利用表面增強拉曼光譜對光照條件下改性羅丹明-6G失效機理的研究

王丁丁,安曉嬌,徐夢恬,劉濤,2*王筠

(1.核工業(yè)理化工程研究院,天津 300180;2.粒子輸運與富集技術國防科技重點實驗室,天津 300180)

0 引言

羅丹明-6G是一種常用熒光染料,常用于生物染色、絲綢和紙張著色等,在使用過程中,經常由于保存不當易發(fā)生分解失效,在對其失效機理的研究中,目前最為常用的方法是液相色譜-質譜聯用法[1]。前端液相色譜可以對雜質相進行分離,后端質譜用作定性判定,檢出限低。但液質-聯用測試過程中,要加入大量的流動相,溶劑對染料在溶液中的分子離子狀態(tài)影響較大,易引入中間相,加大分析難度,同時液質聯用測試流程復雜;拉曼光譜法[2-9]測試方法簡單、需樣品量少,液態(tài)、固體樣品都可直接測試。在一條測試光譜圖中,既含有濃度信息又含有分子結構信息。但拉曼光譜測試染料時熒光背底高、拉曼光譜信號弱易受熒光干擾、由于增強劑本身的穩(wěn)定性和不均勻性,易造成拉曼信號的波動,導致染料濃度測量較困難。同時由于光照條件下染料分解失效產生的生成物相對濃度低,受主成分干擾,拉曼光譜峰數量較多,日照分解樣品的特征峰確定較為困難。

本文以改性羅丹明-6G為研究目標,針對濃度測量開展測試條件優(yōu)化,確定了最優(yōu)的測試條件,該條件下得到的拉曼光譜信噪比較好,建立了峰面積響應值-濃度線性方程,確定了該測試方法的線性區(qū)間、測試誤差和檢出限等。對光照樣品進行跟蹤測試,確定了與光照分解相關的拉曼特征峰。

1 實驗部分

1.1 儀器和試劑

HORIBA LabRAM HR Evolution顯微共焦拉曼光譜儀;Waters Xevo TQ-S液相色譜質譜聯用儀(LC-MS);蔡司Merlin Compact超高分辨率場發(fā)射掃描電鏡(SEM);美國牛津Aztec X-MaX-80 X射線能譜儀(EDS);梅特勒天平XPE504。

華東理工大學自制改性羅丹明-6G,對羅丹明6G的取代基進行了F化改性,分子結構見圖1。增強劑為溶液型銀納米增強劑,廠家和型號為:廈門市普識納米科技有限公司“溶膠型SERS銀納米增強試劑CP-S1”,天津渤化化學試劑有限公司分析純無水乙醇。

圖1 改性羅丹明6G分子結構式

1.2 溶液配制與前處理

染料標準溶液配制:稱取染料固體62.5 mg,轉移至50 mL燒杯中,加乙醇(～94 mL)溶解、轉移至250 mL容量瓶中,加水定容,配至250 mg/L濃度(用于測試條件優(yōu)化),用乙醇(37.5 vol%)水溶液,將250 mg/L分別稀釋至200 mg/L、150 mg/L、100 mg/L,用于濃度線性曲線的測量。

室溫光照條件:將配制好的改性羅丹明-6G溶液放置于透明容量瓶中,室溫(20～25 ℃)、密封、放置于試驗臺上自然光照,一定時間后取樣測試,用于日照機理分析。

測試條件優(yōu)化:激光波長(532 nm,785 nm)、增強劑比例(V樣品∶V增強劑=1∶1、2∶1、4∶1)、增強劑和樣品混合后放置時間(0 h、0.5 h、1 h、干燥5 h)、采譜條件(采譜時間10 s,積分次數3次)。

溶液前處理:用移液槍分別吸取染料樣品(體積根據比例確定)、增強劑50 μL,先后分別加入離心管中(圖2a)混合搖勻放置5 min,用移液槍吸取下層溶液50 μL滴在鋁箔(包裹在凹槽的載玻片上,圖2b),放置一定時間待測。

圖2 染料溶解測試過程圖

1.3 光譜采集

光譜采集測試:打開激光器,測試前用si片進行峰位校正;用x50倍物鏡,激光聚焦成像;設置采集時間、積分次數,進行光譜采集得到光譜圖。

1.4 數據處理

對所得拉曼光譜進行批處理,分別截取(885～985 cm-1)和(2062.5～2162.5 cm-1)兩個峰,扣背底,擬合得到峰位、峰高、半高寬和峰面積。

2 結果分析

以濃度為250 mg/L的改性羅丹明6G為研究對象,以主峰的信號強度與背底的比值作為信噪比的評價指標。

2.1 測試條件優(yōu)化

以532 nm激光為激發(fā)光源,光譜大范圍掃描,可觀測到樣品的熒光背底如圖3所示,熒光峰位于300 nm附近;532 nm染料信號峰更接近熒光峰,受熒光背底影響較大;785 nm染料信號峰距熒光峰稍遠,對信號峰影響小,因此選用785 nm作為激發(fā)源。

