自組裝2D-SERS基底膜用于塑化劑的檢測研究

胡小燕，王欣如，張樂，葛子盼，周亞茹，徐維平，3

(1.安徽中醫(yī)藥大學(xué) 藥學(xué)院，安徽 合肥 230012；2.合肥工業(yè)大學(xué) 化學(xué)與工程學(xué)院，安徽 合肥 230009；3.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué) 附屬第一醫(yī)院，安徽 合肥 230001)

塑化劑可以增加塑料制品的柔韌性和延展性[1]，在工業(yè)上得到廣泛使用。其中鄰苯二甲酸酯類(PAEs)使用最多[2]。但PAEs作為最常見的環(huán)境內(nèi)分泌干擾物，如若長期食用含該類物質(zhì)超標(biāo)的食品會對人體造成傷害。表面增強拉曼光譜(SERS)技術(shù)[3-4]的引用克服了傳統(tǒng)的高效液相色譜法(HPLC)[5]、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)[6]、比色法[7]等檢測方法耗時久、樣品前處理復(fù)雜及檢測限低等問題。

本文利用液-液界面自組裝法，將Au NRs自組裝成致密的2D納米膜，為SERS檢測提供均一的 “熱點”。該2D-SERS基底膜具有較高的SERS靈敏度和重復(fù)性，有望實現(xiàn)食品中塑化劑的檢測。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)、三水合氯金酸(HAuCl4·3H2O)、硼氫化鈉、硝酸銀、硝酸、抗壞血酸(AA)、正己烷、無水乙醇、聚乙烯吡咯烷酮K30(PVP K30)、BBP均為分析純；去離子水為二次蒸餾水(DIW)，自制；白酒，超市。

HT7700透射電子顯微鏡；JSM-6700F掃描電子顯微鏡；UV-2600紫外-可見分光光度計；LABRAM-HR激光共聚焦拉曼光譜儀。

1.2 材料的制備

1.2.1 Au NRs的合成 采用種子生長法制備Au NRs溶膠[8]。

1.2.1.1 種子溶液的制備 將103 μL 1% HAuCl4母液加入10 mL 0.1 mol/L CTAB中，磁力攪拌(500 r/min，25～27 ℃)。再迅速加入現(xiàn)配的0.6 mL 0.01 mol/L NaBH4(冰浴)，在25～27 ℃下攪拌3 min。在避光情況下靜置2 h，待金種子生成。

1.2.1.2 生長溶液的制備 在27 ℃的水浴下，取100 mL 0.1 mol/L CTAB于500 mL燒杯中，依次加入1.25 mL 0.008 mol/L AgNO3、1 mL 2 mol/L HNO3、2.06 mL 1% HAuCl4溶液,輕輕搖晃混勻，再加入0.6 mL 0.1 mol/L溫和還原劑AA，輕輕搖晃數(shù)秒后，溶液變成無色。加入120 μL金種子溶液，混合均勻后在27～29 ℃下避光靜置4 h，待金棒生成。

1.2.2 Au NRs的2D組裝 采用液-液界面自組裝法制備2D-SERS活性基底[9]。將30 mL上述新制的Au NRs溶液在轉(zhuǎn)速1 000 r/min下離心10 min，取下層沉淀物，重復(fù)2次，去除過量的CTAB。稱取15 mg的PVP(K30)溶解于15 mL乙醇中，將離心洗滌2次后的Au NRs分散其中。最后在500 r/min下攪拌12 h，得到配體交換后的Au NRs@PVP。在轉(zhuǎn)速8 000 r/min下離心8 min，取下層沉淀物分散在2 mL DIW中，超聲混勻。在潔凈的小玻璃瓶中加入0.75 mL正己烷，逐滴加入分散在DIW中的沉淀物，迅速加入0.5 mL乙醇。靜置，待正己烷揮發(fā)后，將納米膜轉(zhuǎn)移至親水化處理過(食人魚溶液H2SO4∶H2O2=7∶3浸泡2 h)的潔凈硅片上，室溫下自然干燥，備用。

