金溶胶基底结合表面拉曼光谱法的重金属检测试验

李娜 李杰

摘 要： 针对保健品中重金属检测存在检测范围窄的问题，提出金溶胶基底改性结合表面拉曼光谱法检测保健品中重金属元素。试验首先优化了金溶胶基底的制备工艺并对其进行改性，然后对改性后金溶胶基底重金属检测性能进行检测。结果表明：金溶胶基底制备工艺优化结果：选择1.5 mL柠檬酸钠为还原剂，还原剂与四氯合金酸的摩尔比为2，pH值为4，反应时间为18 min。优化后金溶胶基底对重金属离子具备良好的响应效果。经过4-MBA 醇溶液改性后，基底对重金属特征峰的响应得到增强，在 0.5～100 mg/L的浓度范围内，重金属离子拉曼光谱峰强-浓度线性拟合相关系数R2均超过0.999 5，表现出良好的相关性。

关键词： 重金属检测；金溶胶基底；拉曼光谱增强；保健品检测

中图分类号： TQ427.2+5

文献标志码： A  文章编号： 1001-5922（2023）08-0138-04

Detection of heavy metals by Raman spectroscopy on gold sol

substrate bonding surface

LI Na1，LI Jie2

（1.Yunnan Provincial Food and Drug Inspection Center，Kunming 650032，China；

2.Henan Electromechanical Vocational College，Zhengzhou 451191，China）

Abstract： Aiming at the problems of low accuracy and narrow detection range of traditional heavy metal detection methods，surface Raman spectroscopy is proposed to detect heavy metal ions.Firstly，the gold sol substrate was prepared and its preparation process was optimized，then the optimized process gold sol substrate was modified，and finally the heavy metal detection performance of the modified gold sol substrate was tested.The experimental results show that the gold sol substrate prepared under the conditions that the molar ratio of reducing agent sodium citrate to tetrachloroalloy acid is 2，the dosage of sodium citrate is 1.5  mL，the reaction time is 18 min，and the pH value is 4 has the best response to heavy metals.After 4-MBA alcohol solution modification，the response of the substrate to the characteristic peaks of heavy metals is enhanced.In the concentration range of 0.5～100 mg/L，the peak intensity concentration linear fitting correlation coefficient R2 of heavy metal ions Raman spectra exceeds 0.99，showing good correlation performance.

Key words： heavy metal detection;gold sol substrate;Raman spectrum enhancement;health products testing

為了让自己拥有健康的身体，在日常锻炼的同时，人们也会服用一些保健品。但受现在保健品生产工艺的影响，保健品中可能存在一些重金属超标的情况，影响人们的身体健康。因此在保健品投入市场时，都需要对其重金属含量进行测定。虽然目前也有一些手段能够检测出保健品中的重金属，但对保健品中痕量级重金属的检测还有提升空间。寻找一种适宜的保健品重金属测试方式，是目前较为重要的研究课题。对此，部分学者也进行了很多研究，如蒋文菊总结了目前常用的食品重金属检测方法[1]。赵国鹏、邢钰则通过拉曼光谱对食品中重金属含量进行检测。试验结果表明，拉曼光谱是较为有效的一种重金属含量检测方法[2-3]。但拉曼光谱测试重金属，因此需要拉曼光谱进行增强。宋移欢、陈金磊则尝试对的拉曼光谱进行增强。试验结果表明，增强后的拉曼光谱无论是在检测精度还是在检测范围方面都较普通拉曼光谱有了很大的提升[4-5]。溶胶增强拉曼光谱是时下最常用的一种增强方法，但目前对溶胶的研究较少。基于此，本试验以谭雄论文为基础[6]，制备了一种性能较优的金溶胶基底，增强重金属离子在拉曼光谱上的响应，用于保健品中重金属检测。

1 材料与方法

1.1 材料与设备

主要材料：四氯合金酸（AR 华翔科技生物技术）；巯基苯甲酸（AR 艺康化工）；柠檬酸钠（CP  商联化工）；无水乙醇（AR 俱辉化工）。

主要设备：磁力搅拌机（78-1 德为仪器科技）；拉曼光谱分析仪（LD-LM27 卓尔）；气浴振荡器（SHA-B 金坛良友仪器设备）；高速离心机（TG16G 凯特实验仪器）；紫外可见分光光度计（UV-1150 美谱达仪器）。

