金納米立方體的制備及其對水體污染物的SERS檢測

馬玉琪,李磊,施浩洋,張仲鑫,李沛然,王聰,秦苗

(宿州學院 化學化工學院,安徽 宿州 254000)

隨著人類工業文明的發展進步,水資源污染問題每況愈下,研發出可以快速檢測水質、及時掌握水體動態變化的檢測新方法具有十分深遠的意義。孔雀石綠(Malachite Green,MG)作為一種人工合成的有機染料,常用于陶瓷、紡織、細胞化學染色等,但更為人們所熟知的用途是其具有殺滅霉菌的藥效,長期用于水產品養殖的驅蟲、殺菌以及防腐等方面[1-3]。隨著研究的不斷深入,孔雀石綠的安全性遭到質疑,科學家們發現其具有高毒性、高致癌、致突變和致畸的毒副作用,已被多個國家明令禁止使用,是水體污染和水產品安全中重點監控的污染物[4]。水產養殖禁止使用孔雀石綠幾乎家喻戶曉,但水產品中孔雀石綠的殘留卻時有發生。

現如今主要通過高效液相色譜法(HPLC)[5]和高效液相色譜串聯質譜法(LC-MS)[6]等方法來進行孔雀石綠的檢測,雖然這些方法具有分離效率高、檢測靈敏度高的優勢,但對于水體動態環境的實時檢測分析卻存在著檢測時間長、成本高、預處理復雜等劣勢[7]。因此,研究出能快速檢測動態水體中孔雀石綠殘留的新方法對保護水體環境有著積極的意義。

表面增強拉曼光譜法是一種新興的快速檢測方法,近年來得到了廣泛的研究與應用[8]。由于拉曼信號較弱,需通過將被測物吸附在某些粗糙的表面或金屬納米顆粒表面時(Ag、Au、Cu等),這樣可使得被測物質的拉曼散射產生極大的增強效應[9-11]。同時,與紅外光譜不同,水分子的拉曼信號可忽略不計,更適合對含水物質進行分析檢測[12]。因此,SERS分析技術由于前處理簡單、靈敏性高、檢測快速[13],為水體中孔雀石綠的檢測帶來了新的機遇。本研究建立了測定模擬真實水體中孔雀石綠污染的SERS檢測方法,簡單、高效、低損耗,在實際生活中有良好的應用前景。

本實驗利用種子生長法制備金納米立方體,使用掃描電子顯微鏡(SEM)、紫外-可見分光光度(UV-Vis)等方法對金納米立方體的形貌結構進行表征。并選用CV作為拉曼探針分子測定金納米立方體基底的SERS增強性能。進一步將MG粉末添加至湖水中,模擬真實水體中MG污染,以金納米立方體為SERS基底,利用拉曼光譜儀測其SERS光譜。研究建立了測定真實水體中MG的SERS分析方法,檢測效率高、成本低,具有實際應用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑

濃鹽酸,分析純,上海蘇懿化學試劑有限公司;濃硝酸,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;雙氧水,分析純,國藥集團化學試劑有限公司;結晶紫(CV),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;L-抗壞血酸(AA),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;氯金酸(HAuCl4),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;孔雀石綠(MG),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;十六烷基三甲基溴化銨(CTAB),分析純,國藥集團化學試劑有限公司;硼氫化鈉(NaBH4),分析純,國藥集團化學試劑有限公司。實驗用水均為宿州學院自制Milli-Q的超純水。

1.2 儀器

表面拉曼光譜儀,XPLORA PLUS型,法國HORIBA Jobin Yvon;超級恒溫水浴鍋,HK-2A型,南京南大萬和科技有限公司;臺式高速離心機,JW-3021H型,安徽嘉文儀器裝備有限公司;數顯恒溫磁力攪拌器,HJ-3型,金壇市杰瑞爾電器有限公司;紫外分光光度計,UV-5700型,日立科學儀器(北京)有限公司;數控超聲波清洗器,KQ5200DB型,昆山市超聲儀器有限公司;聚焦離子束顯微鏡(FIB-SEM),Zeiss Auriga Compact型,德國ZEISS公司;電子天平,FA1004N型,上海菁海儀器有限公司;多用途混勻儀,MTX2000型,杭州瑞城儀器有限公司。

1.3 實驗步驟

1.3.1 金納米立方體的合成

首先,配制種子液,將103 μL氯金酸(HAuCl4)水溶液(質量分數1%)和897 μL十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)水溶液(75 mmol/L)混合均勻。然后快速加入用冰水現配的0.6 mL硼氫化鈉(NaBH4)水溶液(10 mmol/L),溶液立刻變為茶褐色,并用磁力攪拌器攪拌5 min。溫度為25 ℃,靜置2 h,備用。

