靜電紡絲技術(shù)制備熱耐受性SERS基底

李朵朵,邵菲,胡森,郭小玉,文穎,楊海峰

(上海師范大學(xué)資源化學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院 上海200234)

1 引言

農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留嚴(yán)重威脅人類健康。以福美雙為例,合理使用能有效防治植物的腐爛病、穿孔病、白腐病、灰霉病等,但過度使用會(huì)導(dǎo)致福美雙在食物、水源及土壤中殘留,通過食物鏈危及生命安全[1-2]。針對(duì)農(nóng)藥殘留檢測(cè),常見方法有高效液相色譜法 (HPLC)[3]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法 (GC-MS)[4]和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法 (LC-MS)[5]等。上述檢測(cè)方法準(zhǔn)確,靈敏度高,但樣品前處理復(fù)雜,儀器成本高,無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[6],表面增強(qiáng)拉曼散射 (SERS) 技術(shù)檢測(cè)福美雙,具有準(zhǔn)確、快速、便捷、無損檢測(cè)、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)。

金,銀等貴金屬納米粒子 (AuNPs, AgNPs) 具有良好的SERS效應(yīng),但在實(shí)際應(yīng)用時(shí),常易團(tuán)聚不穩(wěn)定,不利于定量分析。制備Au和Ag復(fù)合基底,由于金屬間的協(xié)同作用,一定程度上可提高穩(wěn)定性和電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)[7]。將貴金屬納米粒子負(fù)載到柔性材料表面,可使得分析物與基底表面緊密接觸,并且提高基底的穩(wěn)定性與檢測(cè)的靈敏度[8-9]。采用印刷[10-12]、染色[13]、靜電紡絲[14-16]等制備工藝可獲得柔性基底。其中,靜電紡絲設(shè)備簡單,操作容易,可廉價(jià)批量制備柔性基底而受到關(guān)注[17-20]。此外,電紡絲表面通常疏水,可將目標(biāo)分子與納米粒子局限在有限區(qū)域內(nèi),從而進(jìn)一步有利于SERS信號(hào)提升。

聚(苯乙烯-丁二烯) (SB) 是一種疏水、無毒、熱塑性聚合物,其既有塑料的剛性又兼?zhèn)湎鹉z的彈性。本工作制備了Au@AgNPs/SB膜,通過掃描電子顯微鏡 (SEM) 進(jìn)行表征,以羅丹明6G (R6G) 為探針分子對(duì)SERS基底靈敏度及穩(wěn)定性考察。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,SB纖維膜大表面積的疏水性有利于樣品分子有效聚集但不產(chǎn)生“咖啡環(huán)”,同時(shí)提供更多有效“熱點(diǎn)”區(qū)域,大大改善分析的靈敏度和信號(hào)穩(wěn)定性。升溫光譜實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該基底有很好的熱耐受性,有利于樣品熱處理提高溶解性后在相對(duì)高的溫度檢測(cè)。基于Au@AgNPs/SB膜,發(fā)展的SERS方法對(duì)福美雙殘留進(jìn)行了分析,線性良好,檢測(cè)限較低,符合國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)檢測(cè)性能的要求。

2 實(shí)驗(yàn)材料與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

氯金酸 (HAuCl4·4H2O) 購自國藥集團(tuán)化學(xué)有限公司。聚 (苯乙烯-丁二烯) (Poly (styrene-co-butadiene))、抗壞血酸 (AA)、硝酸銀 (AgNO3)、羅丹明6G (R6G) 購自Sigma-Aldrich公司。N,N-二甲基酰胺 (DMF)、四氫呋喃 (THF) 購于麥克林試劑公司。福美雙 (C6H12N2S4) 購于阿拉丁 (上海) 公司。以上試劑皆為分析純。實(shí)驗(yàn)所用水均為二次蒸餾水。

用紫外-可見分光光度計(jì) (UV-7504)表征AuNPs和Au@AgNPs的等離子體共振 (SPR) 光譜。用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡 (SEM,JEOL6380LV) 及透射電子顯微鏡 (TEM,JEM-2100EXII) 表征 Au@AgNPs負(fù)載SB纖維膜形貌。拉曼光譜實(shí)驗(yàn)均在SuperLab Raman Ⅱ (Dilor) 共聚焦激光拉曼顯微鏡 (激發(fā)波長:632.8 nm) 完成,掃描時(shí)間設(shè)定為8 s,累積為3次。