1.2 检测原理及优势分析

拉曼光谱通过光子与光学支声子相互作用产生的拉曼效应，对与不同入射光频率的散射光谱进行分析，以得到分子振动、转动方面信息，进而分析目标物质种类和含量。由于拉曼光谱不需要对样品进行前处理，且同时具备操作简单，测试时间短和灵敏度高的特点，在重金属检测领域有重大作用。 但普通拉曼光谱在进行目标物质检测时，存在不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响的问题。特别是痕量级金属检测方面，还存在很多的不足，因此需要对拉曼光谱进行进一步增强。

表面增强拉曼光谱是利用吸附在粗糙化的Ag电极表现的吡啶分子具有巨大的拉曼散射现象和活性载体表面选择吸附分子一致荧光发射的特性，增强了拉曼光谱的性噪比。通过基底与待测重金属离子中的共振反应，拉近了离子间距，进而引发聚集现象，使得拉曼光谱现象更明显，这就有效增强了拉曼光谱的分辨与检测灵敏度。

1.3 试验方法

1.3.1 金溶胶基底

（1）提前配制质量浓度为1%的四氯合金酸溶液和柠檬酸钠溶液备用。

（2）将99 mL纯水放入锥形瓶中，然后放入1 mL 1%四氯合金酸溶液，然后在78-1型磁力搅拌机的作用下进行加热搅拌至溶液沸腾，搅拌温度和转速分别为200 ℃和500 r/min。

（3）将适量1%柠檬酸钠溶液滴入步驟（2）溶液中，继续反应至溶液颜色变为酒红色。

（4） 将反应后溶液置于室温环境进行自然冷却，得到金溶胶基底，然后在4 ℃条件下进行避光保存 。

（5）由于金溶胶的特性，在存放时可能出现非特异性团聚现象，因此在使用时，需要进行超声处理，破坏金溶胶基底特异性团聚现象，超声时间为4 min。还原剂用量配比见表1。

1.3.2 金溶胶基底的改性

（1）提前配置浓度为1 mol/L的巯基苯甲酸（4-MBA）醇溶液备用；

（2） 按照20 ∶1 ∶20 的比例依次将金溶胶、4-MBA 醇溶液和超纯水放入锥形瓶，然后通过气浴振荡器振荡接枝1 h。振荡结束后，静置5  h进行孵育 ；

（3） 将孵化结束的混合物置于TG16G型高速离心机内进行离心浓缩改性处理，离心转速为3 000 r/min。离心结束后得到改性后金溶胶，置于4 ℃环境保存。

1.4 性能分析

1.4.1 紫外可见分光分析

通过UV-1150型紫外可见分光光度计对待测样品进行紫外可见光分析。

1.4.2 拉曼光谱分析

通过LD-LM27型拉曼光谱分析仪对样品进行拉曼光谱分析。

2 结果与讨论

2.1 制备条件的优化

2.1.1 还原剂用量的优化

在反应体系内，金溶胶稳定性、颗粒粒径和均匀性均与还原剂用量有一定关系。若在反应过程中，无法提供足够的还原剂，体系内反应物无法完全反应，使得制备的产物稳定性降低。若反应体系中存在过多的还原剂，多余的还原剂在体系内无法发挥作用，反而会成为反应杂质，在一定程度上降低了体系内金纳米颗粒浓度，对检测效果产生不利影响。图1为还原剂优化结果。通过观察图1曲线变化可以发现，随还原剂柠檬酸钠摩尔比的增加，金溶胶紫外-可见吸收光光谱吸收峰向左发生了移动。这是因为，金纳米粒子还原速率随还原剂用量增加而提升。但还原剂用量存在适宜值，超过适宜值则会对金纳米粒子产生一些不利影响，使得金纳米粒子粒径偏小，吸收峰向左移动[7]。当摩尔比为2时，材料具备较窄的紫外吸收峰，这说明在此条件下，材料粒子具备较好的均一性。由图1（b）可知，所有金溶胶在1 620 cm-1处均出现较为明显的增强特征峰。进行进一步分析可以发现，当材料与还原剂摩尔比为2时，金溶胶的增强效果最好，该结论也与图1（a）结论相符。综上所述，适宜摩尔比为2，即柠檬酸钠用量为1.5 mL。

2.1.2 反应时间的优化

反应时间主要对金纳米成核尺寸产生影响，较短的反应时间无法使得所有粒子均达到理想尺寸。较长的反应时间可能使得粒子过度熟化，这就导致粒子粒径有一定增加，粒子均一性受到影响，使得金溶胶基底对拉曼光谱的增强效果受到影响。反应时间优化结果见图2。通过观察图2（a）可知，所有吸收峰均未出现移动，这就说明反应时间几乎不影响金溶胶的总体粒径，只影响金纳米粒子均一性[9]。通过观察金溶胶吸收峰宽度变化可以发现，当反应时间为12～21 min时，紫外吸收峰的宽度较窄，其余时间点的吸收峰的宽度相对较宽。金溶胶颗粒均一性在12～21 min时较好。通过图2（b）可以发现，在反应时间为15～18 min时，对1 620 cm-1特征峰的增强效果最好（图内小图），由此可以判定，在该段时间内，金溶胶均一性最优，对拉曼光谱的增强效果最佳。因此选择反应时间为18 min。

