一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法

1.本发明属于硝酸根的检测技术领域，涉及一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法。


背景技术：

2.硝酸根过量是导致水污染的主要原因之一，硝酸根是离子营养物质，通过农业耕作、土壤有机氮、污水泄漏、生活用水等方式流入水体中，造成水污染，严重影响人们的生产生活。因此，研究快速、简便、灵敏的水质硝酸根含量的检测方法对于用水安全、保护人体健康具有积极意义。目前硝酸根的检测方法主要有离子色谱法和分光光度法，这两种方法具有精度高，重现性好等特点，但离子色谱法需要使用专业仪器使得检测成本高昂，而分光光度法需要对样本进行预处理，整个过程操作复杂、耗时长。表面增强拉曼光谱具有灵敏度高、样本无需预处理、不受水干扰等优点，目前，在溶液中进行表面增强拉曼光谱检测备受青睐。
3.目前，硝酸根的传统检测方法主要有分光光度法和离子色谱法；亚硝酸根的检测方法除了分光光度法和离子色谱法，还有比色法、流动注射法、气相分子吸收光谱法等方法。其中，离子色谱法和分光光度法虽然检测精度高，但离子色谱法需要使用专业仪器使得检测成本高昂，而分光光度法需要对样本进行预处理，整个过程操作复杂、耗时长；比色法虽然具有简单、成本低且分析速度快的优势，但存在易受干扰，被测组分纯度要求高，且灵敏度较低的缺点；流动注射法、气相分子吸收光谱法存在操作复杂，所需成本较高的缺点。拉曼光谱法是一种振动光谱分析方法，反映了被分析物的共价键特征，可提供分子振动的“指纹”信息，因此也可称为“指纹光谱”。拉曼光谱检测可用于对分子结构进行分析，但由于自发拉曼散射光强度非常弱，大约每106个入射光子仅能检测到1个光子，这种非常低灵敏度的散射光很难从入射光中分离出来，很大程度上降低了探测系统的信噪比(signal-to-noise ratio,snr)，且拉曼散射截面小，导致拉曼信号非常弱，限制了拉曼光谱技术的进一步发展。表面增强拉曼技术具有灵敏度高、强抗干扰能力、样本无需预处理、不受水干扰和无损检测等优点而被广泛应用于农药残留检测、生物医学、食品安全、化学和水中样本检测等领域。近年来，将表面增强拉曼光谱应用于水中阴离子的检测备受青睐。
4.因此，有必要深入研究采用表面增强拉曼光谱检测硝酸根的方法。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.1.一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法，所述方法包括如下步骤：
8.(1)制备aunps-半胱胺复合基底：将经过预处理的盖玻片置于金纳米粒子溶液中
完全浸没1～5h得到aunps-半胱胺复合基底；
9.(2)检测标准浓度硝酸根溶液的拉曼光谱：将不同浓度的硝酸根溶液分别滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，分别在相同条件下进行表面增强拉曼光谱检测，得到标准的硝酸根拉曼光谱；
10.(3)待检测溶液中硝酸根的检测：将待检测溶液滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，在于步骤(2)中相同的条件下进行表面增强拉曼光谱检测，将步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底滴加实际水样，获取拉曼光谱信号；
11.(4)对比确认：通过对比确认步骤(3)中的拉曼光谱信号是否在步骤(2)中标准的硝酸根拉曼光谱出现，如有则说明待检测溶液中含有硝酸根，否则待检测溶液中不含有硝酸根。
12.优选的，所述预处理具体为：将盖玻片置于浓度为1
×
10-6
～1
×
10-3
mol/l的半胱胺溶液中浸泡2～8h，进行干燥化处理后置于水中浸泡0.5～4h，取出后再进行干燥化处理，得到经过预处理的盖玻片。
13.进一步优选的，所述干燥化处理的条件为：在60℃下的鼓风干燥箱中放置20min。
14.优选的，所述金纳米粒子溶液按照如下方法制备：
15.将氯金酸溶液加热至沸腾后，加入含有弱还原剂的溶液，持续加热至溶液变为紫红色时停止加热，在室温下冷却即可得到所述金纳米粒子溶液。
16.进一步优选的，所述弱还原剂为还原性不强于二水合柠檬酸三钠的化合物。
17.进一步优选的，所述弱还原剂为盐酸羟胺或二水合柠檬酸三钠。
18.进一步优选的，所述氯金酸溶液中氯金酸与弱还原剂的质量比为1:100。
19.进一步优选的，所述氯金酸溶液的质量浓度为0.01％，所述含有弱还原剂的溶液的质量浓度为1％。
20.优选的，所述不同浓度的硝酸根溶液的浓度分别为0.001mg/l、0.01mg/l、0.1mg/l、1.0mg/l、10mg/l。
21.优选的，所述待检测溶液为江水、河水、湖水或地下水。
22.本发明的有益效果在于：本发明公开了一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法，主要是利用带正电荷的半胱胺功能化修饰金纳米颗粒，增加表面增强拉曼基底对硝酸根的亲和性，提高对硝酸根的检测灵敏度，达到对硝酸根检出限满足国家地下水环境质量标准中i类水的检测标准。该方法具有低成本、检测速度快和灵敏度高的优点，解决了现有技术中利用表面增强拉曼光谱直接检测水质中硝酸根灵敏度较低的问题。
23.本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
24.为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
25.图1为实施例1中制备的金纳米粒子溶液；
26.图2为实施例1中制备的aunps-半胱胺复合基底；
27.图3为浓度为分别为0.01mg/l、0.01mg/l、0.1mg/l、1.0mg/l、10mg/l标准浓度硝酸根溶液的拉曼光谱；
28.图4为实施例1中待检测溶液为盘龙溪水时的光谱信号图；
