基于分子印跡的高選擇性表面增強拉曼納米探針制備及其在環境污染物快速檢測中的應用

楊圓圓，李原婷

(上海應用技術大學 化學與環境工程學院，上海 201418)

隨著化學工業的發展，許多新興化學品相繼出現，如抗生素、增塑劑、全氟化合物、新型阻燃劑、興奮劑等。它們被人類大量使用，在環境中廣泛存在，但卻缺乏相應的檢測標準；且新興化學品可以通過多種途徑進入環境與人體，有潛在的生態和健康威脅。水體新興污染物(emerging contaminants,ECs)水溶性高，在環境水體中含量較低，并且部分ECs是結構類似物，因此對其的有效分離和分析是極大的挑戰。目前，ECs的主流檢測手段有HPLC-MS/MS(高效液相色譜-質譜聯用)和GC-MS(氣相色譜-質譜聯用)等[1-2]。但是此類方法通常具有檢測設備昂貴、設備不方便攜帶、需要復雜的樣品預處理步驟和檢測耗時長等不足，因而亟需開發選擇性高、靈敏度好、且簡單、快速、便于攜帶的ECs分析技術。

表面增強拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)作為一種新興的分析技術，可以快速原位獲取分子的“指紋”光譜，檢測靈敏度高，且儀器便攜，適用于新興污染物的現場快速檢測[3-4]。但是由于實際樣品基體往往十分復雜，目標污染物的結構類似物較多，或者在樣品中含量非常低，因而要求分析方法有較好的抗干擾能力和較高的靈敏度[5]。而分子印跡聚合物(molecularly imprinted polymer,MIP)技術的原理是，當模板分子(目標分子)與聚合物相結合，會形成多重作用位點并被“記憶”下來，當模板分子去除后，MIP中就形成與模板分子空間構型和尺寸相匹配的空穴，因而對模板分子具有高度選擇識別特性，能在復雜基體中特異性分離和識別出目標物[6-7]。因此，將MIP與SERS技術相結合，能有效提高分析方法的分離富集能力和檢測選擇性[8-10]。

在現階段的研究工作中，本課題組制備了一系列基于MIP技術的高選擇性SERS納米探針，并將其應用于水體污染物的快速檢測中。首先利用綠色的電化學制備技術，將修飾于絲網印刷電極(SPE)表面的薄層二硫化鉬(MoS2)進行電化學還原，得到還原態二硫化鉬修飾電極(rMoS2/SPE)。電化學還原法制備的rMoS2可迅速將正六價的氧化態Mo還原成正四價的還原態Mo，并且將氧化態二硫化鉬上所附帶的氧化基團徹底除去，穩定其結構，從而進一步增加比表面積、電導率和電子轉移速率，提高修飾電極的導電能力。進一步采用循環伏安法同時電聚合鄰苯二胺單體，模板分子和電還原SERS活性的金納米顆粒(AuNPs)，一步形成三維多孔結構的分子印跡SERS探針AuNPs-MIP/rMoS2/SPE。將該探針中的模板分子洗脫后，即可形成與模板分子空間構型相匹配的識別位點(見圖1)。該納米探針制備過程簡單快速，聚合物膜厚度可控，穩定性高，重復性好。將該探針應用于興奮劑類物質茶堿的定性定量分析，檢出限低至10-11mol/L。在復雜的實際樣品體系中，可可堿和咖啡因等結構類似物常與茶堿共存，容易形成干擾。當不同濃度比例的茶堿與咖啡因和可可堿共存時，分子印跡SERS納米探針相較于非印跡的探針表現出更低的光譜干擾。此探針制備方法有望拓展至其它分子印跡-SERS基底的制備，該成果已發表在MicrochimicaActa上[11]。

圖1 便攜式AuNP-MIP/rMoS2/SPE納米探針制備及檢測茶堿示意圖[11]Fig.1 Schematic illustration of fabricating portable AuNP-MIP/rMoS2/SPE nanoprobe for determination of theophylline[11]