1.3 SERS檢測

1.3.1 膜的靈敏度 以結(jié)晶紫(CV)為SERS探針分子，考察該基底的靈敏度和重復(fù)性。配制一系列濃度梯度的CV水溶液，用移液槍分別量取10 μL滴加在已轉(zhuǎn)移至硅片上的基底膜上，在室溫下自然晾干后進(jìn)行SERS檢測，考察基底膜的靈敏度。

1.3.2 膜的重復(fù)性 取上述滴加有5 μmol/L CV溶液的基底膜，在該基底膜上任意選取40個點檢測拉曼光譜，考察該基底膜的重復(fù)性。

1.3.3 BBP檢測 選取最常見的塑化劑BBP為代表進(jìn)行SERS檢測。用甲醇作為溶劑配制出一系列濃度梯度的BBP溶液。用移液槍分別量取10 μL溶液滴加在已轉(zhuǎn)移至硅片上的金棒納米膜上，在室溫下自然晾干后進(jìn)行SERS檢測。

1.3.4 白酒中塑化劑的檢測 利用外加法配制濃度為1.3，2.6，5.2 mg/kg的酒-BBP混合液。在上述某一濃度的混合液中加入0.75 mL正己烷，渦旋混勻后，靜置20 min，取上層正己烷的萃取液作為油相，已處理過的Au NRs@PVP溶液作為水相，通過液-液界面自組裝的方法制備金棒納米膜，并轉(zhuǎn)移至親水化處理過的潔凈硅片上。待自然晾干后進(jìn)行SERS檢測。

以激光共聚焦拉曼光譜儀(LABRAM-HR)進(jìn)行拉曼光譜收集時，激發(fā)波長為633 nm，激發(fā)功率為1 mW，CV的積分時間為1 s，其他分析物的積分時間均為3 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 金納米棒的表征

圖1為Au NRs的透射電鏡圖和紫外可見吸收光譜圖。

圖1 Au NRs的TEM圖(a)和紫外可見吸收光譜圖(b)

由圖1a可知，所得到的產(chǎn)物呈短棒狀，長徑比在3～4之間，形狀規(guī)則且較為均勻。由圖1b可知，該金納米棒的縱向局域表面等離子體共振峰位于765 nm左右。

2.2 金棒納米膜的形成及表征

圖2展示了Au NRs在正己烷-水界面自組裝形成單層膜的過程。

圖2 金棒納米膜的形成照片

Fig.2 Photos of Au NRs arrays formation

在Au NRs的制備過程中，CTAB作為模板劑依附在Au NRs表面，使得Au NRs帶有正電荷，若將其直接轉(zhuǎn)移至有機介質(zhì)中將導(dǎo)致不可逆性聚集。因此，在自組裝成膜前使用兩親聚合物PVP部分取代金納米棒表面的表面活性劑CTAB，調(diào)整正表面電荷接近于0，從而允許隨后的Au納米棒分散在有機介質(zhì)中。由圖2可知，隨著正己烷的揮發(fā)，越來越多的Au NRs在界面聚集，最終出現(xiàn)如圖a4所示的現(xiàn)象，致密的金棒納米膜鋪滿了整個玻璃瓶的油水界面。由圖3可知，Au NRs自組裝形成的納米膜為單層膜，各Au NRs之間的間隙較小，分布較為致密，滿足為SERS檢測提供大量熱點的要求。

