验的成功实施可以加强学生对纳米化学和拉曼光谱基础知识的理解，引导本科生意识到使用纳米增强材料获得SERS 信号的重要性，并对其影响因素进行深入了解。实验过程中无须耗时的样品制备和处理过程，即可对低浓度溶液进行快速的 SERS 分析；同时，通过让学生自主查阅文献，对实验过程中遇到的现象和SERS谱峰进行分析，培养学生应用现代信息技术解决综合应用问题的能力。该开放性实验检测快速，无毒无污染，非常适合化学专业的学生开展实验操作，培养他们自主设计实验、分析问题和解决问题的综合能力。