流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的检测装置及检测方法
【专利摘要】一种现场、快速、灵敏的流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的检测装置。本发明的技术方案是：其特征是由表面增强拉曼光谱检测室（8）、拉曼光谱系统（12）、控制装置（14）、数据处理系统(13)、样品蠕动泵（3）、络合剂蠕动泵（5）以及盐酸溶液蠕动泵（6）组成，其中，表面增强拉曼光谱检测室（8）通过管路分别与样品蠕动泵（3）、络合剂蠕动泵（5）以及盐酸溶液蠕动泵（6）连接，所述表面增强拉曼光谱检测室（8）与数据处理系统（13）和控制装置（14）连接，所述的表面增强拉曼光谱检测室（8）设置有温控装置。本发明还公开了其检测方法。
【专利说明】流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的检测装置及检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于水体中铜的检测方法领域，具体地说是一种现场、快速、灵敏的流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的检测装置及检测方法。基于吸附在纳米金胶上的环糊精分子能产生表面增强拉曼效应，水中铜与4-氨基苯硫酚产生的络合物能降低吸附在纳米金胶上的环糊精分子所产生的表面增强拉曼峰强度，同时表面增强拉曼峰强度降低的程度与水体中铜元素的浓度具有线性关系，利用流动注射技术，通过空白溶液和被测水样所产生的表面增强拉曼峰强度的差别测量水中铜的方法。
【背景技术】
[0002]铜元素是水中金属元素的一种，过量的铜对人体的危害非常大。游离态铜离子对人体的危害要比配合态铜大得多。过量的铜离子对许多水生生物有极大的负作用，是因为它与蛋白质中的巯基结合，干扰巯基酶的活性，如在珊瑚、水草等生态体系中若有过量的铜离子，将很快生物毙命。铜是动植物所必须的微量元素，人体缺铜会造成贫血、腹泻等疾病，但是过量的铜对人和动植物也可造成危害。因此水中铜的检测显得十分重要。
[0003]目前，铜元素检测的方法很多，有原子吸收分光光度法、分光光度法、电热蒸发-电感耦合等离子体发射光谱法、质谱法或石墨炉原子吸收法等技术。这些方法共性是需要昂贵的仪器，操作复杂，持续时间长，需要专门的技术人员来完成，试剂消耗量大，而且有些方法还不同程度的引入了对人体有害的有机溶剂，产生二次污染。同时多数方法需要价格昂贵大型仪器，另外方法都是采用现场取样后到实验室分析的模式，即不能实现现场、实时测量的方式，样品运输过程以及处理过程易引入其他干扰物质，影响分析的准确性。因此这个过程对于痕量级元素分析，不可能保证不会出现二次受污的可能性，而且对于复杂多变的水体环境，例如:元素形态受时空影响大；多数又处于相互关联、相互影响的状态；环境中温度压力变化大，其结果的准确性和可靠性受到质疑，从而不能确切掌握水质现状及其异常变化。
【发明内容】
[0004]本发明提供了一种现场、快速、灵敏的流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的检测装置及检测方法方法。
[0005]为了达到解决上述技术问题的目的，本发明的技术方案是:
流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测装置，其特征是由表面增强拉曼光谱检测室(8)、拉曼光谱系统(12)、控制装置(14)、数据处理系统(13)、样品蠕动泵(3)、络合剂蠕动泵(5 )以及盐酸溶液蠕动泵(6 )组成，其中，表面增强拉曼光谱检测室(8 )通过管路分别与样品蠕动泵(3)、络合剂蠕动泵(5)以及盐酸溶液蠕动泵(6)连接，所述表面增强拉曼光谱检测室(8)与数据处理系统(13)和控制装置(14)连接，所述的表面增强拉曼光谱检测室(8)设置有温控装置。
[0006]所述的表面增强拉曼光谱检测室(8)为U型，表面增强拉曼光谱检测室(8)的底部设有陶瓷基片(12)，陶瓷基片(12)上面贴附多孔纳米金薄膜(10)，所述的多孔纳米金薄膜(10)的表面耦合有环糊精化合物，样品从陶瓷基片表面通过。
[0007]于所述的管路采用聚四氟乙烯材料制成。
[0008]流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的方法的检测装置的检测方法，所述方法通过所述检测装置按下述步骤进行:
(1)通过泵输送被测样品溶液；
(2)样品溶液在泵的作用下先后与盐酸溶液管路中的盐酸溶液，以及络合剂4-氨基苯硫酹溶液管路中的络合剂混合，混合比例为:样品溶液与盐酸溶液为:1:0.2-1:0.5,样品溶液与络合剂为:1:2-1:5 ;
(3)混合溶液通过所述表面增强拉曼光谱检测室，4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过U型检测室底部内部时与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，使之产生的表面增强拉曼光谱峰强度降低。所述温控装置控制温度至规定的温度范围；