2.2 實(shí)驗(yàn)過程與方法

根據(jù)文獻(xiàn)[21-22]中報(bào)道的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件,制備了20 wt%電紡前驅(qū)液。 將聚 (苯乙烯-丁二烯) (SB) 溶于體積比為1:4的THF和DMF混合液中,攪拌至完全溶解。電紡電壓設(shè)置為12 KV,流速設(shè)置為0.25 m/h,獲得SB靜電紡絲纖維膜。

采用經(jīng)典turkevich[23]的方法合成金溶膠。具體操作如下,取250 μL,0.1 mol/L 氯金酸于盛有100 mL去離子水的錐形瓶中,磁力加熱攪拌直至沸騰。隨后加入1.5 mL 1% 檸檬酸三鈉溶液,持續(xù)反應(yīng)半小時(shí),顏色呈現(xiàn)酒紅色,表明AuNPs成功制備,分散以備后續(xù)使用。

Au@AgNPs制備方法。采用上述制備的金溶膠為種子,抗壞血酸還原硝酸銀為殼[24]。取上述10 mL金溶膠于燒杯中,攪拌條件下加入還原劑1500 μL AA (10-1mol·L-1),隨后緩慢加入3.5 mL AgNO3(10-3mol·L-1)溶液,常溫反應(yīng)1小時(shí)后,溶液顏色變成橘黃色,表明Au@AgNPs成功制備。

參考文獻(xiàn)[25-26]的優(yōu)化結(jié)果,本文采用10μL作為負(fù)載量。取10 μL 離心洗滌后的Au@AgNPs溶膠滴于SB電紡纖維膜上,室溫干燥至Au@AgNPs溶膠完全干燥后即Au@AgNPs/SB膜制備完成,并用于下述實(shí)驗(yàn)。

2.3 SERS性能測(cè)試

分別移取一定濃度的福美雙 (10 μL) 于該Au@AgNPs/SB膜SERS基底上,室溫干燥后用于SERS信號(hào)檢測(cè)。拉曼光譜實(shí)驗(yàn)均在共聚焦激光拉曼光譜儀 (法國Dilor Super Lab Raman II, 激發(fā)波長:632.8 nm 及1024×256像素半導(dǎo)體冷卻CCD檢測(cè)器)上進(jìn)行,設(shè)置每次掃描時(shí)間為8秒,累積3次。

3 結(jié)果與討論

3.1 Au@AgNPs/SB膜制備及表征

圖1為Au@AgNPs/SB膜基底的制備及其SERS檢測(cè)農(nóng)殘應(yīng)用示意圖。在SB電紡纖維膜上負(fù)載Au@AgNPs有利于金屬納米粒子有效聚集,形成局域表面等離子共振(SPR)電場(chǎng)增強(qiáng),大大提高目標(biāo)物的拉曼信號(hào)[27]。圖2(A)是AuNPs和Au@AgNPs溶膠的UV-vis譜圖。AuNPs在522 nm處出現(xiàn)很強(qiáng)的表面等離子共振吸收峰。當(dāng)銀殼包覆后生成Au@AgNPs,出現(xiàn)銀殼在400 nm的SPR峰,同時(shí)AuNPs的SPR峰藍(lán)移至480 nm并衰減,表明合成成功。從圖2(B)中可見,Au@AgNPs均勻且密集分布在SB纖維膜上,成功獲得柔性SERS膜。圖3是Au@AgNPs的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖,納米粒子均一,平均粒徑約為40 nm。圖3的內(nèi)插圖清晰可見,銀殼層均勻包裹在金核外面,層厚約3 nm。

圖1 Au@AgNPs/SB膜SERS基底的制備及其應(yīng)用

圖2 (A)UV-vis譜圖,(a) Au@AgNPs (b) AuNPs; (B) Au@AgNPs/SB膜SEM圖

圖3 Au@AgNPs 核殼納米粒子的TEM圖

3.2 Au@AgNPs/SB 膜SERS性能考察

以R6G為探針,考察 Au@AgNPs/SB 膜SERS性能。如圖4所示,隨著R6G濃度降低,SERS信號(hào)減弱,最低檢測(cè)濃度可達(dá)10-9mol/L(信噪比的3倍),Au@AgNPs/SB膜有很好的SERS效應(yīng)。

