一种用于高效检测毒品的敏感薄膜材料及制备方法 【技术领域】
本发明属于光学传感领域，涉及一种用于高效检测毒品的敏感薄膜材料及制备方法。
背景技术
毒品主要是指鸦片、海洛因、甲基苯丙胺(冰毒)、吗啡、大麻、可卡因以及国家规定管制的其它能够使人形成瘾癖的麻醉药品和精神药物。当前，毒品在全球泛滥，日趋严重的毒品问题已成为全球性的灾难。毒品的泛滥不仅威胁人民的身心健康，还严重危害社会稳定。面对异常严峻的毒品犯罪形势，各国政府一方面加大力度宣导广大人民远离毒品，另一方面加大力度打击毒品犯罪。作为打击毒品犯罪的一个环节，毒品检验日益凸显其重要性。
现有技术中的毒品鉴定方法包括外观检验、化学检验法、免疫学检测法、薄层色谱分析法、气相色谱法、高效液相色谱法、色谱/质谱联用分析法。其中，外观检验是遇有送检的可疑毒品，首先观察其物理特性(形态、颜色、实物大小等)和物理状态(液体、粉末、片剂、胶囊、植物、软的或硬的树脂、油状物等)，进行称重、编号、详细记录其总体特征和包装情况等。如果可疑毒品为片剂，应对片剂的形态、颜色、明显标记及片剂的数量进行记录；其中也包括用显微镜进行形态特征检验。有一些植物样品有明显的特征，如大麻草，可用显微镜观察区别，然而该方法存在很大的局限性。化学检验法是毒品鉴定中常用颜色反应进行筛选和预实验。特定的毒品与不同的化学试剂反应时会产生不同的颜色变化、沉淀物或者结晶。观察反应的结果以判断是否可能存在某种毒品。因为产生同一种颜色或沉淀的化学物质很多，反应可能出现假阳性的情况。所以化学检验法通常只是用于毒品的筛选和预实验。免疫学检测法一般用于毒品的筛选，也可用于确证。目前，国内外巳有许多用于毒品现场检测的免疫学产品。与国外实验室相比，免疫学检测法在国内的应用非常有限。薄层色谱分析法(TLC)是法庭毒物实验室最为简便、有效的定性分析手段之一。将可疑毒品或者提取净化的检材在TLC板上点样，并以标准品作为对照，展开、显色后，测定被检物的Rf值并与标准品Rf值对比，即可达到定性分析的目的。近年来，国外有人报道了利用计算机辅助TLC对250种未知药物和毒品进行筛选的技术。该技术适用于血清、血液、尿液，以及可疑药物粉末和药片中未知药物的检验。用4种参考药物将薄层板分为5个迁移区，以实现对样品斑点的定位。氯气和HCl蒸气等用于斑点显现，其检测限范围5～200ng/spot。气相色谱法具有分离效果好、灵敏度高、特异性强、分析速度快等特点，气相色谱法是目前国内毒品鉴定中最常用的检测手段。高效液相色谱的原理与气相色谱相对，但对热不稳定、不易挥发、具有大分子量的各种毒品进行分离检测，目前常用的检测器有紫外检测器、二极管阵列检测器、荧光检测器等。据报道，国外有人应用GC/MS/MS对超微量滥用药物进行分析，由于采用了离子阱(MS)2技术，与传统的高灵敏的STM或NCI检测相比，GC/MS/MS的本底非常小，对目标化合物的鉴定更准确，因而可以对血液中ppb级的滥用药物进行分析。GC/MS的发展较成熟，国内许多实验室都配备了这种仪器，但是不宜分析强极性、高沸点、难气化和较大分子量的毒品。也可以通过TLC分离净化，进行刮板纯化后利用GC/MS仪的固体进样杆来分析。近年来，吗啡的检测方法得到了很大的改进。高效液相色谱(HPLC)由于其高灵敏度而广泛应用，另外酶免疫方法的灵敏度也很高，但是由于保持酶活性所需的环境条件很苛刻，所以造价较高。用分子印迹(MIP)来检测吗啡凸显了其稳定性好，灵敏度高，选择性好等优点。