2.1.3  pH值优化

图3为pH值金溶胶特征峰的影响。通过图3可知，强酸、强碱均对金溶胶基底产生不良影响，当pH=4时，1 620 cm-1特征峰的增强最为明显。即在pH=4的条件下，金溶胶性能最佳。因此在制备金溶胶基底时，选择适合的pH值为4。

2.1 改性金溶胶基底表征

对改性前后金溶胶基底进行表征，确保经过改性后，金溶胶基底的优化情况，结果见图1。

由图1（a）可知，经过改性后的金溶胶基底发生右移，同时，金溶胶的颜色也相对变暗，证明4-MBA 醇溶液改性增加了金纳米粒子粒径。以铅元素为探查对象，观察改性前后的金溶胶对铅的梯度响应，结果见图1（b）。由图1（b）可知，经过改性后的金溶胶基底对乙醇峰干扰有排除作用，同时探针分子表现出更明显的铅离子的响应特征峰，对铅离子的检出限达到了0.1 mg/L。以上试验数据说明了经过4-MBA 醇溶液改性后，金溶胶基底对重金属离子定量分析研究产生了积极的影响。

2.2 金溶胶对重金属离子的定量检测

用金溶胶基底定量检测砷离子、铅离子、镉离子和汞离子的标准溶液，然后对检测结果进行线性拟合，结果如图2所示。

由图2可知，在 0.5～100 mg/L的范围内，拉曼光谱中重金属特征峰均出现了明显的变化。这是因为基底羧基与重金属结合后，产生了新键峰。同时，探针分子团聚结构在吸附重金属离子后出现变化[10-11]。这种变化受金属离子原子粒径的影响，因此特征峰的峰位也会产生一定的偏移，且该偏移现象存在规律性差异。

同时，在该浓度范围内，对重金属离子拉曼光谱峰强-浓度进行线性拟合，二者线性关系良好， R2 大于0.999 5，表现出较高的准确度。

由测试结果可知，本试验制备的金溶胶基底在较宽的浓度范围内，具备较好的定量和区分能力，可以检测宽浓度范围的金属离子。但改性金溶胶基地分析重金属离子时，其特征峰较为接近，难以区分，在实际检测的过程中容易出现误判的现象[12-13]。这是因为仪器分辨率决定了波速偏移偏差，特征峰差异性的丰富与探针分子链长结构和活性位点有关，而本试验所用的仪器为普通拉曼光谱仪。受其分辨率和探针分子结合位点的影响，拉曼检测判断难度增加，其应用范围受到了限制，因此在实际应用中，可以考虑选择分辨率较高的拉曼光谱仪或利用特征峰比对进行进一步分析。

2.3 检测性能验证

在水样中的检测性能是方法可行性的重要指标，因此本试验以自来水和池水为主要研究对象，对水中铅离子进行加標回收试验，验证本试验建立方法的可行性。首先通过电感耦合等离子光谱发生仪测定待测溶液中重金属初始含量，然后通过拉曼光谱对重金属进行加标回收检测，结果如图3所示。

由图3可知，制备的金溶胶基底在水中对铅离子同样具备响应能力。通过分析特征峰嵌固端确定其加标回收率与定量关系符合，可以在实际检测中使用。

2.4 实际样品测定

以GB 16740—2014 为指标，用金溶胶增强拉曼光谱对市售保健品中重金属含量进行测定，确定其重金属含量是否符合标准[14-20]；表2为实际样品检测结果。

由表2可知，市售保健品中重金属含量均满足国家安全标准。这也说明了本试验建立的金溶胶增强拉曼光谱可以用于保健品的检测。

3 结语

（1）金溶胶基底制备优化工艺为：柠檬酸钠用量为1.5 mL，反应时间为18 min，适宜pH值为4；

（2）经过4-MBA 醇溶液改性后，重金属特征峰响应更加明显，表现出良好的检测能力；

（3）在离子质量浓度为 0.5～100 mg/L， R2 大于0.999 5，表明相关性能表现良好；

（4）加标回收试验结果表明，金溶胶基底在水中仍旧具备重金属检测能力，可以在液体保健中检测使用。

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