利用ZIF-8@Ag復合材料構筑SERS基底及其對痕量TNT的檢測

劉 毅 ，余數(shù)溫 ，何 璇 ，黃石亮 ，劉 渝 ，李顯寅 ，王敦舉

（1.西南科技大學國防科技學院，四川 綿陽 621010；2.中國工程物理研究院化工材料研究所，四川 綿陽 621999）

1 引言

梯恩梯（TNT）是一種典型的單質炸藥，原料易得，爆炸性能良好，成本低廉，經常被用于爆炸恐怖事件［1］。面對日益嚴峻的公共安全威脅，爆炸物檢測技術的需求日益迫切，發(fā)展痕量炸藥的檢測和識別手段變得尤為重要。由于傳統(tǒng)的離子遷移質譜、氣相色譜質譜聯(lián)用等大型儀器存在前處理復雜，設備昂貴，操作流程繁瑣，無法滿足現(xiàn)場快速檢測的要求。因此，發(fā)展一種靈敏度高，檢測速度快，成本低廉，可現(xiàn)場實時分析的檢測方法尤為迫切［1-4］。

表面增強拉曼散射（SERS）技術是一種新型的痕量分析技術，它可以將待測物信號放大104～1014倍，可實現(xiàn)超痕量的單分子探測。且該技術具有樣品無需預處理，檢測速度快，可透過玻璃等透明器皿檢測的特點，被圣地亞國家實驗室定位為未來重點突破和持續(xù)推進的先進技術［5-8］。SERS 的增強效應主要有物理增強和化學增強［9-10］。傳統(tǒng)的SERS 基底主要有金、銀、銅等貴金屬材料，然而，單一的貴金屬材料已經不能滿足SERS 基底的設計要求［11］。復合材料由于其性能突出，近年來受到熱捧。將復合材料用作SERS 基底也是研究熱點之一，如銀納米和聚（苯乙烯-丙乙烯）復合材料［12］，銀納米和氧化石墨烯復合材料［13］，銀納米和氧化鋅復合材料［14］等。雖然這些復合材料可以使SERS性能更加穩(wěn)定，但在有機小分子的檢測，如炸藥的痕量檢測方面仍面臨巨大挑戰(zhàn)。

金屬有機框架（MOFs）是一類由金屬離子與有機配體鏈接形成的納米功能材料，具有可調節(jié)的孔洞結構和良好的光學性質，在化學傳感領域具有非常廣闊的應用前景［15-19］，可作為 SERS 基底，已報道 MIL-101作為SERS 基底用于檢測對苯二胺和甲胎蛋白［20］，UiO-66 和MOF-199 作為SERS 基底其增強效應能穩(wěn)定存在 40 天以上［21］。但是，目前利用 MOFs 作為基底檢測炸藥的文獻還未見報道。

由于小分子自身微弱的散射信號無法通過貴金屬材料的局域等離子體共振效應得到增強，導致無法采集到拉曼光譜的指紋譜圖，從而使小分子在直接探測中表現(xiàn)出很低的響應靈敏性，因此，傳統(tǒng)的SERS 傳感技術對于分子量小于200 D（相當于分子量1.25×1026g·mol-1）的小分子無法識別探測。TNT 是一種典型的小分子炸藥，很難直接吸附到基底表面，獲得增強信號。ZIF-8 由鋅離子和二甲基咪唑組成，具有高的比表面積（大于1600 m2·g-1），多孔（3.4 ?）和穩(wěn)定的空腔（11.6 ?），已經被用于氣體吸附和分離［22］。為此，本研究以ZIF-8作為SERS 基底的基礎材料，用光還原技術在ZIF-8 上原位生長銀納米顆粒（AgNPs），獲得ZIF-8@Ag 復合材料作為SERS 基底，并采用自組裝法將探針4-巰基苯酚（4-ATP）修飾在復合材料表面用于TNT 檢測。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

試劑：ZIF-8，化學純，先豐納米科技有限公司；AgNO3，99.99%，阿法埃莎（中國）化學有限公司；4-ATP，98%，東京化成工業(yè)株式會社；奈爾蘭（NBA），78%，阿拉丁生化科技股份有限公司；TNT，三硝基苯酚（PA），三硝基苯（TNB），二硝基苯（DNB），化學純，中國工程物理研究院化工材料研究所；去離子水，實驗室自制。