然而这些方法都需要对样品进行预处理，去除干扰杂质，富集痕迹量待测组分，针对样品成分复杂、大规模检测的情况，上述方法需要专门技术人员和大规模昂贵仪器，不适合犯罪现场的快速检测，且有的方法还存在重现性不好或样品制备周期过长等问题。在此背景下，国内外法庭科学家积极开发新的检测技术和样品预处理方法，分子印迹技术从此被应用到法庭科学中来。该技术具有高效、快速、低成本、易操作、样品量少，选择性高等突出优点，尤其是将该技术与可微型化的表面等离子共振仪联用，可以实现准确的现场毒品检测。
纳米金(Nanogold)是指金粒子直径在1-100nm之间的金材体。因为免疫分析中常以金颗粒分散在水中所形成地金溶胶进行应用，故又称胶体金。纳米金属于介观粒子，具有特殊的电子结构，在一些特定的晶面上存在着表面电子态，其费米能级恰好位于体能带结构沿该晶向的禁带之中。因此，处于此表面态的电子由于功函数的束缚而不能逸出外围；又由于体能态的限制而又不能深入内层，形成了只能平行于表面方向运动的二维电子云。这是纳米金颗粒所具有表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应的物理基础。纳米金的颜色随其直径大小和周围化学环境的不同而呈现红色至紫色，并具有很强的二次电子发射能力。上世纪70年代，由于纳米金独特的优点，作为标记物引入免疫学实验，才成了现代免疫学四大免疫标记技术之一的纳米金标记技术，并得到广泛应用。根据纳米粒子聚集后粒子间距减小，导致了表面等离子体传播(SPP)模式传播特性的改变。局域表面等离子体(LSP)模式和SPP模式的相互作用，这种相互作用随着纳米金属颗粒同时也受到外周环境介电特性影响。其表现如出现吸收光谱发生蓝移等现象。因此，Mirkin等人根据这种特性采用直接的颜色检测法来分析寡聚核苷酸的杂交特性。他们还通过改变温度，造成生物分子变性，观察到原先聚集的纳米粒子的重新分散，证明纳米金生物分子聚集过程的可逆性。进一步的研究表明，金属粒子所产生的等离子体可以增强其表面周围环境的电场。这种增强的电场可以和周围的环境发生相互作用，可以明显的改变共振粒子和周围环境的散射谱特性。例如：表面增强的拉曼谱仪(SERS)就是利用局域化的等离子体共振来增强其散射特性。其中，检测材料的拉曼散射，利用等离子体形成的近场来增强散射强度。贵金属纳米粒子具有局域表面等离子体增强效应，因此将贵金属纳米粒子引入到表面等离子体共振技术与分子印迹技术联用体系可增强检验信号，提高检测限，可推动表面等离子体共振技术在毒品检验中的发展。
分子印迹与表面等离子共振联用技术(SPR)与微流控芯片和光子晶体、免疫标记芯片相比较，在制备、检测、仪器的维护、芯片的再生等方面均具有绝对的优势，这一技术稳定性好、实用性强、造价低廉，更加适合我国的国情和公安实战需求。相关研究成果将解决基层禁毒工作中存在的仪器设备陈旧老化、技术人员匮乏、办案效率低下等问题，以快制胜严厉打击毒物毒品犯罪，震慑犯罪分子，维护社会的长治久安，有着不可低估的社会效益和实用价值。
申请号200910119164.5披露了一种光学传感器的毒品吗啡分子识别敏感芯片，该芯片与SPR联用但没有引入纳米粒子，其检测限为10-8mol/l。
目前，国内外没有以纳米粒子技术与分子印迹技术和SPR技术联用检测毒品的相关报道。此技术检测毒品灵敏度高，达到国际领先水平。
【发明内容】
本发明的目的在于提供一种用于高效检测毒品的敏感薄膜材料。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高效检测毒品的敏感薄膜材料，该薄膜材料是采用原位聚合技术制备的，即在贵金属薄膜表面，使功能单体、毒品分子和贵金属纳米粒子原位聚合，从而形成贵金属纳米粒子掺杂的分子印迹聚合物薄膜。
所述的贵金属纳米粒子是金、银、铂等纳米粒子；优选的所述贵金属纳米粒子大小是20-100nm。
