用于低濃度三聚氰胺選擇性檢測的鋁/銀納米傳感器的組裝及其SERS性能

曹 琳 陳 前 姜 飛 秦利霞 康詩釗 高 峰 李向清

(上海應用技術大學化學與環(huán)境工程學院，上海 201418)

0 引 言

2008年三鹿奶粉由于添加三聚氰胺導致嚴重的嬰幼兒健康問題，引起人們對食品中三聚氰胺檢測的高度關注。三聚氰胺(2，4，6-三氨基-1，3，5-三嗪)是一種水溶性且含有多個氮原子的化合物，因價格低廉，被不良商家應用于增加乳制品中的表觀蛋白質含量［1-2］。研究發(fā)現(xiàn)，人體內攝入過量的三聚氰胺會導致腎臟衰竭［3-5］，存在潛在的癌變風險［6］。另外，三聚氰胺廣泛應用于塑料和涂料工業(yè)，在食品生產過程中可能會混入到食品中［7］。因此，三聚氰胺的分析和檢測至關重要。

目前，常用的三聚氰胺的檢測方法有氣相色譜法、高效液相色譜偶聯(lián)其他設備等方法，可以滿足檢測靈敏度的要求。但是這些方法具有耗時長，樣品處理流程及數(shù)據(jù)分析復雜，需要經驗豐富的操作員和昂貴的儀器等諸多缺點［8-12］，這阻礙了上述手段在日常檢測三聚氰胺中的應用。SERS技術作為一種較為靈活的微量檢測技術，具有成本低、無損害和操作簡單等優(yōu)點［13］，逐漸被應用于單分子檢測中［14-16］。許多物質被用作SERS基底的支撐材料，如二氧化鈦［17-18］、氧化鋅［19］、金納米顆粒［20-21］和銀納米顆粒［22-23］等。由于貴金屬納米粒子對單分子物質的吸附能力有限，加之單一襯底對低濃度物質的檢測存在一定難度，可通過組裝半導體/導體和貴金屬復合基底來提高SERS性能。如Yin等［24］通過水熱方法以Na2MoO4·2H2O和L-半胱氨酸為反應物先制備3D MoS2納米球，然后通過微波輔助水熱法制備3D MoS2-NS@Au-NPs雜化體，實現(xiàn)了對牛奶中三聚氰胺的SERS檢測。Li等［25］在乙二醇和PVP-29輔助下，以CF3COOAg和HAuCl4為主要反應原料通過分步反應制備的Ag-Au納米箱對低濃度三聚氰胺有較靈敏的SERS響應。在所有的SERS襯底中，銀納米結構相對成本較低，且在可見光區(qū)域具有較好的表面等離子體共振特性使其對分子檢測更容易［26］。Guo 等［27］通過合成 1.98 nm 六磷酸肌醇酯(IP6)包裹的AgNPs檢測Fe3+的表面增強拉曼散射，選擇羅丹明B(R6G)作為指示劑，在最佳條件下檢測限可達到0.28 mg·L-1。

納米態(tài)銀的制備方法分為化學還原法和物理法。Li等［26］以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)提高納米銀的穩(wěn)定性和均勻性，以檸檬酸鈉還原硝酸銀，在沸騰的條件下攪拌1 h，冷卻至室溫，離心制得銀納米顆粒。但這種方法耗時長，且PVP可能會對SERS信號產生干擾。Bai等［28］通過結合磁控濺射和退火處理制得銀納米粒子，該方法雖然成本低，操作簡單，但是得到的銀納米粒子顆粒不均勻且純度較低。另外，一般的銀拉曼基底通常在玻璃片或者硅片等材料上組裝，基底本身拉曼活性低，且基底與納米銀之間的作用力弱，靈敏度低，這對于目標分子的SERS檢測是不利的。因此，通過簡單的化學方法在具有一定拉曼增強活性的基底表面負載銀納米顆粒以制備對三聚氰胺有拉曼活性的基底，從而實現(xiàn)對三聚氰胺的選擇性檢測，這具有潛在的實用價值。鋁價格低廉、容易獲取且能與含氮、氧等的分子配位，使其對這類分子有一定的SERS增強活性［29］。重要的是，通過合適的方法處理，容易調控其表面官能團的種類和數(shù)量，有利于與其它功能材料組裝，通過協(xié)同作用以及對探針分子的富集可能會實現(xiàn)對目標分子的高靈敏檢測。