接著,配制生長液,向21.33 μL十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)水溶液(75 mmol/L)中加入790 μL氯金酸(HAuCl4)水溶液(質量分數1%)輕輕振動混勻,再加入99.19 mL抗壞血酸(AA)水溶液(0.645 mmol/L)輕輕搖晃數秒后,溶液立刻變成紅色。

最后,邊攪拌邊向25 mL的生長液中加入12.5 μL稀釋10倍的金種子溶液,靜置8 h。

1.3.2 金納米立方體SERS基底的制備

吸取適量上述溶液于1.5 mL的離心管中,進行離心(離心機參數設置為10 000 r/min,12 min)。離心結束后除去上層清液,其目的是除去金納米立方體的表面活性劑,再加入適量的超純水,放置于混勻儀中震蕩搖勻。重復上述離心操作,除去上層清液后,吸取2～3 μL上述離心產物滴在洗凈的硅片上,待自然晾干備用。

1.3.3 金納米立方體基底的SERS性能表征

稱取0.004 1 g的結晶紫(crystal violet,CV)于15 mL離心管中,加入超純水定容至10 mL,配置成1×10-3mol·L-1的CV待測溶液,然后依次稀釋到10-6,10-7,10-8,10-9mol·L-1。取2 μL不同濃度的CV溶液滴在上述制備好的基底上,等待自然風干,留一個空白基底作為對照。進行SERS檢測,拉曼光譜儀的檢測參數設置:激發波長為633 nm,積分時間為1 s,激發功率為500 mW,光譜范圍為400～1 800 cm-1。

1.3.4 孔雀石綠標準溶液的制備及SERS檢測

稱取0.004 64 g孔雀石綠粉末,溶解于約5 mL超純水中,并定容至10 mL容量瓶中,配得1×10-3mol·L-1的MG標準溶液。然后依次用超純水稀釋到濃度為10-6,10-7,10-8,10-9,10-10mol·L-1,備用。用移液槍依次取2 μL不同濃度的孔雀石綠待測溶液滴至基底上,并留一個空白基底作為對照。自然晾干后,進行SERS檢測。

1.3.5 真實水體中孔雀石綠的配置及SERS檢測

從學校珍珠湖取水100 mL,按上述操作步驟配得1×10-3mol·L-1的真實水體MG儲備液。然后依次用湖水稀釋,分別配制成濃度為10-6,10-7,10-8,10-9mol·L-1的真實水體MG待測溶液,備用。取上述不同濃度的孔雀石綠待測溶液2 μL滴在基底上,留一個空白基底加湖水作為對照。等待自然風干,利用拉曼光譜儀測得樣品圖譜。

2 實驗結果與討論

2.1 金納米立方體的形貌表征

利用紫外分光光度計對樣品進行紫外表征,吸取適量合成好的金納米立方體溶膠置于石英比色皿中進行吸光度測試,波長范圍設定為300～900 nm。紫外-可見吸收光譜測試結果表明該金納米立方體約在574 nm處有一個較為尖銳的表面等離子體共振吸收峰,表明制備出了金納米立方體,且金納米立方體具有一定的分散性,如圖1所示。

圖1 金納米立方體的紫外-可見光譜圖

利用掃描電子顯微鏡對樣品進行形貌觀測,取上述合成好的金納米立方體溶膠1 200 μL放入1.5 mL的離心管中,進行離心。離心后用移液槍吸去上層清液,目的是除去表面活性劑。接著進行第二次離心,同樣去除上層清液。然后加入少量純水,振蕩搖勻。取少量溶液滴于硅片上,等待其自然干燥。并進行掃描電鏡檢測,如圖2所示,金納米立方體很大程度上被合成出來,但是也有少量其他形貌的納米顆粒,這在種子生長法制備納米材料時有發生,文獻報道,使用種子生長法制備粒徑約為100 nm左右的金納米立方體的產率大概為70 %[14]。圖2a右上角中插入了單個金納米立方體的SEM圖像,顆粒大小約為100 nm。圖2b為金納米立方體的尺寸分布直方圖,顯示顆粒的平均粒徑約為102 nm。

