利用表面增强拉曼光谱对光照条件下改性罗丹明-6G失效机理的研究

王丁丁,安晓娇,徐梦恬,刘涛,2*王筠

(1.核工业理化工程研究院,天津 300180;2.粒子输运与富集技术国防科技重点实验室,天津 300180)

0 引言

罗丹明-6G是一种常用荧光染料,常用于生物染色、丝绸和纸张着色等,在使用过程中,经常由于保存不当易发生分解失效,在对其失效机理的研究中,目前最为常用的方法是液相色谱-质谱联用法[1]。前端液相色谱可以对杂质相进行分离,后端质谱用作定性判定,检出限低。但液质-联用测试过程中,要加入大量的流动相,溶剂对染料在溶液中的分子离子状态影响较大,易引入中间相,加大分析难度,同时液质联用测试流程复杂;拉曼光谱法[2-9]测试方法简单、需样品量少,液态、固体样品都可直接测试。在一条测试光谱图中,既含有浓度信息又含有分子结构信息。但拉曼光谱测试染料时荧光背底高、拉曼光谱信号弱易受荧光干扰、由于增强剂本身的稳定性和不均匀性,易造成拉曼信号的波动,导致染料浓度测量较困难。同时由于光照条件下染料分解失效产生的生成物相对浓度低,受主成分干扰,拉曼光谱峰数量较多,日照分解样品的特征峰确定较为困难。

本文以改性罗丹明-6G为研究目标,针对浓度测量开展测试条件优化,确定了最优的测试条件,该条件下得到的拉曼光谱信噪比较好,建立了峰面积响应值-浓度线性方程,确定了该测试方法的线性区间、测试误差和检出限等。对光照样品进行跟踪测试,确定了与光照分解相关的拉曼特征峰。

1 实验部分

1.1 仪器和试剂

HORIBA LabRAM HR Evolution显微共焦拉曼光谱仪;Waters Xevo TQ-S液相色谱质谱联用仪(LC-MS);蔡司Merlin Compact超高分辨率场发射扫描电镜(SEM);美国牛津Aztec X-MaX-80 X射线能谱仪(EDS);梅特勒天平XPE504。

华东理工大学自制改性罗丹明-6G,对罗丹明6G的取代基进行了F化改性,分子结构见图1。增强剂为溶液型银纳米增强剂,厂家和型号为:厦门市普识纳米科技有限公司“溶胶型SERS银纳米增强试剂CP-S1”,天津渤化化学试剂有限公司分析纯无水乙醇。

图1 改性罗丹明6G分子结构式

1.2 溶液配制与前处理

染料标准溶液配制:称取染料固体62.5 mg,转移至50 mL烧杯中,加乙醇(～94 mL)溶解、转移至250 mL容量瓶中,加水定容,配至250 mg/L浓度(用于测试条件优化),用乙醇(37.5 vol%)水溶液,将250 mg/L分别稀释至200 mg/L、150 mg/L、100 mg/L,用于浓度线性曲线的测量。

室温光照条件:将配制好的改性罗丹明-6G溶液放置于透明容量瓶中,室温(20～25 ℃)、密封、放置于试验台上自然光照,一定时间后取样测试,用于日照机理分析。

测试条件优化:激光波长(532 nm,785 nm)、增强剂比例(V样品∶V增强剂=1∶1、2∶1、4∶1)、增强剂和样品混合后放置时间(0 h、0.5 h、1 h、干燥5 h)、采谱条件(采谱时间10 s,积分次数3次)。

溶液前处理:用移液枪分别吸取染料样品(体积根据比例确定)、增强剂50 μL,先后分别加入离心管中(图2a)混合摇匀放置5 min,用移液枪吸取下层溶液50 μL滴在铝箔(包裹在凹槽的载玻片上,图2b),放置一定时间待测。

图2 染料溶解测试过程图

1.3 光谱采集

光谱采集测试:打开激光器,测试前用si片进行峰位校正;用x50倍物镜,激光聚焦成像;设置采集时间、积分次数,进行光谱采集得到光谱图。

1.4 数据处理

对所得拉曼光谱进行批处理,分别截取(885～985 cm-1)和(2062.5～2162.5 cm-1)两个峰,扣背底,拟合得到峰位、峰高、半高宽和峰面积。

2 结果分析

以浓度为250 mg/L的改性罗丹明6G为研究对象,以主峰的信号强度与背底的比值作为信噪比的评价指标。

2.1 测试条件优化

以532 nm激光为激发光源,光谱大范围扫描,可观测到样品的荧光背底如图3所示,荧光峰位于300 nm附近;532 nm染料信号峰更接近荧光峰,受荧光背底影响较大;785 nm染料信号峰距荧光峰稍远,对信号峰影响小,因此选用785 nm作为激发源。

