饮用水中硫化物的表面增强拉曼光谱检测方法

张文涛，周 丽，邹晓兰，任水英，李 林

(无锡中德伯尔生物技术有限公司 试剂研发部，江苏 无锡 214174)

硫元素是一种非金属元素，在自然界中通常以硫化物、硫酸盐或单质的形式存在。水中硫化物是指水中溶解性的硫化物以及酸性金属硫化物，包括溶解性的H2S、HS-和S2-[1]。硫化物主要存在于生活污水中，有些特殊的地下温泉也含有硫化物。对人体和水体生物而言，硫化物是有剧毒的，可与人体内细胞色素、氧化酶及该类物质中二硫键作用，影响细胞氧化过程，造成细胞组织缺氧，危及人的生命。对此，GB5749—2006规定，饮用水中硫化物的指标及限制为0.02 mg/L。

目前，饮用水中硫化物检测方法主要包括分光光度法[2]、流动注射-氢化物发生-原子荧光光谱法[3]、电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-AES)法[4]、电化学方法[5]、荧光分光光度法[6]等。其中，原子荧光光谱法和原子发射光谱均需要借助于大型仪器，不便于现场检测；电化学方法检测前需要对电极进行处理和打磨；而荧光分光光度法又容易受到其他离子的干扰。分光光度法的检测相较其他方法更简便和实用，但硫化物在水中不稳定，容易分解，按照相对应的国标GB/T 5750.5—2006《生活饮用水标准检测方法》中的N,N-二乙基对苯二胺分光光度(DPD)法，对样品采集和保存均有严格要求，采样时避免曝气，需加乙酸锌和NaOH处理，并暗处密封，避光放置保存再测试。因此，这种方法在操作便捷性以及检测灵敏度方面仍然具有一定的局限性。

尽管上述检测方法准确可靠，可以作为执法鉴定的依据，然而这些方法的前处理过程大多步骤繁琐，而且相关检测仪器昂贵、体积笨重、操作复杂。因此，发展一种高灵敏、准确可靠且简单的现场快速检测仪器和方法，提高相关市场监管部门的现场应急能力具有非常重要的现实意义。

拉曼光谱(Raman spectra)是由印度科学家C.V.拉曼(Raman)发现的散射光谱，即当光子照射到样品的分子中，发生非弹性碰撞、散色光子的频率和方向同时发生改变的现象[7]。拉曼光谱属于光谱分析手段的一种，其发展基础为散射效应，也称之为拉曼效应。拉曼光谱能够提供分子的指纹信息数据，它是对物质定性的重要光谱技术之一[8]。近20年，纳米技术的快速发展为拉曼光谱检测提供了新的方向。实验表明，当纳米颗粒在一定尺寸形状条件下，将其作为表面增强拉曼的基底，可使与之吸附的目标分子的拉曼散射信号得到极大的增强。通过物理、材料及化学领域研究人员的不懈努力，表面拉曼散射增强因子从最初的103～105提高到1014～1015，实现对单细胞、单分子的检测[9-10]。因此，借助于表面增强作用，实现对物质相关结构数据在分子层面的分析处理，应用前景甚佳[11]。

本文中，笔者提出了一种基于手持式拉曼光谱仪的快速检测方案，作为一种对饮用水中硫化物的预检筛查手段，检测步骤非常简单，耗时较短，可以大大缩短相关职能部门的抽检时间，提高工作效率。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

N,N-二乙基对苯二胺盐酸盐(DPD)、硫酸、盐酸、六水合三氯化铁、NaCl等试验中所用试剂皆为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；四氯金酸三水合物(HAuCl4·3H2O)、柠檬酸钠三钠，美国Sigma公司；硫化物标准品，北京坛墨质检科技股份有限公司。

1.2 仪器与设备

50 Conc紫外可见分光光度计，澳大利亚VARIAN公司；ZD-RM-S型拉曼光谱检测仪，无锡中德伯尔生物技术有限公司；JEM-2100透射电镜，日本JEOL。

1.3 方法

待检样本5 mL经0.45 μm无机针头过滤器过滤除去沉淀物后，加入100 μL衍生化试剂(DPD和FeCl3混合液)混匀。拉曼检测器皿中加入100 μL经衍生化后的待测样本液，100 μL增强基底，50 μL促凝剂，混匀后进行拉曼测试。

