“儀器分析實驗”開放性實驗設計及實踐

渠陸陸 張迎弟 戴詩雨

（江蘇師范大學化學與材料科學學院 江蘇徐州 221116）

儀器分析實驗是為化學專業學生開設的一門專業必修課，通過實驗操作可以鞏固學生對儀器分析中涉及的儀器理論知識的理解[1]，掌握儀器的基本原理及應用范圍，為培養學生的創新能力和科研思維奠定基礎。目前，儀器分析實驗課程內容大多集中于驗證性實驗，這種實驗方式雖然在一定程度上可以增強學生對基礎知識的理解和運用，但是在培養學生創新能力、激發學生科學研究興趣上有所欠缺[2]。開放性研究實驗則可以很好地解決這個問題，同時還能做到讓科研帶動本科教學、促進實驗室的建設。

拉曼光譜是用于研究分子結構的一種強大的表征方法，但是由于只有少數光子被拉曼散射，通常拉曼光譜信號強度較弱，這極大地限制了拉曼光譜的應用。1974 年，英國科學家發現粗糙的銀電極表面能夠極大地增強吡啶分子的拉曼信號，并將這種表面增強效應稱為表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）[3]。SERS 技術作為一種可以提供分子指紋信息的技術，具有檢測靈敏度高、干擾小、檢測速度快等優點，并且在環境污染分析、生物傳感等領域得到了廣泛應用[4]。但是本科生所使用的儀器分析教材大多對于拉曼、SERS 的介紹較少，教師對于這部分內容的講解也并不深入，而且由于拉曼儀器昂貴、SERS 信號重現性差等問題，導致很多高校在本科生教學中并未開展實驗教學環節。因此，許多學生要么對拉曼一知半解，要么對拉曼光譜的理解僅僅停留在枯燥的書本知識上。在這樣的情況下，將拉曼相關實驗引入本科教學的開放性實驗中顯得尤為重要，這不僅可以將理論知識與科研知識密切結合，并將理論應用于實踐，還可以以此培養學生濃厚的科研興趣和創新思維。

基于此，本文通過化學還原法制備銀納米顆粒，結合便攜式拉曼光譜儀對制備的納米顆粒的SERS 性能進行分析。通過對比羅丹明6G 溶液的拉曼光譜和SERS 光譜，讓學生深入理解銀納米顆粒對增強的作用。以氯化鈉為團聚劑，考察納米顆粒加入團聚劑前后顏色變化和SERS 信號的變化。將銀納米顆粒與不同濃度的羅丹明6G 混合，探究此時SERS 對羅丹明6G 的檢測能力，加深學生對SERS 技術的理解。將該實驗應用于本科生的開放式實驗，不僅可以改善本科生對SERS認識層次較低的現狀，增強學生對拉曼和SERS 基本原理的掌握，還可以提高本科生的實驗操作技能和科研技能，培養學生發現問題、分析問題和解決問題的綜合能力。

一、實驗目的

該實驗課程可以作為化學專業本科生儀器分析和設計性實驗的橋梁，學習目標如下：

（一）了解拉曼及SERS 的原理；

（二）了解團聚劑對于信號增強的作用；

（三）掌握銀納米顆粒的合成原理和步驟；

（四）通過檢測不同濃度羅丹明6G 的信號強度來提高實驗操作、解決實際問題、分析問題的能力，增強對SERS 技術的理解和運用。

二、實驗環節

該實驗旨在幫助本科生將課本上的拉曼光譜理論與實際操作中的動手實踐能力相結合，將理論應用于實踐，同時在實踐中鞏固理論。實驗環節主要包括以下部分：首先，回顧拉曼光譜和SERS 的基礎理論知識，學習拉曼實驗操作技能；其次，引導學生提出研究計劃；再次，學生進行實驗，在實驗期間學生可以多次實驗驗證其可行性，同時查閱文獻解決實驗中到的問題；最后，實驗結果分析與討論，學生撰寫實驗報告。在此實驗中，對參與學生進行分組，每組同學為3—5 人，實驗時間為5 小時。

三、實驗部分

（一）試劑

硝酸銀、檸檬酸鈉、羅丹明6G 和氯化鈉均是從上海阿拉丁生化科技股份有限公司購得。實驗中使用到的水是電導率為18 MΩ·cm 的超純水。所有的化學試劑均為分析純且使用前未經進一步純化。

（二）儀器

實驗所用的拉曼光譜儀為美國必達泰克公司的BWS415型便攜式激光拉曼光譜儀，激發波長為785nm，光譜分辨率為5cm-1，拉曼光譜儀光纖約為1.5m，便于提供現場簡易檢測。在未特殊說明下，實驗過程使用的光譜采集時間為10s，激光能量為10mW。

（三）銀納米膠體的制備

將0.018g 硝酸銀溶解在100mL 的超純水中，在磁力攪拌下將溶液加熱至微沸，然后向溶液中逐滴加入2mL 的1.0%（wt）的檸檬三酸鈉溶液，繼續保持溶液微沸10min，待溶液冷卻至室溫得到灰色銀納米顆粒膠體。

（四）拉曼和SERS 檢測

配制50mL 羅丹明6G 母液，濃度為10-4mol·L-1。用移液槍移取10 μL10-4mol·L-1的羅丹明6G 溶液，滴加在硅片上，檢測其拉曼信號。將10μL 羅丹明6G 溶液和10 μL 銀納米膠體混合滴加在硅片上，然后采集SERS 信號，通過該過程對比拉曼和SERS 信號的差異。