圖3 金棒納米膜的TEM圖和SEM圖

Fig.3 The TEM image and SEM image of Au NRs arrays

2.3 金棒納米膜的SERS性能考察

2.3.1 金棒納米膜的靈敏度 為了考察基底膜的檢測效果，以CV為拉曼探針分子進(jìn)行效應(yīng)評估。由圖4a可知，CV較強的峰值均出現(xiàn)在802，916，1 171，1 375，1 619 cm-1處[10]。其中，802，1 171 cm-1處的拉曼峰為CV的C—H鍵振動，916 cm-1處的拉曼峰為CV的放射狀芳香骨架振動，1 375 cm-1處的拉曼峰對應(yīng)于N-Phenyl振動，1 617 cm-1處的拉曼峰為CV芳香環(huán)的振動。由圖4a可知，該基底膜對CV的檢測限達(dá)到5×10-8mol/L，靈敏度較高。隨后，選取1 171 cm-1處的拉曼強度數(shù)據(jù)各三組，作出SERS強度與濃度關(guān)系的散點圖(圖4b)。

圖4 金棒納米膜的SERS靈敏度分析圖

由圖4b可知，拉曼強度隨著CV濃度的增加而增加，且呈線性關(guān)系，并且三組濃度數(shù)據(jù)之間的偏差較小。

2.3.2 基底膜的SERS重復(fù)性 以滴加有5×10-6mol/L CV的基底膜為分析物，在該基底膜上隨機選取40個點，收集SERS圖譜，得出圖5a所示的二維mapping映射圖。圖中顯示了CV的特征拉曼帶，且拉曼帶清晰可見。同時對40個測試點在1 171 cm-1處的拉曼強度數(shù)據(jù)作出如圖5b所示的強度柱狀分布圖，得出相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為12.59%，因此得出該基底的重復(fù)性良好。

圖5 金棒納米膜的SERS重復(fù)性分析圖

2.4 鄰苯二甲酸丁芐酯(BBP)的檢測

2.4.1 BBP的SERS檢測 圖6是不同濃度BBP的SERS檢測圖譜。

圖6 不同濃度BBP的SERS檢測數(shù)據(jù)分析圖

由圖6b可知，拉曼強度隨著BBP濃度的增加而增強，呈正相關(guān)關(guān)系，且各濃度間三組數(shù)據(jù)的偏差較小。

2.4.2 酒水中BBP的SERS檢測 圖7為某白酒中三種濃度BBP的SERS檢測圖譜。使用外加法配制出1.3，2.6，5.2 mg/kg三種濃度的酒-BBP混合溶液。世界衛(wèi)生健康組織對塑化劑規(guī)定的每日耐受攝入量為1.3 mg/kg(體重/d)，因而選擇1.3 mg/kg作為檢測的最低劑量。

圖7 某酒中不同濃度BBP的SERS檢測數(shù)據(jù)分析圖

由圖7a可知，在1 003 cm-1處BBP特征峰清晰可見，1.3 mg/kg的BBP也可被檢測到。取該三種濃度白酒-BBP的檢測數(shù)據(jù)各三組，作圖7b的SERS強度與濃度的關(guān)系圖。

由圖7b可知，隨著BBP的濃度增加，SERS強度也在呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢上升，且各濃度三組數(shù)據(jù)間的偏差較小。表明該基底在實際應(yīng)用中的潛在性。

3 結(jié)論

(1)通過液液界面自組裝法，將配體交換后的Au NRs@PVP在正己烷/水兩相界面制備出2D-SERS基底膜。

(2)以CV為探針分子，檢測2D-SERS基底膜的SERS拉曼圖譜，表明其具有良好的靈敏度和重現(xiàn)性，檢測限可以達(dá)到5×10-8mol/L。

(3)以2D-SERS基底膜對不同濃度的BBP進(jìn)行檢測，檢測限可以達(dá)到10-8mol/L，并且SERS強度與濃度呈正相關(guān)關(guān)系、偏差較小。利用該自組裝基底能檢測出某市售白酒中添加的中毒劑量的BBP(1.3 mg/kg)。由此證明該自組裝基底對鄰苯二甲酸酯類塑化劑分子具有較強的SERS增強作用，顯示該方法在實際應(yīng)用中的潛在性。