1.3.1 衍生化试剂的配制

衍生化试剂为DPD溶液和FeCl3溶液的混合物。先配制DPD硫酸溶液或者盐酸溶液，DPD硫酸溶液配制方法：取25 mL浓H2SO4缓慢地加入到75 mL蒸馏水中，放冷后定容到100 mL。然后称取0.75 g DPD盐酸盐溶于其中。或者称取0.75 g DPD盐酸盐加入到100 mL 6 mol/L HCl溶液中，再配制1 g/mL的FeCl3溶液，称取100 g FeCl3·6H2O溶于100 mL蒸馏水中。临用时将DPD硫酸溶液或者盐酸溶液和FeCl3溶液按照体积比20∶1混匀即为衍生化试剂。

1.3.2 增强试剂及促凝剂的配制

利用经典的柠檬酸钠还原HAuCl4的方法合成而得纳米金溶胶[12]。取100 mL 0.01%氯金酸水溶液加热至沸腾，剧烈搅拌下准确加入0.82 mL 1%柠檬酸三钠(Na3C6H5O7)水溶液，金黄色的氯金酸水溶液在2 min内变为红色，继续煮沸15 min，冷却后用蒸馏水补加到100 mL。

促凝剂金溶胶的促凝剂。称取5.85 g NaCl，溶于100 mL水中，摇匀。

1.3.3 仪器参数

文中的SERS谱图均在无锡中德伯尔生物技术有限公司ZD-RM-S拉曼光谱仪上完成，项目测试时该仪器的激光波长为785 nm，功率100 mW，谱图积分时间500 ms。

2 结果与讨论

2.1 衍生化结果

硫化物中的S2-在酸性条件下与DPD以及FeCl3作用，生成的衍生化产物为亚甲基蓝类化合物[11]，所述硫化物与衍生化试剂的反应式为

该步衍生化试验的反应温度及时间对衍生结果影响并不大，不属于关键步骤，早期有许多研究报道[13-14]，在此不再对其进行分析。

2.2 增强试剂

2.2.1 紫外-可见吸收光谱

将增强试剂进行紫外-可见扫描光谱鉴定，在350～600 nm波长范围内检测其特征吸收峰，结果如图1所示。由图1可知，增强试剂在539 nm处有最大吸收。

图1 增强试剂紫外-可见吸收谱图

2.2.2 透射电镜

对增强试剂滴加在铜网上得到的透射电镜图进行分析，结果如图2所示。由图2可知，增强试剂尺寸大概为55 nm。

图2 增强试剂(金纳米粒子)的透射电镜图

2.3 检测结果分析

图3给出了不同浓度硫化物的SERS谱图，单次测试时长约5 min。

图3 硫化物(亚甲蓝类衍生物)表面拉曼增强试剂谱图

由图3可知，加入衍生化试剂后，引入了新的化学物质，在增强剂的作用下也会产生较强的拉曼信号。可以确认453 cm-1和458 cm-1主要归功于硫化物衍生后的亚甲蓝化合物中C—N—C的不同振动模式的贡献。从图3中可以观察到，当饮用水中不含有硫化物时，453 cm-1处无明显特征峰；低于0.02 mg/L(选用1/2检测限即0.01 mg/L)时在453 cm-1处虽然有微弱的拉曼信号，但是483 cm-1处却没有明显特征峰，所以采用453 cm-1和483 cm-1两处拉曼信号作为检测硫化物的特征峰。当饮用水中硫化物质量浓度达到0.02 mg/L甚至更高时，在453 cm-1和483 cm-1两处，同时出现拉曼信号，由此可以得出检测限为0.02 mg/L。

在实际应用过程中，笔者试图做定量检测，以便能计算出样品加标的回收率，但是没有成功。研究发现随着硫化物浓度增大，拉曼的信号响应并没有呈线性增大，原因来源于仪器及增强基底两方面。仪器方面：两台拉曼仪器之间，采用的光谱仪、拉曼探头、光纤接头、激光焦点落在样品池的位置等都会造成信号强度的不一。基底方面：在制备增强基底时由于加热温度、搅拌速度、添加柠檬酸三钠快慢均会导致纳米金颗粒的粒径不同，从而导致每批基底的增强效果不同，即增强因子不同。对于同一批次基底，又由于存放的时间不同，显现的增强效果也不同。综上所有原因，笔者只能将水中硫化物检测做成定性检测。

3 结论

建立了一种基于表面增强拉曼光谱的硫化物快速检测的方法，该方法检测限为0.02 mg/L，此检测方法步骤简单、选择性好、无需考虑样品的采集和保存的问题，不需要大型仪器。使用拉曼光谱检测，方法相对简单、快捷。通过使用金纳米粒子溶胶和待测物，进行快速拉曼测定。