我們選擇Al片作為SERS基底的支撐物質，通過置換反應在Al片表面負載一定量的銀納米顆粒獲得Al/Ag SERS基底，該方法制備的SERS基底耗時短、操作簡單且得到的銀納米粒子較為均勻。以其為SERS基底，詳細考察其對三聚氰胺的SERS性能。

1 實驗部分

1.1 實驗藥品

實驗中使用的試劑和原料Al片、氫氧化鈉、硝酸銀、三聚氰胺、三乙醇胺、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺均是從國藥集團化學試劑有限公司購買，且均未經處理直接使用。去離子水為實驗室自制。

1.2 材料表征

利用X射線粉末衍射儀(XRD，德國Bruker D8 Advance)測定樣品的物相和結構，采用Cu Kα輻射源，波長λ=0.154 nm，管流為40 mA，管壓為40 kV，測試范圍2θ=30°～80°。利用場發(fā)射掃描電鏡觀察底物的表面形貌，測試前無需特殊處理，直接將合適大小的Al片或Al/Ag片置于JEOL JSM-6701F掃描電鏡(日本)下觀察，工作電壓10 kV。樣品的組成及元素的價態(tài)信息通過X射線光電子能譜(XPS，Kratos AXIS Ultra DLD型，日本)測得，使用的X射線為Al Kα 發(fā)射(hν=1 486.6 eV)，并通過 C1s峰(284.5 eV)進行校準。SERS光譜通過拉曼光譜儀(Raman，i-Raman-532S型，美國B&W Tek)進行測定。

1.3 Al/Ag基底的組裝

先將1 cm×1 cm的Al片用洗潔精洗掉表面的污漬，然后分別于乙醇和丙酮中超聲10 min，將干凈的Al片置于0.1 mol·L-1的氫氧化鈉溶液中刻蝕5 min，水洗3次并快速吹干；將經上述處理的Al片浸入到 1 mmol·L-1的硝酸銀溶液中，10 min后取出，水洗3次吹干，備用。

1.4 Al/Ag基底的SERS性能檢測

1.4.1 三聚氰胺的靈敏度檢測性能測試

取新配制的濃度為10-3mol·L-1的三聚氰胺水溶液分別滴加在Al片、玻璃片和Al/Ag基底表面，烘干后利用拉曼光譜采集各種基底表面的拉曼信號(積分時間為40 000 ms，激發(fā)波長為532 nm)。同樣條件下測試 10-4、10-5、10-6、10-7mol·L-1的三聚氰胺水溶液在Al/Ag基底表面的拉曼信號。

1.4.2 穩(wěn)定性測試

取新配制的濃度為10-5mol·L-1的三聚氰胺水溶液滴加在Al/Ag基底，烘干后利用拉曼光譜采集基底表面的拉曼信號，每隔10 h采集一次。

1.4.3 選擇性測試

取新配制的濃度為10-6mol·L-1的三聚氰胺、三乙醇胺、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺水溶液分別滴加于Al/Ag基底和玻璃片，然后烘干，利用拉曼光譜采集各種基底表面的拉曼信號。為了對比，實驗過程中還采集了純三聚氰胺、三乙醇胺、丙二胺和N，N-二甲基甲酰胺樣品在玻璃片的拉曼信號。

2 結果與討論

2.1 Al/Ag基底形貌、結構和組成分析

圖1是Al片和Al/Ag基底的SEM圖以及在Al/Ag基底上Ag納米顆粒的尺寸分布圖。圖1A為刻蝕后的Al片，表面粗糙，細小顆粒組成的網(wǎng)絡清晰可見，視野較暗。負載銀納米粒子后的表面形貌如圖1B所示，可見圖片中視野明顯變亮，一些較大尺寸的納米粒子集中在Al片網(wǎng)絡中。這可能是因為存在細小顆粒的網(wǎng)絡區(qū)域性質較為活潑，易與溶液中的銀離子發(fā)生化學反應，產生銀納米顆粒。圖1C是較大視野下的Al/Ag基底的掃描電鏡圖，可以看到銀納米顆粒較均勻地分散于Al基底上?；趫D1C中的銀納米顆粒得到圖1D的尺寸分布圖，該圖顯示銀顆粒尺寸在88～167 nm，主要集中在100 nm。