圖3 532 nm激光波長的染料信號峰

不同的增強劑比例的拉曼光譜圖如圖4所示,V樣品:V增強劑分別為1∶1、2∶1、4∶1,從圖中可知2∶1信噪比最好,1∶1稍低,4∶1最差。

圖4 不同的增強劑比例的拉曼光譜圖

放置時間是信號強度和熒光背底的主要因素,其影響如圖5所示,圖中譜圖按最優(yōu)條件參數采集,放置時間右上角分別為0、0.5、1和5 h(已干燥),從圖中看出0 h信號峰較低約500 cps,熒光背底較小,隨著時間延長至0.5 h,信號峰強度提高至10000 cps,同時熒光背底也增大,放置0.5 h信噪比最好。繼續(xù)延長放置時間至1 h,熒光背底增大較多導致信噪比下降,干燥后信噪比更差。

圖5 放置時間對信號強度和熒光背底的影響

確定改性羅丹明6G拉曼特征峰為F1 (935.2 cm-1)和F2(2062.5 cm-1),F1為取代基C-F鍵的振動峰,F2為主結構氧雜蒽鍵的振動峰,如圖4所示。

確定最優(yōu)測試條件為:激光波長(785 nm)、增強劑比例(V樣品∶V增強劑=2∶1)、增強劑和樣品混合后放置時間(0.5 h)。采譜條件(采譜時間10 s,積分次數3次),采集時間越長,信號強度越高,但熒光背底越高;積分次數越多,曲線越平滑,但過多會導致部分峰因平均化而消失。

2.2 染料濃度測定方法

染料濃度是染料失效的一個重要指標,在拉曼光譜測試過程中,濃度的測定難度較大,由于增強劑的穩(wěn)定性、溫度變化,引起染料與增強劑之間的團聚吸附速率變化,最終影響信號強度。本文以改性羅丹明-6G主相特征峰(F2)的峰面積作為響應值,建立此標準曲線,以確定此方法的線性區(qū)間、方差和檢出限。

用固體改性羅丹明-6G染料配置四個不同濃度染料樣品:250、200、150、100 mg/L,按3.1節(jié)中的測試方法進行測試,每個點測試3個平行樣,得到的光譜圖經扣背底、尋峰、擬合計算得到峰面積作為主相濃度響應值,響應值-濃度做曲線,得到曲線如圖6所示。

圖6 響應值-濃度關系曲線

圖中線性曲線方程分別為公式(1)所示,線性相關系數為0.968。以250 mg/L濃度的三個平行樣品的峰面積13078.8,13738.93,14118.78分別得到相對標準偏差3.85%。

y=55.89x+802.92

檢出限的測定——用上述標液配制5、10、25、50 mg/L低濃度樣品,按3.1節(jié)中的測試方法進行檢出限的測定,濃度<10 mg/L未檢測到主相信號,25 mg/L濃度可檢測到信號較好,確定3.1節(jié)的方法的檢出限為25 mg/L。

2.3 染料光照分解機理

對濃度為250 mg/L的改性羅丹明-6G溶液,放置光照不同時間后取樣、測試得到拉曼光譜,經譜圖分析,得到表1中峰高和峰面積信息,利用公式(1)計算得到染料溶液的濃度。結果表明光照時間的增加,染料濃度逐漸下降。通過液質聯用儀質譜端進樣,對光照5天和90天的染料進行全譜掃描,得到其主峰的響應值從1.68E7降至4.16E6,與拉曼數據相吻合。并且分析發(fā)現HF1∶F2峰高比隨光照時間增加也呈下降趨勢;F1峰振動歸屬于苯環(huán)取代基上的C-F鍵,F2峰振動歸屬于聯苯內的氧雜蒽鍵,說明改性羅丹明6G在光照分解過程中,染料分子的主鏈氧雜蒽鍵發(fā)生了分解,同時取代基也發(fā)生了分解,并且取代基分解概率高于聯苯的氧雜蒽鍵。

表1 不同光照時間的光譜數據值

3 結語

本文對激光波長、增強劑比例、穩(wěn)定時間、光譜采集等參數的影響進行了優(yōu)化分析,確定了最優(yōu)的測試條件為:激光波長(785 nm)、增強劑比例(V樣品∶V增強劑=2∶1)、增強劑和樣品混合后放置時間(0.5 h)、采譜條件(采譜時間10 s,積分次數3次)。以F2峰峰面積為響應值,建立響應值-濃度曲線,得到了濃度線性方程。此方法線性相關系數為0.968,標準偏差3.85%,檢出限為25 mg/L。對光照分解的染料定期取樣測試其濃度和特征峰變化情況,結果表明隨著光照時間的增加,染料濃度迅速下降,同時HF1∶F2峰高比下降,其中F1峰與取代基中C-F鍵相關振動峰,F2峰為氧雜蒽鍵的振動峰,說明羅丹明-6G染料日照分解過程中,主鏈和支鏈均發(fā)生斷裂,其中C-F鍵更易斷裂。其斷裂原因尚不明確,可能與C-F鍵所在支鏈易橋連,使得電荷中心轉移,導致C-F鍵斷裂。