(a)金納米立方體SEM表征圖(右上角插圖為單個納米立方體的SERS圖像);(b)金納米立方體的粒徑分布圖

2.2 金納米立方體基底的SERS檢測靈敏性與重現性表征

為了考察金納米立方體基底的SERS檢測靈敏度和重現性,使用新制的SERS基底對不同濃度的CV溶液進行測試。如圖3所示,使用金納米立方體作為SERS基底檢測10-6mol/L CV,隨機采集50條光譜,SERS光譜表現出較好的重現性和穩定性。如圖4所示,在10-6mol/L CV的五十條光譜圖中1 619 cm-1處峰強度的相對標準偏差(RSD)= 15.33% <20%,說明金納米立方體基底的SERS檢測信號均勻性良好。如圖5所示,是金納米立方體吸附不同濃度CV的SERS譜圖,從圖中可以很明顯看出,在439,797,938,1 171,1 615 cm-1處[15]存在著很明顯的特征峰。如圖6所示,隨著CV濃度的降低,SERS信號也不斷降低,檢測最低濃度達到10-9mol/L。因此,基于上述SERS譜圖,可以初步說明金納米立方體基底可以有效放大目標物的信號。

圖3 10-6 mol/L CV的50條SERS光譜圖

圖4 金納米立方體吸附10-6 mol/L CV 1 619 cm-1處的特征峰點的50條柱狀圖

圖5 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-6～10-9 mol/L)CV的SERS光譜圖

圖6 金納米立方體吸附不同濃度(10-6～10-9 mol/L)的CV 1 619 cm-1處特征峰的點線圖

2.3 孔雀石綠標準溶液的SERS檢測

利用拉曼光譜儀測定不同濃度的MG標準溶液。如圖7a所示,圖中436,916,1 174,1 367,1 616 cm-1處均是MG的特征峰[16],SERS信號的強度隨著MG濃度的降低而逐漸降低,檢測限可低至10-10mol/L。為探究SERS峰強度與濃度之間的關系,在圖7b中建立了MG在1 616 cm-1處SERS峰強度與濃度對數的點線圖。實驗結果表明,制備的金納米立方體基底可用于對MG標準溶液的高靈敏度SERS檢測,說明SERS技術應用在MG標準溶液檢測方面具有巨大應用潛力。

(a)SERS光譜圖;(b)在1 619 cm-1處特征峰的點線圖

2.4 真實水體中孔雀石綠的SERS檢測

為探究金納米立方體基底在實際樣品中的測試性能,以學校珍珠湖湖水為溶劑制備MG溶液,并利用拉曼光譜儀測定其檢測極限以及重現性。如圖8所示,分別是滴加10-6,10-7,10-8,10-9mol/L四個濃度的MG實際水樣以及湖水的SERS譜圖。圖中可以清晰看到436,916,1 174,1 367,1 616 cm-1處MG的特征峰,檢測限可低至10-9mol/L。由于10-8,10-9mol/L濃度在圖8的SERS譜線并不明顯,特將10-7,10-8,10-9mol/L時的MG實際水樣SERS譜線進一步作圖,如圖9,可以看出真實水樣中10-9mol/L的MG特征峰仍能清晰辨別。同時為探究金納米立方體基底對MG實際水樣的重復性,使用金納米立方體作為SERS基底檢測10-7mol/L MG,隨機采集30條光譜,如圖10所示。如圖11所示,對MG 1 616 cm-1處的特征峰的30個點SERS強度進行相對標準偏差計算,得到RSD= 17.96% <20%,SERS光譜表現出較好的重現性和穩定性。所得結果表明,在實際應用中,可用制備的金納米立方體基底檢測真實水體中MG溶液,為SERS技術應用在真實水體中MG溶液檢測提供了可能性。

圖8 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-6～10-9 mol/L)MG真實水樣以及湖水的SERS光譜圖

圖9 金納米立方體作為基底檢測不同濃度(10-7～10-9 mol/L)的MG真實水樣的SERS光譜圖

圖10 金納米立方體作為基底檢測10-7 mol/L MG真實水樣的30條SERS光譜圖

圖11 金納米立方體作為基底檢測10-7 mol/L MG真實水樣在1 619 cm-1處特征峰點的30條柱狀圖

3 結論

以種子生長法制備金納米立方體,利用SEM和UV-Vis方法對合成的金納米立方體進行表征,表明制備出形貌均一的金納米立方體。并選用CV作為拉曼探針分子測定金納米立方體基底的SERS增強性能。結果表明,金納米立方體對CV的檢出限為10-9mol/L,1 619 cm-1處的RSD為15.33%,表現出良好的檢測靈敏性和重現性。使用金納米立方體作為SERS基底測定水體污染物孔雀石綠標準溶液,檢測極限可達10-10mol/L。最后,將MG標準添加至真實湖水中模擬真實水樣,無需任何前處理,可以檢測到濃度低于10-9mol/L的MG。實驗結果表明使用SERS方法對真實水體孔雀石綠進行檢測準確可靠、選擇性強、靈敏性高,表明該技術有望應用到實際生活中真實水體中孔雀石綠的檢測。