為表征所制備的SERS基底的結構，我們對基底進行了XRD分析。圖2給出了組裝的Al/Ag基底(a)和刻蝕后的Al片(b)的XRD圖。在圖2A中觀察到 Al在 2θ=44.7°、65.0°和 78.2°出現(xiàn) 3 個強的衍射峰，分別歸屬于 Al片的(200)、(220)和(311)晶面，與標準卡片(PDF No.53-0780)相對應。與圖2B的XRD結果相比，在2θ=37.8°出現(xiàn)1個新的衍射峰，可歸屬于Ag2O的(200)晶面，表明Al/Ag中部分銀元素可能以Ag2O的形式存在。另外，在2θ=44.3°出現(xiàn)的新峰歸屬于面心立方相銀的(200)晶面，說明在Al/Ag基底中也存在單質銀。進一步通過XPS研究在Al/Ag基底中Ag的2種價態(tài)。

圖1 (A)Al和(B,C)Al/Ag的掃描電鏡圖和(D)Ag納米顆粒的尺寸分布Fig.1 SEM images of(A)Al and(B,C)Al/Ag,and(D)size distribution of Ag

圖2 樣品的(A)XRD圖和(B)局部放大XRD圖Fig.2 (A)XRD patterns and(B)enlarged XRD patterns in 2θ range of 36°～46°of samples

圖3 Al/Ag的(A)XPS全譜和(B)Ag3d軌道的高分辨XPS譜Fig.3 (A)Typical XPS survey spectra and(B)high resolution XPS spectra of Ag3d of Al/Ag

為進一步確認Al/Ag基底中元素的組成和價態(tài)，對該SERS基底進行了XPS分析。從XPS全譜(圖3A)可以觀察到基底中含有Al、O和Ag元素。進一步測試了Al/Ag基底中的Ag3d軌道的高分辨XPS譜，結果如圖3B所示。通過高斯分峰可擬合出4個峰，其中位于366.6和372.6 eV的2個峰分別歸屬于 Ag2O 的 Ag3d5/2和 Ag3d3/2軌道［30］，而位于367.8和373.4 eV的2個峰可歸屬于單質銀的Ag3d5/2和 Ag3d3/2軌道［31］。這進一步證實了 Al/Ag 基底中銀元素以2種價態(tài)形式存在。由此可見，XPS的結果與XRD結果相一致。

2.2 三聚氰胺的拉曼光譜研究

圖4 三聚氰胺結構式Fig.4 Structure of melamine

三聚氰胺的結構如圖4所示，具有D3h對稱性結構，因此可以用拉曼光譜檢測。已有研究表明，位于665 cm-1處的特征峰歸屬于三聚氰胺中三嗪環(huán)呼吸模式和面內變形振動，574 cm-1為N-C=N彎曲振動與NH2基團扭轉運動的混合模式,975 cm-1歸屬于C-N與N-C=N彎曲振動的共同作用［32-33］。

我們研究了不同基底對三聚氰胺的拉曼響應。如圖5所示，曲線 a、b和 c分別代表10-3mol·L-1三聚氰胺溶液在玻璃片、Al片和Al/Ag基底上的拉曼光譜?？梢钥闯?，三聚氰胺在玻璃片上僅顯示微弱的拉曼信號，這說明以玻璃為拉曼基底對三聚氰胺不敏感；而三聚氰胺在Al片上顯示強于在玻璃片上的拉曼信號，說明Al片是比玻璃片更好的拉曼基底，而在Al/Ag基底上三聚氰胺的特征拉曼峰明顯增強。比較3種不同基底對三聚氰胺的拉曼增強效果，拉曼活性從低到高依次是玻璃片、Al片和Al/Ag基底。這說明Al/Ag基底是對三聚氰胺進行拉曼檢測較好的活性基底。

圖5 10-3mol·L-1三聚氰胺溶液在(a)玻璃、(b)Al片和(c)Al/Ag基底上的SERS譜圖Fig.5 Raman spectra of 10-3mol·L-1melamine on(a)glass,(b)Al and(c)Al/Ag substrate

通過以上分析，我們發(fā)現(xiàn)三聚氰胺在Al/Ag基底上拉曼信號最高，因此選擇Al/Ag基底對不同濃度的三聚氰胺進行拉曼檢測。圖6顯示了不同濃度的三聚氰胺水溶液在Al/Ag基底的SERS光譜。從光譜顯示的結果可以看出，隨三聚氰胺濃度的降低，拉曼強度逐漸減弱，當三聚氰胺濃度降低到10-7mol·L-1時，依然可以檢測到三聚氰胺位于667 cm-1的歸屬于三聚氰胺中三嗪環(huán)呼吸模式和面內變形振動的特征峰。上述結果表明所制備的Al/Ag基底上能檢測到10-7mol·L-1的三聚氰胺，這滿足我國食品安全檢測中心提出的嬰幼兒乳粉中三聚氰胺含量不得超過 1 mg·kg-1(7.9×10-6mol·L-1)和其它乳制品中不超過 2.5 mg·kg-1(2×10-5mol·L-1)的要求。因此，所制備的Al/Ag基底能夠滿足對實際生活中三聚氰胺的拉曼檢測要求。