所述贵金属纳米粒子是通过如下方法制备得到的：将贵金属源和表面活性剂在水溶液中混合，在剧烈搅拌下逐滴加入到11-巯基十一酸的甲苯溶液或逐滴加到十二硫醇中，然后加入过量的还原剂，搅拌得到。
其中，所述贵金属源和所述表面活性剂的摩尔比1∶1-3；所述贵金属源和所述11-巯基十一酸或十二硫醇的摩尔比1∶0.5-2；所述的贵金属源是选自如下之一的化合物：氯金酸、硝酸银或氯铂酸；所述表面活性剂是选自如下之一的化合物：十六烷基溴化铵或十六烷基氯化铵；还原剂是选自如下之一的化合物：柠檬酸钠、硼氢化钠、或盐酸羟氨。
所述的原位聚合技术是原位热聚合或原位光聚合。
所述的贵金属薄膜是金膜、银膜、铝膜或铜膜中的一种；所述的功能单体选自如下一种或两种化合物：丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、三氟甲基丙烯酸、亚甲基丁二酸、丙烯酰胺；所述毒品分子可以是选自如下之一的化合物：海洛因、吗啡、可卡因等。
本发明的另一个目的在于提供一种制备所述的用于高效检测毒品的敏感薄膜材料的方法，包括：
(1)贵金属纳米粒子的制备：将一定比例的贵金属源和表面活性剂在水溶液中混合，在剧烈搅拌下逐滴加入到11-巯基十一酸甲苯溶液或逐滴加入十二硫醇中，得到表面带有不同官能团的纳米贵金属粒子，然后加入过量的还原剂，搅拌得到贵金属纳米粒子；
(2)贵金属纳米粒子掺杂的分子印迹聚合物薄膜的制备：将功能单体、毒品分子和步骤(1)得到的贵金属纳米粒子在致孔剂中超声溶解并在密封下预反应；加入交联剂、引发剂，超声并通氮气；取混和液滴于硅烷化载玻片上，加支撑膜，盖上金属膜基底，放入烧杯中，氮气氛密封进行原位聚合；利用洗脱剂除去镶嵌在所述功能高分子聚合物膜中的毒品分子，在真空条件下干燥至衡重。
在步骤(1)中，所述的贵金属源可以是如下之一的化合物：氯金酸、硝酸银或氯铂酸；表面活性剂选自如下之一的化合物：十六烷基溴化铵或十六烷基氯化铵；还原剂选自如下之一的化合物：柠檬酸钠、硼氢化钠、或盐酸羟氨；
在步骤(2)中，所述的功能单体选自如下一种或两种化合物：丙烯酸、甲基丙烯酸、甲基丙烯酸酯、三氟甲基丙烯酸、亚甲基丁二酸、丙烯酰胺；毒品分子可以是选自如下之一的化合物：海洛因、吗啡、可卡因等；致孔剂选自如下一种或两种化合物：氯仿、二氯甲烷、乙腈、甲醇、N，N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜；所述交联剂选自如下之一的化合物：乙二醇二甲基丙烯酸酯、N，N’-亚甲基二丙烯酸胺、N，N’-1，4-亚苯基二丙烯酰胺；所述引发剂选自如下之一的化合物：偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、过氧化苯甲酰；所述的洗脱剂为有机溶剂与酸的混合液或者是有机溶剂与水和酸的混合液；所述的有机溶剂为甲醇或乙腈，所述的酸为乙酸，并且酸与有机溶剂的体积比为1∶1～50；水、酸与有机溶剂的体积比为1∶1～10∶1～500。
其中，各原料用量配比如下：
所述的贵金属源和所述的表面活性剂的摩尔比1∶1-3；
所述的贵金属源和所述的11-巯基十一酸或十二硫醇的摩尔比1∶0.5-2；
所述的毒品分子与所述的功能单体摩尔比1∶3-7；
所述的毒品分子与所述的交联剂摩尔比为1∶1-8；
所述的引发剂与所述的聚合反应单体的摩尔比为0.06～0.15∶1；
毒品分子与贵金属纳米粒子的摩尔比为1∶1-1∶2；
功能单体与致孔剂的体积比为1∶100-1∶300。
进一步，本发明还提供了所述用于高效检测毒品的敏感薄膜材料的应用，所述的毒品包括海洛因、吗啡、可卡因等，是采用表面等离子体共振技术(SPR)检测。