(4)拉曼光谱仪对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，数据处理装置对得到的空白信号与样品信号进行计算，再根据信号降低的程度和标准样品的信号降低的程度对应关系，计算出水体中铜的浓度，并进行显示、打印输出。
[0009]在本发明中，还具有以下技术特征，所述的水样流量为1.0-5.0ml/min。
[0010]在本发明中，还具有以下技术特征，所述的盐酸溶液流量为0.5-1.0ml/min, pH范围为3.0O?4.00。
[0011 ] 在本发明中，还具有以下技术特征，所述的络合剂流量为5.0-10.0ml/min,浓度为(1.0-1.5) X 10-3 mol/L。
[0012]在本发明中，还具有以下技术特征，所述的U型结构设计，底部内部设有陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，所述的多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化合物，上部是会聚透镜，样品从陶瓷基片表面与会聚透镜中通过。
[0013]在本发明中，还具有以下技术特征，所述的陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，金属薄膜与陶瓷基片之间有粘附层，该粘附层位于基片和金属层之间，主要增加金属层的附着力，使金属层在使用中不易脱，粘附层主要由石墨烯组成，为了保证获取最大的表面增强拉曼基底的共振峰，粘附层的厚度为3-5纳米，金属层的厚度为30-40纳米。
[0014]在本发明中，还具有以下技术特征，所述的多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化合物作为表面增强拉曼光谱探针，为了保证环糊精耦合到金属薄膜表面稳定，进行工作环境温度控制，保证温度范围10-15°C。
[0015]在本发明中，还具有以下技术特征，以纳米金胶为基底，吸附在纳米金胶上的环糊精化合分子能产生表面增强拉曼效应，在1512 cm-1拉曼位移处有一个较强的表面增强拉曼峰。当4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过U型检测室底部内部时与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，导致1512 cm-1拉曼位移处表面增强拉曼峰强度降低，随着络合物浓度增大，体系在1512 cm-1拉曼位移处的表面增强拉曼峰强度呈线性关系，故可用1512cm-l表面增强拉曼光谱测定水体中铜浓度。
[0016]本发明的效果是:本发明是通过集成络合技术、流动注射技术、表面增强拉曼光谱技术、数据采集、软件处理对水体中铜的进行测量的方法。通过络合一表面增强拉曼光谱一体化设计，能实现水体中痕量铜高效络合集和流动注射技术具有自动注入，受控分散和精确快速的特点，再采用灵敏的表面增强拉曼光谱检测方法，因此利用一体化络合一表面增强拉曼光谱，通过检测所形成的络合物对表面增强拉曼光谱信号降低程度差值建立起来的流动注射表面增强拉曼光谱法测定水体中铜的方法具有现场、快速，简便，灵敏的特点，它可以解决现有技术存在的不能现场工作，分析持续时间长，分析过程繁杂，条件苛刻、能耗大，尤其是产生二次污染等问题，是目前非常有效的快速分析手段，是理想的环境分析检测方法，属于绿色环保方法。本发明方法所具有的技术优势可以使本方法在环境分析等领域得到发展和推广。
[0017]下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明检测装置结构示意图；
图2是本发明方法工作原理流程图。
[0019]1.空白溶液-蒸馏水；2.样品溶液；3.样品蠕动泵；4.金属络合剂；5.络合剂蠕动泵；6.盐酸溶液蠕动泵；7.盐酸溶液；8.表面增强拉曼光谱检测室；9.陶瓷基片；10.多孔纳米金薄膜；11.会聚透镜；12.拉曼光谱系统；13.数据处理系统；14.控制装置；15.废液收集器。
[0020]
【具体实施方式】
[0021]图1中，流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测装置，由表面增强拉曼光谱检测室8、拉曼光谱系统12、控制装置14、数据处理系统13、样品蠕动泵3、络合剂蠕动泵5以及盐酸溶液蠕动泵6组成，其中，表面增强拉曼光谱检测室8通过管路分别与样品蠕动泵3、络合剂蠕动泵5以及盐酸溶液蠕动泵6连接，所述表面增强拉曼光谱检测室8与数据处理系统13和控制装置14连接，所述的表面增强拉曼光谱检测室8设置有温控装置。
[0022]所述的表面增强拉曼光谱检测室8为U型，表面增强拉曼光谱检测室8的底部设有陶瓷基片12，陶瓷基片12上面贴附多孔纳米金薄膜10，所述的多孔纳米金薄膜10的表面耦合有环糊精化合物，样品从陶瓷基片表面通过。所述的管路采用聚四氟乙烯材料制成。
[0023]图2中，采用上述实施例检测装置的检测方法包括以下几个步骤:
(1)通过泵输送被测样品溶液；
(2)样品溶液在泵的作用下先后与盐酸溶液管路中的盐酸溶液，以及络合剂4-氨基苯硫酹溶液管路中的络合剂混合，混合比例为:样品溶液与盐酸溶液为:1:0.2-1:0.5,样品溶液与络合剂为:1:2-1:5 ;