儀器：WFH-2038 三用紫外分析儀，上海馳唐電子有限公司；UV3150 紫外可見分光光度計，日本島津公司；In Via 顯微共聚焦拉曼光譜儀，英國雷尼紹公司；Ultra 55 場發(fā)射掃描電子顯微鏡和Libra 200FE 場發(fā)射透射電子顯微鏡，德國蔡司儀器公司；D8 X 射線粉末衍射，德國Bruker 公司。

2.2 實驗過程

2.2.1 ZIF-8@Ag 復合材料的制備

稱取20 mg的ZIF-8（白色粉末）于10 mL的AgNO3溶液中，避光浸漬10h；用紫外光照射10 h 后，制得黑灰色的ZIF-8@Ag 復合材料；離心（時間：10 min，速度：6000 r·min-1）去掉上層清夜，保留底部黑灰色的ZIF-8@Ag 復合材料，重復離心操作兩次；最后將ZIF-8@Ag 復合材料分散在2 mL 的去離子水中備用。

2.2.2 ZIF-8@Ag 復合材料的SERS 性能評估

將ZIF-8@Ag 復合材料制備為薄膜后作為SERS 基底；將NBA 溶液滴在ZIF-8@Ag 復合材料薄膜上，利用共聚焦顯微拉曼進行SERS 性能評估。測試條件：激光波長532 nm，功率0.1%，積分時間15 s，光斑大小直徑約為2 mm。每個樣品至少測試5 次。

2.2.3 TNT 檢測

將ZIF-8@Ag 復合材料基底浸泡在4-ATP 溶液中4 h，用乙醇沖洗去除未吸附在ZIF-8@Ag 復合材料表面的4-ATP，得到4-ATP 自組裝修飾的ZIF-8@Ag 復合材料。分別取3 μL 不同濃度的TNT 滴在4-ATP 修飾的ZIF-8@Ag 復合材料上，利用共聚焦顯微拉曼進行檢測。測試條件：激光波長532 nm，功率0.1%，積分時間15 s。每個樣品至少測試5 次。

3 結果與討論

3.1 ZIF-8@Ag 復合材料形貌表征

通過場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）對ZIF-8@Ag 復合材料的形貌與結構進行表征，結果見圖1。從圖1a 可知，ZIF-8 顆粒附著著很多小顆粒。TEM 圖清晰的顯示ZIF-8 表面均勻的包裹著 AgNPs，AgNPs 的大小約為 7 nm（圖1b）。如圖1b～圖1d 所示，隨著 AgNO3濃度的增加，AgNPs 分布密集程度也隨之增加。為了證明TEM 圖譜上的顆粒為高純銀顆粒，本研究進一步開展了高分辨TEM 和選區(qū)電子衍射表征，圖1e 得到納米顆粒晶格間距為0.24 nm，為Ag的（1 1 1）晶面［23］。選區(qū)電子衍射圖能清晰顯示復合材料上AgNPs的（1 1 1），（2 2 0），（3 1 1）三個晶面衍射圓環(huán)（圖1f），這表明AgNPs 具有很好的純度和結晶性。

圖1 ZIF-8@Ag 復合材料的 FE-SEM 和 TEM 圖Fig.1 FE-SEM and TEM images of ZIF-8@Ag composites

ZIF-8 和ZIF-8@Ag 復合材料XRD 表征結果如圖2所示。由圖2 可知，38°和44°兩個衍射峰歸屬于Ag 的（1 1 1）晶面和（2 0 0）晶面（PDF 卡片號：87-0597），表明成功制備ZIF-8@Ag 復合材料，且材料純凈，結晶性好。