使用常规方法进行SPR实验，一般为首先在传感片表面固定一个反应物，使其形成分子敏感膜，然后将含待测物的样品以恒定的流速通过传感片，传感片上分子间相互作用的情况可由SPR信号的改变反映出来，并通过计算机将整个反应过程显示和记录下来。
毒品敏感芯片作为SPR的传感芯片，当待测样品通过传感芯片表面时，利用SPR检测待测样品与分子识别敏感芯片界面处全反射光的光强变化来直接测定待测样品中的毒品含量。具体操作步骤如下：
a、将光学传感器的毒品分子识别敏感芯片固定在SPR中作为传感芯片；
b、将有机溶剂流过传感芯片表面，待反射光强达到稳定不变时，对反射光强按角度进行扫描，记录下SPR光谱图；
c、取不同浓度的毒品标准溶液，按照由低浓度到高浓度的顺序，分别流过表面等离子体共振传感芯片的表面；
每次流入一定浓度的毒品标准液，与传感芯片反应1-5min，然后流过有机溶剂，待反射光强达到稳定不变时，对反射光强按角度进行扫描，记录下此浓度的毒品标准液与传感芯片发生吸附反应后的SPR光谱图，至此完成一个浓度的毒品标准液的检测；
依此类推，直到得到各个浓度的毒品标准溶液与传感芯片反应后的SPR光谱图。
本发明的有益效果在于：本发明采用原位聚合技术在贵金属薄膜表面形成贵金属纳米粒子掺杂的分子印迹聚合物薄膜，能快速，高效检测海洛因、吗啡、可卡因等毒品，其中，对海洛因的检测限可达10-9mol/L。本发明分子印迹聚合物薄膜物理化学性质稳定，能抵抗很强的机械作用，耐高温、高压、酸、碱和有机溶剂，不易被生物降解破坏，在很多方面要优于天然的生物受体分子；制备方法简单，耗能少，反应时间短，干净无污染，易于推广；较生物金属膜基底易于保存和使用；可多次重复使用，能长期保持稳定。本发明将贵金属纳米粒子引入到表面等离子体共振技术与分子印迹技术联用体系中可增强检验信号，提高检测限，可推动表面等离子体共振技术在毒品检验中的发展。
【附图说明】
图1是本发明一种用于高效检测毒品的敏感薄膜材料结构示意图；
图2是实施例1中海洛因分子识别敏感薄膜材料在SPR上的响应谱图；
图3是实施例2中吗啡分子识别敏感薄膜材料在SPR上的响应谱图；
图4是实施例3中可卡因分子识别敏感薄膜材料在SPR上的响应谱图；
图5是比较例1中不加纳米金的敏感薄膜材料的SPR图；
图6是实施例1中加入纳米金的敏感薄膜材料的SPR图。
【具体实施方式】
本发明的用于高效检测毒品的敏感薄膜材料，是采用原位聚合技术制备的，即在贵金属薄膜表面，使功能单体、毒品分子和贵金属纳米粒子原位聚合，从而形成贵金属纳米粒子掺杂的分子印迹聚合物薄膜，其结构示意图如图1所示。
硅烷化载玻片采用如下方法得到：首先依次用铬酸洗液、二次蒸馏水和乙醇对载玻片进行反复清洗直至无明显污染；之后置于Piranha溶液，即H2SO4∶H2O2(3∶1，V/V)的混合溶液中于50℃加热1h，再依次用蒸馏水、乙醇淋洗，并用氮气吹干；最后在50mM三甲基氯硅烷的乙醇溶液中浸泡过夜，使之硅烷化。
支撑膜的制备如下：用拉制好的实验室常用封口膜紧粘在硅烷化载玻片的表面，再用刀片在封口膜的中间区域划出一方形空白区域，载玻片上残留的封口膜即为支撑膜。
金属膜基底的制备如下：在光学盖玻片上通过真空蒸发法镀上一层47nm厚的金属膜，以此作为金属膜基底。
实施例1
将200ml 15mM的氯金酸水溶液和400ml 1％的十六烷基溴化铵甲苯溶液混合，在剧烈搅拌下逐滴加入到100ml 0.5％11-巯基十一酸甲苯溶液中，然后逐滴加入100ml新制的40mM硼氢化钠，搅拌1h制得大小为20nm金纳米粒子。