29.图5为实施例2中待检测溶液为嘉陵江水时的光谱信号图。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.实施例1
32.一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法，具体步骤如下：
33.(1)制备aunps-半胱胺复合基底：将经过预处理(将盖玻片置于浓度为1
×
10-3
mol/l的半胱胺溶液中浸泡2h，进行干燥化处理(在60℃下的鼓风干燥箱中放置20min)后置于水中浸泡0.5h，取出后再进行干燥化处理(在60℃下的鼓风干燥箱中放置20min))的盖玻片置于图1所示的金纳米粒子溶液(制备过程中的反应为：2haucl4 3c6h8o7＝2au 3c5h6o5 8hcl 3co2，具体方法如下：将质量浓度为0.01％的氯金酸溶液加热至沸腾后，加入质量浓度为1％的二水合柠檬酸三钠的溶液(其中氯金酸与二水合柠檬酸三钠的质量比为1:100)，持续加热至溶液变为紫红色时停止加热，在室温下冷却即可得到所述金纳米粒子溶液)中完全浸没1～5h得到aunps-半胱胺复合基底(其侧面结构示意图如图2所示)；
34.(2)检测标准浓度硝酸根溶液的拉曼光谱：将10μl五种不同浓度的硝酸根溶液(浓度分别为0.001mg/l、0.01mg/l、0.1mg/l、1.0mg/l、10mg/l)分别滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，分别在相同条件下(激发光波长是632.8nm、积分时间为6s)进行表面增强拉曼光谱检测，得到标准的硝酸根拉曼光谱，如图3所示；
35.(3)待检测溶液(盘龙溪水)中硝酸根的检测：将待检测溶液滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，在于步骤(2)中相同的条件下(激发光波长是632.8nm、积分时间为6s)进行表面增强拉曼光谱检测，将步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底滴加实际水样，获取拉曼光谱信号如图4所示；
36.(4)对比确认：通过对比确认步骤(3)中的拉曼光谱信号与在步骤(2)中标准的硝酸根拉曼光谱，测试得到的待检测溶液(盘龙溪水)的拉曼光谱信号中出现了标准的硝酸根拉曼光谱中具有的相同的拉曼特征峰，由此可以看出，该待检测溶液(盘龙溪水)中是含有硝酸根的。同时也能够说明本发明基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法确实是有效的，能够具体应用下实际水质中硝酸根检测的。
37.实施例2
38.一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法，具体步骤如下：
39.(1)制备aunps-半胱胺复合基底：将经过预处理(将盖玻片置于浓度为1
×
10-6
mol/
l的半胱胺溶液中浸泡8h，进行干燥化处理(在60℃下的鼓风干燥箱中放置20min)后置于水中浸泡4h，取出后再进行干燥化处理(在60℃下的鼓风干燥箱中放置20min))的盖玻片置于金纳米粒子溶液(制备方法如下：将质量浓度为0.01％的氯金酸溶液加热至沸腾后，加入质量浓度为1％的盐酸羟胺的溶液(其中氯金酸与盐酸羟胺的质量比为1:100)，持续加热至溶液变为紫红色时停止加热，在室温下冷却即可得到所述金纳米粒子溶液)中完全浸没1～5h得到aunps-半胱胺复合基底；
40.(2)检测标准浓度硝酸根溶液的拉曼光谱：将10μl五种不同浓度的硝酸根溶液(浓度分别为(0.001mg/l、0.01mg/l、0.1mg/l、1.0mg/l、10mg/l)分别滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，分别在相同条件下(激发光波长是632.8nm、积分时间为6s)进行表面增强拉曼光谱检测，得到标准的硝酸根拉曼光谱(与实施例1中的操作相同，如图3所示)；
41.(3)待检测溶液(嘉陵江水)中硝酸根的检测：将待检测溶液滴加到步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底上，在于步骤(2)中相同的条件下(激发光波长是632.8nm、积分时间为6s)进行表面增强拉曼光谱检测，将步骤(1)中得到的aunps-半胱胺复合基底滴加实际水样，获取拉曼光谱信号如图5所示；
42.(4)对比确认：通过对比确认步骤(3)中的拉曼光谱信号与在步骤(2)中标准的硝酸根拉曼光谱，测试得到的待检测溶液(嘉陵江水)的拉曼光谱信号中出现了标准的硝酸根拉曼光谱中具有的相同的拉曼特征峰，由此可以看出，该待检测溶液(嘉陵江水)中是含有硝酸根的。同时也能够说明本发明基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法确实是有效的，能够具体应用下实际水质中硝酸根检测的。
43.待检测溶液中硝酸根浓度的估算：
44.通过图4和图5可知，待检测溶液为盘龙溪水和嘉陵江水时，其得到的拉曼光谱中显示的拉曼特征峰强度分别为253和89，而图3中相应的在标准硝酸根拉曼光谱中硝酸根浓度为0.01mg/l、0.1mg/l、1.0mg/l、10.0mg/l时对应的拉曼特征峰强度分别为60、70、95、153，因此可以估算盘龙溪水中硝酸根的浓度应该大于10.0mg/l，而嘉陵江水中硝酸根的浓度大概在0.1～1.0mg/l之间。
45.综上所述，本发明公开了一种基于表面增强拉曼光谱测定水质中硝酸根的方法，主要是利用带正电荷的半胱胺功能化修饰金纳米颗粒，增加表面增强拉曼基底对硝酸根的亲和性，提高对硝酸根的检测灵敏度，达到对硝酸根检出限满足国家地下水环境质量标准中i类水的检测标准(总氮含量(以氮计)小于等于0.2mg/l的要求)。该方法具有低成本、检测速度快和灵敏度高的优点，解决了现有技术中利用表面增强拉曼光谱直接检测水质中硝酸根灵敏度较低的问题。
46.最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。