同時，課題組致力于尋求新的分子印跡功能單體，并開發新型MIP-SERS探針的合成方法。多巴胺(DA)作為一種天然的功能單體，在堿性和溶解氧條件下容易自聚形成聚多巴胺(PDA)，反應條件溫和，生物相容性好，制備過程中無需引入交聯劑和引發劑等其他有機試劑。此外，通過控制聚合時間，單體濃度等條件，可有效控制PDA膜厚度，是一種理想的分子印跡聚合材料[12]。更有趣的是，PDA表面富含羥基和羧基等基團，可以在PDA膜表面原位還原金屬納米顆粒，而無需預合成貴金屬納米顆粒，避免了還原劑等有機試劑的加入，大大簡化了制備流程[13]。利用PDA的優勢，我們提供了一種新型PDA分子印跡SERS納米探針的制備方法(見圖2)。利用多巴胺的自發聚合特性，將DA與3種鄰苯二甲酸酯類(PAEs)模板分子在堿性溶解氧條件下勻速攪拌自聚，得到多種在SPE表面生長的PDA基分子印跡聚合物納米顆粒(MIP-PDA)。通過合理控制DA濃度、聚合時間和溫度，可以有效調控MIP-PDA層的厚度及空穴分布密度，顯著提高該分子印跡納米探針的吸附動力學性能。MIP-PDA中的模板分子通過超聲進行洗脫，形成具有特異性識別的位點。隨后，利用PDA表面的氨羥基官能團，在其表面原位還原生長金納米顆粒，得到基于金納米顆粒/聚多巴胺分子印跡聚合物納米探針(AuNPs/PDA-MIP)，并實現了對PAEs的選擇性富集和識別。制備得到的AuNPs/PDA-MIP納米探針對于鄰苯二甲酸二甲酯(DMP)的檢測限低至10-10mol/L，其SERS信號的增強遠遠超過非印跡納米探針(AuNPs/PDA-NIP)，見圖3(a)。吸附動力學研究表明，該納米探針可在10分鐘內迅速達到吸附平衡，使其在短時間內有效與DMP進行特異性結合，見圖3(b)。同時，該納米探針表現出良好的重復性，見圖3(c)，在貯存15周后對DMP的檢測仍具有優異的穩定性，見圖3(d)。這種綠色環保的制造方法有望用于合成高性能的傳感基底、吸附劑或催化劑中，并且在環境監測、食品安全和國土安全方面具有巨大的應用潛力。該成果目前已發表在ChemicalEngineeringJournal上[14]。

圖2 AuNPs/PDA-MIP納米探針的制備過程及檢測鄰苯二甲酸酯類示意圖[14]Fig.2 Schematic illustration of the preparation process of AuNPs/PDA-MIP nanoprobes for determination of phthalates[14]

圖3 (a)不同基底材料吸附1.0×10-5 mol/L DMP溶液后的SERS光譜圖(b)AuNPs/PDA-MIP與AuNPs/PDA-NIP的吸附動力學曲線 (c)吸附1.0×10-5 mol/L DMP后，在AuNP/PDA-ir-MIP/SPE任意選取20個不同位置記錄連續測量的SERS光譜 (d)AuNPs/PDA-MIP貯存0-15周后檢測的穩定性柱狀圖[14]Fig.3 (a) SERS spectra of the different substrate materials after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (b) The adsorption kinetic curves of AuNPs/PDA-MIP and AuNPs/PDA-NIP,respectively (c) Successively measured SERS spectra on 20 different positions of AuNP/PDA-ir-MIP/SPE after adsorption of 1.0×10-5 mol/L DMP (d) The stability histogram of AuNPs/PDA-MIP after the storage of 0-15 weeks[14]

上述MIP-SERS納米探針的制備方法操作簡單，不需要引入交聯劑、引發劑和還原劑等有機試劑，能夠降低成本且環境友好，解決了現有技術制備過程繁瑣，方法識別能力有限或需進行樣品前處理等問題。制備得到的納米探針能實現對目標分子的高選擇性高靈敏檢測，結合便攜式拉曼光譜儀，能滿足現場高通量的實際檢測需求。在未來的研究工作中，MIT-SERS納米探針有望與其他分析技術聯用，如微流控(Microfluidics)[15]、電化學富集(EP)[5]或固相萃取(SPE)技術[16]等，從而進一步優化分析技術的樣品預分離能力，有效提高MIP-SERS納米探針的選擇性吸附和檢測能力，為實際環境樣品中污染物的快速分離分析提供更優異的技術手段。