称取18.5mg(0.05mmol)海洛因和17.4mg金纳米粒子，称取0.2mmol甲基丙烯酸，溶于3mL乙腈的溶剂中，振荡，混匀，超声溶解10min，密封，预反应3h。在预反应后的溶液中加入0.0793g(0.4mmol)乙二醇二甲基丙烯酸酯，0.0034g偶氮二异丁腈。超声波脱气10min后，通N2气10min。取数滴混和液滴于硅烷化载玻片上，加支撑膜，盖上金膜基底。放入烧杯中，通氮气10min，密封，置于集热式恒温加热磁力搅拌器中于60℃，氮气氛围中加热反应6h。反应结束后，将玻璃片分开，干燥至衡重，利用体积比为8∶2的甲醇和乙酸的混合液除去功能高分子聚合物膜中的海洛因分子。即可得到均匀的用于高效检测海洛因的敏感薄膜材料。其对海洛因的检测限可达10-9mol/L，按照常规方法在SPR上的响应曲线如图2所示。
实施例2
将200ml 15mM的硝酸银水溶液和400ml 1％的十六烷基氯化铵甲苯溶液混合，在剧烈搅拌下逐滴加入到100ml 0.5％十二硫醇中，然后逐滴加入100ml新制的40mM盐酸羟氨，搅拌1h制得大小是60nm银纳米粒子。
准确称取17.4mg银纳米粒子和印迹分子吗啡0.0143g(0.05mmol)和0.2mmol聚合反应单体丙烯酸，溶于3.0mL二甲基亚砜中，超声助溶5min后；再向上述混合液中加入0.0496g(0.25mmol)的交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.0030g的引发剂偶氮二异庚腈，超声作用5min后，通氮气除氧5mim；取数滴混和液滴于硅烷化载玻片上，加支撑膜，盖上铂基底。放入烧杯中，通氮气10min，密封，在氮气氛围中紫外灯照射反应5h。反应结束后，将玻璃片分开，利用体积比为4∶1∶1的甲醇、乙酸和水的混合液除去功能高分子聚合物膜中的吗啡分子。洗脱完毕后，在真空条件下干燥至衡重，最后得到均匀的用于高效检测海洛因的敏感薄膜材料。检测限可达10-9mol/L。按照常规方法在表面等离子体共振传感器上的响应曲线如图3所示。
实施例3
将200ml 15mM的氯铂酸水溶液和400ml 1％的十六烷基溴化铵甲苯溶液混合，在剧烈搅拌下逐滴加入到100ml 0.5％十二硫醇中，然后逐滴加入100ml新制的40mM柠檬酸钠，搅拌1h制得大小为100nm的铂纳米粒子。
称取15.15mg(0.05mmol)可卡因和17.4mg铂纳米粒子，0.2mmol聚合反应单体亚甲基丁二酸，溶于3mL二氯甲烷的溶剂中，振荡，混匀，超声溶解10min，密封，预反应3h。在预反应后的溶液中加入0.1189g(0.6mmol)的交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯，0.0034g过氧化苯甲酰。超声波脱气10min后，通N2气10min。取数滴混和液滴于硅烷化载玻片上，加支撑膜，盖上银膜基底。放入烧杯中，通氮气10min，密封，置于集热式恒温加热磁力搅拌器中于60℃，氮气氛围中加热反应6h。反应结束后，将玻璃片分开，利用体积比为7∶3的甲醇和乙酸的混合液除去功能高分子聚合物膜中的可卡因分子。即可得到均匀的用于高效检测可卡因的敏感薄膜材料。检测限可达10-9mol/L。按照常规方法在表面等离子体共振传感器上的响应曲线如图4所示。
比较例1
根据申请号200910119164.5的方法制备不加入纳米金的敏感薄膜材料，其在SPR上的响应曲线如图5所示。
图6是实施例1所得加入纳米金的敏感薄膜材料的SPR图。如图5和图6可见，不加纳米金，检测限在10-8mol/l，加了纳米金检测限在10-9mol/l，而且出现TM型光波导尖峰，更有利于定量分析。