图3 532 nm激光波长的染料信号峰

不同的增强剂比例的拉曼光谱图如图4所示,V样品:V增强剂分别为1∶1、2∶1、4∶1,从图中可知2∶1信噪比最好,1∶1稍低,4∶1最差。

图4 不同的增强剂比例的拉曼光谱图

放置时间是信号强度和荧光背底的主要因素,其影响如图5所示,图中谱图按最优条件参数采集,放置时间右上角分别为0、0.5、1和5 h(已干燥),从图中看出0 h信号峰较低约500 cps,荧光背底较小,随着时间延长至0.5 h,信号峰强度提高至10000 cps,同时荧光背底也增大,放置0.5 h信噪比最好。继续延长放置时间至1 h,荧光背底增大较多导致信噪比下降,干燥后信噪比更差。

图5 放置时间对信号强度和荧光背底的影响

确定改性罗丹明6G拉曼特征峰为F1 (935.2 cm-1)和F2(2062.5 cm-1),F1为取代基C-F键的振动峰,F2为主结构氧杂蒽键的振动峰,如图4所示。

确定最优测试条件为:激光波长(785 nm)、增强剂比例(V样品∶V增强剂=2∶1)、增强剂和样品混合后放置时间(0.5 h)。采谱条件(采谱时间10 s,积分次数3次),采集时间越长,信号强度越高,但荧光背底越高;积分次数越多,曲线越平滑,但过多会导致部分峰因平均化而消失。

2.2 染料浓度测定方法

染料浓度是染料失效的一个重要指标,在拉曼光谱测试过程中,浓度的测定难度较大,由于增强剂的稳定性、温度变化,引起染料与增强剂之间的团聚吸附速率变化,最终影响信号强度。本文以改性罗丹明-6G主相特征峰(F2)的峰面积作为响应值,建立此标准曲线,以确定此方法的线性区间、方差和检出限。

用固体改性罗丹明-6G染料配置四个不同浓度染料样品:250、200、150、100 mg/L,按3.1节中的测试方法进行测试,每个点测试3个平行样,得到的光谱图经扣背底、寻峰、拟合计算得到峰面积作为主相浓度响应值,响应值-浓度做曲线,得到曲线如图6所示。

图6 响应值-浓度关系曲线

图中线性曲线方程分别为公式(1)所示,线性相关系数为0.968。以250 mg/L浓度的三个平行样品的峰面积13078.8,13738.93,14118.78分别得到相对标准偏差3.85%。

y=55.89x+802.92

检出限的测定——用上述标液配制5、10、25、50 mg/L低浓度样品,按3.1节中的测试方法进行检出限的测定,浓度<10 mg/L未检测到主相信号,25 mg/L浓度可检测到信号较好,确定3.1节的方法的检出限为25 mg/L。

2.3 染料光照分解机理

对浓度为250 mg/L的改性罗丹明-6G溶液,放置光照不同时间后取样、测试得到拉曼光谱,经谱图分析,得到表1中峰高和峰面积信息,利用公式(1)计算得到染料溶液的浓度。结果表明光照时间的增加,染料浓度逐渐下降。通过液质联用仪质谱端进样,对光照5天和90天的染料进行全谱扫描,得到其主峰的响应值从1.68E7降至4.16E6,与拉曼数据相吻合。并且分析发现HF1∶F2峰高比随光照时间增加也呈下降趋势;F1峰振动归属于苯环取代基上的C-F键,F2峰振动归属于联苯内的氧杂蒽键,说明改性罗丹明6G在光照分解过程中,染料分子的主链氧杂蒽键发生了分解,同时取代基也发生了分解,并且取代基分解概率高于联苯的氧杂蒽键。

表1 不同光照时间的光谱数据值

3 结语

本文对激光波长、增强剂比例、稳定时间、光谱采集等参数的影响进行了优化分析,确定了最优的测试条件为:激光波长(785 nm)、增强剂比例(V样品∶V增强剂=2∶1)、增强剂和样品混合后放置时间(0.5 h)、采谱条件(采谱时间10 s,积分次数3次)。以F2峰峰面积为响应值,建立响应值-浓度曲线,得到了浓度线性方程。此方法线性相关系数为0.968,标准偏差3.85%,检出限为25 mg/L。对光照分解的染料定期取样测试其浓度和特征峰变化情况,结果表明随着光照时间的增加,染料浓度迅速下降,同时HF1∶F2峰高比下降,其中F1峰与取代基中C-F键相关振动峰,F2峰为氧杂蒽键的振动峰,说明罗丹明-6G染料日照分解过程中,主链和支链均发生断裂,其中C-F键更易断裂。其断裂原因尚不明确,可能与C-F键所在支链易桥连,使得电荷中心转移,导致C-F键断裂。