(3)混合溶液通过所述表面增强拉曼光谱检测室，4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过U型检测室底部内部时与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，使之产生的表面增强拉曼光谱峰强度降低。所述温控装置控制温度至规定的温度范围； (4)拉曼光谱仪对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，数据处理装置对得到的空白信号与样品信号进行计算，再根据信号降低的程度和标准样品的信号降低的程度对应关系，计算出水体中铜的浓度，并进行显示、打印输出。
[0024]所述的水样流量为1.0 — 5.0ml/min。
[0025]所述的盐酸溶液流量为0.5 — 1.0ml/min, pH范围为3.0O?4.00。
[0026]所述的络合剂流量为5.0 - 10.0ml/min，浓度为(1-1.5) X 10-3 mol/L。
[0027]所述的U型结构设计，底部内部设有陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，所述的多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化学物，上部是会聚透镜，样品从陶瓷基片表面与会聚透镜中通过。
[0028]所述的陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，金属薄膜与陶瓷基片之间有粘附层，该粘附层位于基片和金属层之间，主要增加金属层的附着力，使金属层在使用中不易脱，粘附层主要由石墨烯组成，为了保证获取最大的表面增强拉曼基底的共振峰，粘附层的厚度为3-5纳米，金属层的厚度为30-40纳米。
[0029]所述的多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化合物作为表面增强拉曼光谱探针，为了保证环糊精耦合到金属薄膜表面稳定，进行工作环境温度控制，保证温度范围10-15°C。
[0030]以纳米金胶为基底，吸附在纳米金胶上的环糊精化合分子能产生表面增强拉曼效应，在1512 cm-1拉曼位移处有一个较强的表面增强拉曼峰。当4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过U型检测室底部内部时与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，导致1512 cm-1拉曼位移处表面增强拉曼峰强度降低，随着络合物浓度增大，体系在1512 cm-1拉曼位移处的表面增强拉曼峰强度呈线性关系，故可用1512cm-l表面增强拉曼光谱测定水体中铜浓度。
[0031]在本发明中，拉曼光谱仪采用美国Inspector手提式拉曼光谱仪。
[0032]本发明的工作原理是:流动注射表面增强拉曼光谱测定水体中铜的方法是由光、机、电、计算机组成的一体化流动注射表面增强拉曼光谱探测系统。按工作模块可分成五部分:
第一部分是流动注射部分，主要是水样与与盐酸溶液和金属络合剂-4-氨基苯硫酚混合，在盐酸提供的环境下形成金属络合物进入检测室中。
[0033]第二部分:表面增强拉曼效应部分，主要所述的U型结构设计的表面增强拉曼光谱检测室，底部内部设有陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化合物，上部是会聚透镜，样品从陶瓷基片表面与会聚透镜中通过。以纳米金胶为基底，吸附在纳米金胶上的环糊精化合分子能产生表面增强拉曼效应，在1512 cm-1拉曼位移处有一个较强的表面增强拉曼峰。当4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过U型检测室底部内部时与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，导致1512 cm-1拉曼位移处表面增强拉曼峰强度降低，随着络合物浓度增大，体系在1512 cm-1拉曼位移处的表面增强拉曼峰强度呈线性关系，故用1512cm-l表面增强拉曼光谱测定水体中铜浓度。
[0034]第三部分:拉曼光谱仪系统，采用激光光源，滤光片，分光仪，CCD探测器件，产生的光信号被立即转变成电信号，并被连续记录。
[0035]第四部分是数据采集、记录部分，该部分完成电信号的采集、A / D转换、传输和存储。
[0036]第五部分是微型计算机数据处理系统，主要负责对得到的空白信号与样品信号进行计算，再根据信号降低程度和标准样品的信号降低程度数据对应关系，计算出水体中铜元素的浓度，并进行显示、打印输出。