圖4 Au@AgNPs/SB上不同濃度R6G的SERS光譜: (a)10-6, (b)10-7, (c)10-8, (d) 10-9 mol/L

為探究 Au@AgNPs/SB膜基底受熱性能與SERS性能關(guān)系,對(duì)該基底進(jìn)行兩次循環(huán)常溫-升溫,并在過程中采集拉曼光譜。如圖5所示,經(jīng)過2次循環(huán)升溫后,R6G在611 cm-1處峰強(qiáng)變化不顯著,說明溫度改變并不影響 Au@AgNPs/SB 膜基底的SERS活性,即該基底具有較好的耐熱性。

圖5 兩次常溫 (20 ℃)及高溫 (90 ℃)循環(huán)檢測(cè)10-5 mol/L R6G 在Au@AgNPs/SB膜上的SERS信號(hào),根據(jù)特征峰611 cm-1峰值作的變化柱狀圖

Au@AgNPs/SB膜基底的信號(hào)采集重現(xiàn)性對(duì)其是否可定量分析應(yīng)用至關(guān)重要。如圖6A所示,以R6G為探針,在 Au@AgNPs/SB 膜基底表面隨機(jī)選取15個(gè)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè),光譜相對(duì)誤差(RSD)為4.20%,表明膜基底具有優(yōu)越的二維信號(hào)重現(xiàn)性,有利于實(shí)際樣品的定量檢測(cè)。為探究 Au@AgNPs/SB 膜制備的重現(xiàn)性,分別三次制備 Au@AgNPs/SB 基底并檢測(cè)10-6mol/L福美雙。如圖6B,該基底的重現(xiàn)性較好,福美雙1383 cm-1處的峰強(qiáng)RSD值為4.7%。

圖6 (A)在一片基底上隨機(jī)選擇15個(gè)位點(diǎn)檢測(cè)R6G溶液 (10 μL,10-6 mol/L)的 SERS光譜;(B) 三次制備的Au@AgNPs/SB基底檢測(cè) 10-6 mol/L 福美雙在 1383 cm-1 處峰強(qiáng)統(tǒng)計(jì)

3.3 Au@AgNPs/SB SERS基底檢測(cè)福美雙

農(nóng)藥福美雙常用作SERS基底性能考察的模比較了五種不同基底檢測(cè)福美雙的分析性能,如表1所示,本工作所制備Au@AgNPs/SB膜具有較低的SERS檢測(cè)限,較寬的線性范圍,且易于大規(guī)模制備,在環(huán)境農(nóng)藥殘留檢測(cè)中有廣泛的應(yīng)用前景。

表1 不同SERS基底用于檢測(cè)福美雙的方法性能比較

式探針分子,分子靠近金屬納米粒子(如Au@AgNPs)表面,會(huì)發(fā)生S-S鍵斷裂,生成二甲基殘基,以巰基吸附在Ag殼層上,產(chǎn)生較強(qiáng)的SERS信號(hào)。本工作液考察了用 Au@AgNPs/SB 膜基底SERS定量檢測(cè)福美雙的性能。從圖7可見,以福美雙在 1383 cm-1處的SERS峰強(qiáng)與其濃度作圖,在1×10-5到5×10-8mol/L范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù)R2=0.936)。根據(jù)信噪比3倍,估算靈敏度為3.65×10-9mol/L。

圖7 (A)不同濃度福美雙溶液在Au@AgNPs/SB 膜上的SERS光譜圖:(a) 1×10-5,(b) 5×10-6, (c) 1×10-6,(d) 5×10-7, (e) 5×10-8 mol/L;(B)1383 cm-1 處峰強(qiáng)與福美雙濃度線性關(guān)系圖

4 結(jié)論

本工作中以納米金為模板,通過替代化學(xué)反應(yīng)制備了Au@AgNPs核殼型納米粒子,將其負(fù)載在SB電紡纖維膜上獲得柔性SERS基底。Au@AgNPs/SB膜有強(qiáng)的表面局域等離子體共振效應(yīng),對(duì)目標(biāo)分析有高的 SERS效應(yīng)。該基底熱耐受性優(yōu)良,有利于在加熱提高樣品分子溶解度,從而提高檢測(cè)能力。通過熱處理后,對(duì)農(nóng)藥殘留福美雙的檢測(cè)靈敏度有所提高,最低檢測(cè)限為3.65×10-9mol/L。