圖6 不同濃度的三聚氰胺溶液在Al/Ag基底上的SERS譜圖Fig.6 SERS spectra of different concentrations of melamine solution on Al/Ag substrate

基底對待檢測物的拉曼測試重現(xiàn)性是評價基底性能的重要參數(shù)之一，為此我們對Al/Ag基底檢測三聚氰胺的重現(xiàn)性進行了探究。圖7A中的曲線是每隔10 h測試的Al/Ag基底上10-6mol·L-1的三聚氰胺的拉曼光譜圖，從中可以看到在150 h內三聚氰胺的拉曼強度總體保持在同一強度。據(jù)文獻報道［33］三聚氰胺在667 cm-1處的特征峰為三嗪環(huán)的呼吸振動，拉曼活性較強。在本實驗中制備的Al/Ag基底上由于三聚氰胺分子與銀納米粒子之間產生較強的相互作用，進而發(fā)生電荷轉移，使電荷重新分配，引起極化率的變化，導致其拉曼信號增強［34-35］。因此，以667 cm-1處的拉曼主特征峰的強度作柱狀圖(圖7B)，能更直觀地觀察到主特征峰的強度在150 h內基本保持不變(在130 h時拉曼強度有增加，這可能一方面由于儀器待機時間過長，造成測量誤差；另一方面原因可能是空氣中的水分子影響三聚氰胺在基底的吸附，致使拉曼強度有所波動)。

圖7 10-5mol·L-1的三聚氰胺在Al/Ag上150 h內每隔10 h測試的拉曼光譜 (A),667 cm-1處拉曼強度與時間的關系柱狀圖(B)Fig.7 SERS spectra of 10-5mol·L-1melamine on Al/Ag at intervals of 10 h within 150 h(A)and column chart of the relationship between the Raman intensity at 667 cm-1and time

為了研究Al/Ag基底是否對三聚氰胺具有選擇性，我們選擇了另外3種水溶性胺類化合物三乙醇胺、N，N-二甲基甲酰胺和 1，2-丙二胺進行拉曼測試。結果如圖8所示，曲線a和b分別代表10-6mol·L-1的胺類物質在Al/Ag基底和玻璃片基底的拉曼光譜，曲線c為單純胺類物質在玻璃片基底的拉曼信號。從圖中可以看出，當待檢測物的濃度為10-6mol·L-1時，在Al/Ag基底上只能觀察到三聚氰胺的拉曼信號峰，而并未觀察到其它3類待檢測物(三乙醇胺、N，N-二甲基甲酰胺和 1，2-丙二胺)的拉曼信號。這初步說明Al/Ag基底對低濃度三聚氰胺具有較高的SERS活性和較好的選擇性。

圖8 10-6mol·L-1的三聚氰胺、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-丙二胺在Al/Ag(a)和玻璃基片 (b)上的拉曼光譜;純三聚氰胺、三乙醇胺、N,N-二甲基甲酰胺和1,2-丙二胺在玻璃片上的拉曼光譜 (c)Fig.8 Raman spectra of 10-6mol·L-1of melamine,triethanolamine,N,N-dimethylformamide and 1,2-diaminopropane on the Al/Ag(a)and glass(b),respectively;Raman spectra of pure melamine,pure triethanolamine,pure N,N′-dimethylformamide and pure 1,2-diaminopropane on glass(c)

3 結 論

通過置換法在鋁板上快速制備了一種即插即用型的Al/Ag納米SERS活性基底。通過對三聚氰胺的拉曼活性測試，發(fā)現(xiàn)該SERS基底能夠快速實現(xiàn)對三聚氰胺的檢測，而且具有操作簡單、成本低、無損傷檢測等優(yōu)點，最低檢測濃度能達到10-7mol·L-1，滿足國家食品安全要求對三聚氰胺檢測的最低標準。另外，Al/Ag基底對三聚氰胺檢測具有較高的拉曼重現(xiàn)性和較好的選擇性，這對于實現(xiàn)Al/Ag基底在實際中的應用非常有利。本研究對快速構筑具有SERS活性的傳感器并實現(xiàn)對食品中有毒、有害物質的快速檢測提供一定的理論和實驗基礎。