[0037]利用表面增强拉曼光谱的高灵敏性已经成为目前分析测量的理想手段。同时在使用过程中具有不产生二次污染的特性，不需要样品前处理过程，所以具有非常大的应用前景。目前，利用纳米金结构形成“热点”是实现表面增强拉曼光谱单分子检测的主要手段，同时纳米金具有结构稳定，对生物分子兼容性好，可重复使用等优点。但是检测限低，光谱质量差，不足以满足目前水体中痕量金属的快速检测。吸附在纳米金胶上的环糊精化合分子能产生表面增强拉曼效应，检测限能够提升2-4个数量级，但是但信噪比不好。但是4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物通过与环糊精化合重氮化反应，能够保证低的检测限，且能简化数据处理难度，反应速度较快，检测限能达到10-7 mol/L，信噪比非常好，同时因偶氮化法产生的偶氮化合物有很强的电子吸收，很适合做表面增强拉曼光谱。4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成络合物能导致表面增强拉曼光谱峰强度值降低。在本发明条件下，1512cm-l处的表面增强拉曼光谱峰的降低值Λ I与水中铜的浓度呈良好的线性关系，据此可建立测定水体中铜的定量分析方法。
[0038]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
【权利要求】
1.流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测装置，其特征是由表面增强拉曼光谱检测室(8)、拉曼光谱系统(12)、控制装置(14)、数据处理系统(13)、样品蠕动泵(3)、络合剂蠕动泵(5)以及盐酸溶液蠕动泵(6)组成，其中，表面增强拉曼光谱检测室(8)通过管路分别与样品蠕动泵(3)、络合剂蠕动泵(5)以及盐酸溶液蠕动泵(6)连接，所述表面增强拉曼光谱检测室(8)与数据处理系统(13)和控制装置(14)连接，所述的表面增强拉曼光谱检测室(8)设置有温控装置。
2.根据权利要求1所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测装置，其特征是所述的表面增强拉曼光谱检测室(8)为U型，表面增强拉曼光谱检测室(8)的底部设有陶瓷基片(12)，陶瓷基片(12)上面贴附多孔纳米金薄膜(10)，所述的多孔纳米金薄膜(10)的表面耦合有环糊精化合物，样品从陶瓷基片表面通过。
3.根据权利要求1或2所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测装置，其特征在于所述的管路采用聚四氟乙烯材料制成。
4.流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于包括下列步骤: (1)通过泵输送被测样品溶液； (2)样品溶液在泵的作用下先后与盐酸溶液管路中的盐酸溶液，以及络合剂4-氨基苯硫酹溶液管路中的络合剂混合，混合比例为:样品溶液与盐酸溶液为:1:0.2-1:0.5,样品溶液与络合剂为:1:2-1:5 ; (3)混合溶液通过所述表面增强拉曼光谱检测室，4-氨基苯硫酚与水体中铜选择性形成的络合物在通过U型检测室底部时，与多孔纳米金薄膜表面耦合的环糊精化合物产生偶氮化反应，使之产生的表面增强拉曼光谱峰强度降低，所述温控装置控制温度至规定的温度范围； (4)拉曼光谱仪对流通过的溶液所发出的光信号进行采集放大，并转换成电信号送入微型计算机数据处理系统，数据处理装置对得到的空白信号与样品信号进行计算，再根据信号降低的程度和标准样品的信号降低的程度对应关系，计算出水体中铜的浓度，并进行显示、打印输出。
5.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于所述的水样流量为1.0 — 5.0ml/min。
6.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于所述的盐酸溶液流量为0.5 — 1.0ml/min, pH范围为3.0O~4.00。
7.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于所述的络合剂流量为5.0 — 10.0ml/min，浓度为IX 10_3_1.5X 10_3 mol/L。
8.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于所述的陶瓷基片，其上面贴附多孔纳米金薄膜，金属薄膜与陶瓷基片之间有粘附层，粘附层的厚度为3-5纳米，金属膜的厚度为30-40纳米。
9.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于所述的多孔纳米金薄膜表面耦合有环糊精化合物作为表面增强拉曼光谱探针，为了保证环糊精耦合到金属薄膜表面稳定，进行工作环境温度控制，温度范围为10-15°C。
10.根据权利要求4所述的流动注射表面增强拉曼光谱法测量水体中铜的检测方法，其特征在于 选用1512cm-l表面增强拉曼光谱测定水体中铜浓度。
【文档编号】G01N21/65GK104048950SQ201410289990
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月26日 优先权日:2014年6月26日
【发明者】刘岩, 孔祥峰, 马然, 张述伟, 吴宁, 吴丙伟, 褚东志, 王茜, 石小梅, 张颖, 刘东彦, 郭翠莲, 张颖颖, 邹妍, 范萍萍, 吕靖, 王昭玉, 任国兴, 曹璐, 张婷, 曹煊, 高杨, 程岩, 张国华, 侯广利 申请人:山东省科学院海洋仪器仪表研究所