圖2 ZIF-8 和 ZIF-8@Ag 復 合材 料的 XRD 圖Fig.2 XRD of ZIF-8 and ZIF-8@Ag composites

3.2 ZIF-8@Ag 復合材料的SERS 性能評估

用 10-4～5×10-6mol·L-1的NBA溶液吸附在ZIF-8@Ag 復合材料上，其SERS 性能如圖3a 所示。由圖3a可知，即使?jié)舛鹊椭?×10-6mol·L-1，也能明顯觀察到NBA的三個特征峰（591，1377，1643 cm-1）。此外，在相同測試條件下隨機測試吸附有NBA（10-4mol·L-1）的ZIF-8@Ag 復合材料的10 個SERS 譜圖，用于檢驗復合材料作為SERS基底時的信號均勻性，結果如圖3b所示。由圖3b 可知，591 cm-1處特征峰的強度相對標準偏差（RSD）為6.24%，這可能是因為：（1）ZIF-8@Ag復合材料上的AgNPs提供的電磁增強；（2）ZIF-8 具有裸露的鋅離子，具有一定的電子補償作用，ZIF-8 的半導體效應為基底提供化學增強，并保證了銀納米顆粒的穩(wěn)定［24］。

為了計算ZIF-8@Ag 復合材料的增強因子（EF），分別滴加 1 μL 的 NBA 在 ZIF-8@Ag 復合材料和硅片表面，其SERS 譜圖和拉曼譜圖如圖4 所示。根據(jù)SERS的增強因子（EF）計算公式［25］：

式中，ISERS是591 cm-1處105mol·L-1的NBA在ZIF-8@Ag復合材料的強度，IRef是 591 cm-1處 10-2mol·L-1的 NBA在硅片上的強度，NSERS是激光光斑照射在ZIF-8@Ag 復合材料上所含NBA 的分子數(shù)，NRef是激光光斑照射在硅片所含 NBA 的分子數(shù)。1 μL 的 NBA 溶液在 ZIF-8@Ag復合材料上擴散區(qū)域約為 10 mm2，1 μL 的 NBA 溶液滴在硅片上形成直徑大約為2 mm 的圓。計算得到NBA 對 ZIF-8@Ag 復合材料的 EF 值為 8.84×103。

圖3 NBA 吸附在ZIF-8@Ag 復合材料的SERS 譜圖Fig.3 SERS spectra of NBA on ZIF-8@Ag composities

圖4 NBA 吸附在ZIF-8@Ag 復合材料的SERS 譜圖和硅片的拉曼譜圖Fig.4 SERS spectra of NBA on ZIF-8@Ag composites and Raman spectra of NBA on silicon wafer

3.3 ZIF-8@Ag 復合材料對痕量爆炸物的檢測應用

ZIF-8@Ag 復合材料的具有SERS 增強效果，可以作為SERS 基底應用。由于TNT 等系列同系物炸藥的分子量小，無法直接吸附到基底表面。根據(jù)本課題組對痕量 TNT 的前期研究［25］，選取 4-ATP 作為探針分子。一方面，該分子可以通過S-Ag 鍵，在銀顆粒表面形成穩(wěn)定的單分子層；另一方面，待測物TNT 及其同系物（如DNB，PA），由于硝基的強吸電子作用，硝基芳香環(huán)呈現(xiàn)缺電子性，是良好的電子受體。4-ATP 分子中的氨基是良好的電子給體，兩者產生的分子間作用不僅可以將TNT“拉”到基底表面，產生拉曼信號。也能使TNT 的SERS 信號增強，從而實現(xiàn)靈敏檢測的效果 。 ZIF-8 和 4-ATP 的 拉 曼譜 圖 與 ZIF-8@Ag 和ZIF-8@Ag@4-ATP 的 SERS 譜圖如圖5 所示，用 4-ATP標記ZIF-8@Ag 復合材料后，可以觀察到4-ATP 的1070 cm-1和1577 cm-1處的峰。在激光的作用下，4-ATP 發(fā)生偶氮反應變?yōu)閜，p'-二甲基偶氮苯（DMAB）在 1392 cm-1和 1439 cm-1處出現(xiàn)新的拉曼峰，這說明4-ATP 吸附在基底表面。

圖5 ZIF-8 和4-ATP 的拉曼譜圖與ZIF-8@Ag 和ZIF-8@Ag@4-ATP 的 SERS 譜 圖Fig.5 Raman spectra of ZIF-8 and 4-ATP，SERS spectra of ZIF-8@Ag and ZIF-8@Ag@4-ATP