（五）團聚劑對SERS 信號的影響檢測

用超純水配制10-7mol·L-1的羅丹明6G 溶液，移取溶液與銀納米膠體混合，采集拉曼增強信號。然后往混合體系中加入0.3 mol·L-1的氯化鈉溶液，對比前后采集的拉曼信號。

（六）SERS 對羅丹明6G 的靈敏度檢測

用超純水配制不同濃度的羅丹明6G 溶液，濃度范圍為10-5mol·L-1—10-9mol·L-1。分別移取10μL 溶液與10μL 銀納米膠體混合滴加在硅片上，然后加入氯化鈉溶液，采集SERS信號。

四、結果和討論

該開放性實驗具體包括三個階段。第一階段是記錄羅丹明6G 的拉曼光譜和SERS 光譜；第二個階段是考察團聚劑對SERS 光譜強度的影響；第三個階段證明SERS 在羅丹明6G分析中的檢測性能。

（一）拉曼光譜和SERS 光譜對比

實驗過程中，我們選擇羅丹明6G 作為探針分子，因為該試劑價格便宜又能產生可重現的SERS 光譜，顯示許多容易區分的振動帶。為了讓學生深入體驗到SERS 與拉曼光譜對比在檢測分析中的增強能力，該實驗首先對比了羅丹明6G 的拉曼光譜和SERS 光譜。實驗采集了在不加入銀納米顆粒的情況下10-4mol·L-1的羅丹明6G 溶液的拉曼信號，獲得的為一條平滑的曲線，沒有采集到拉曼譜峰。當將羅丹明6G 和銀納米顆粒膠體混合后，檢測到羅丹明6G 明顯的拉曼增強信號。這主要是由于羅丹明6G 吸附在銀納米顆粒表面，其信號被放大，從而獲得增強的信號。

（二）SERS 檢測中的影響因素

金屬溶膠作為SERS 增強基底時，通常會往混合體系中加入適量的團聚劑，以促使納米顆粒適度團聚，從而獲得較佳的增強效果。研究表明，氯化鈉為常見的團聚劑，其能夠破壞銀納米顆粒表面的電荷平衡從而誘導納米顆粒團聚[5]。因此，實驗考察了有和無團聚劑存在下的羅丹明6G 的SERS 光譜。從圖2 可以發現加入團聚劑后獲得的信號強度約為沒有加入團聚劑下信號強度的3 倍，說明團聚劑的存在使得納米粒子之間的間隙滿足因表面等離子體共振作用產生的“熱點”，從而可以獲得較強的信號。

（三）SERS 對羅丹明6G 的檢測靈敏度

實驗開始之前，給學生布置查閱文獻的作業，確定之前報道的工作中該技術對羅丹明6G 的最低檢測濃度，以給后續的實驗提供基本的指導。并且要求學生通過記錄約1359cm-1處的特征峰出現的濃度，來判斷銀納米顆粒基于的SERS 技術對羅丹明6G 的檢測能力。

實驗將不同濃度的羅丹明6G 溶液與銀納米膠體混合，然后向混合體系中加入1 μL 氯化鈉溶液，隨即采集SERS 光譜。結果發現，在濃度范圍10-6mol·L-1到10-9mol·L-1內，隨著羅丹明6G 的濃度降低，SERS 信號強度逐漸降低。即使濃度低至10-9mol·L-1，羅丹明6G 的光譜特征也可以被明顯識別，其中611 cm-1、771 cm-1和1125 cm-1處的特征譜峰分別歸屬于C-C 環面內、面外彎曲振動和C-H 面內彎曲振動，1359 cm-1、1509 cm-1和 1648 cm-1，的特征譜峰均來源于芳香族C-C 伸縮模式[6]。當羅丹明6G 在較高濃度下（從10-6到10-5mol·L-1），隨著濃度的增加，SERS 響應強度基本保持不變，主要是由于銀納米顆粒表面的增強位點完全被吸附的羅丹明6G 分子占據而導致的。上述結果說明SERS 作為一項高靈敏的分析技術，結合增強基底，可以檢測低至10-9mol·L-1的分析物。

五、危害及安全防范措施

在拉曼光分析過程中，護目鏡是強制使用的，可以避免眼睛直接接觸激光。硝酸銀有毒且具有刺激性，與皮膚和眼睛接觸會導致灼傷，使用中要多加注意。制備的羅丹明6G 溶液濃度較低，因此只需采用標準的化學品處理預防措施比如穿戴實驗服、防護眼鏡和手套即可，實驗過程中不需要采用特別的預防措施。

結語

該開放性實驗合成了銀納米材料，結合便攜式拉曼光譜儀實現了對低濃度羅丹明6G 的分析。實驗的成功實施可以加強學生對納米化學和拉曼光譜基礎知識的理解，引導本科生意識到使用納米增強材料獲得SERS 信號的重要性，并對其影響因素進行深入了解。實驗過程中無須耗時的樣品制備和處理過程，即可對低濃度溶液進行快速的 SERS 分析；同時，通過讓學生自主查閱文獻，對實驗過程中遇到的現象和SERS譜峰進行分析，培養學生應用現代信息技術解決綜合應用問題的能力。該開放性實驗檢測快速，無毒無污染，非常適合化學專業的學生開展實驗操作，培養他們自主設計實驗、分析問題和解決問題的綜合能力。