如圖6 所示，將復合材料浸泡在 10-7～10-3mol·L-1的4-ATP 溶液，4-ATP 的峰強度隨著濃度增加而增加，10-7mol·L-1濃度下也能明顯觀察到4-ATP的特征峰，選擇濃度為 10-5mol·L-1的 4-ATP 溶液作為 ZIF-8@Ag 復合材料功能化濃度。圖7a是4-ATP功能化的ZIF-8@Ag復合材料檢測不同濃度 TNT（10-9～10-4mol·L-1）的SERS 譜圖，隨著 TNT 濃度的增加，4-ATP 的拉曼信號也隨之增加。在4-ATP 的1392 cm-1處拉曼峰的左肩出現(xiàn)一個小的弱峰（1378 cm-1），是 TNT 的—NO2的峰，檢測TNT 的濃度可以低至10-9M。圖7b 是1439 cm-1處強度和TNT 濃度的線性擬合曲線，由圖7b 可知，4-ATP 的拉曼信號與TNT 濃度有好的線性關系，R2值為 0.9843，其 線 性 公 式Y=3.9064+0.2895lgX。4-ATP 功能化ZIF-8@Ag 復合材料對TNT 具有良好的檢測靈敏性。

圖6 不同濃度4-ATP 吸附在ZIF-8@Ag 復合材料的SERS 譜圖Fig.6 SERS spectra of 4-ATP on ZIF-8@Ag composites

圖7 4-ATP 功能化 ZIF-8@Ag 復合材料檢測 TNT 的 SERS 譜圖Fig.7 SERS spectra of detection TNT by 4-ATP functionalized ZIF-8@Ag composites

進一步探究4-ATP 功能化的ZIF-8@Ag 復合材料對TNT 是否具有選擇性，測試與TNT 有相似結構的爆炸物（10-4mol·L-1，TNB，DNB和PA）如圖8a所示。雖然TNB，DNB和PA也與探針4-ATP有作用，使4-ATP 的信號增強，但增強的幅度低于TNT。如圖8b所示是在1439 cm-1處加爆炸物信號強度比空白信號強度圖，TNT增強了 2.65倍，但TNB，DNB和PA增強最高的也就增強了1.71 倍。結果表明4-ATP 功能化的ZIF-8@Ag 復合材料對TNT 具有一定的選擇性。

圖8 ZIF-8@Ag 復合材料選擇性檢測TNTFig.8 Selective detection of TNT in ZIF-8@Ag composites

3.4 ZIF-8@Ag 復合材料為SERS 基底對TNT 的檢測機理

TNT 屬于缺電子結構體系，4-ATP 探針上具有豐富的電子結構，兩者能產生π-π 共軛相互作用。圖9為 TNT，4-ATP 和 TNT 與 4-ATP 混合溶液的紫外圖，由圖9 可知，加入 TNT 后，TNT 加入 4-ATP 后溶液顏色從無色變?yōu)榘导t色（見圖9 插圖），并且在529 nm 處出現(xiàn)了一個明顯的吸收信號，說明TNT 與4-ATP 形成Meisenheimer 復合物。表明兩者的分子間相互作用可以提供化學增強，當加入TNT 后，4-ATP 拉曼信號增強，從而達到間接檢測TNT 的目的。

圖9 TNT，4-ATP 和 TNT 與 4-ATP 混合溶液的紫外圖Fig.9 UV-vis absorption spectra of TNT，4-ATP，TNT and 4-ATP complex

4 結論

（1）通過FE-SEM 和TEM 表征表明光還原制備的復合材料，通過光照條件的控制和硝酸銀濃度的調控，AgNPs 均勻分布在ZIF-8 表面，形成均勻的ZIF-8@Ag復合材料；

（2）ZIF-8@Ag 復合材料對 NBA 的 SERS 增強因子為8.84×103，表明其具有一定的SERS 活性，可以作為SERS 基底進行傳感應用。

（3）4-ATP 通過S-Ag 鍵自組裝均勻吸附在AgNPs表面，TNT 與 4-ATP 作用后能形成 Meisenheimer 復合物，產生的分子間相互作用使4-ATP 的拉曼信號增強，達到間接檢測TNT 的目的。4-ATP 功能化ZIF-8@Ag復合材料能對TNT 產生一定的選擇性響應，檢測TNT的濃度可以低至 10-9mol·L-1，在 10-9～10-4mol·L-1的線性曲線公式是Y=3.9064+0.2895lgX。