Fe3O4@Au 納米星顆粒作為循環(huán)SERS基底用于農(nóng)藥殘留物的檢測

丁倩倩，顧濤，董榮錄

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104;2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026;3.中科院合肥物質(zhì)研究院，合肥 230031)

1 引言

農(nóng)藥的使用在給我們帶來便利的同時(shí)，也引發(fā)了一系列的水污染、土壤污染和食品安全等一系列問題，對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響，也威脅著我們的健康[1-4]。根據(jù)食品安全國家標(biāo)準(zhǔn)，我國規(guī)定的農(nóng)殘污染物種類高達(dá)322 種，其中農(nóng)藥福美雙，又稱為二硫化四甲基秋蘭姆，是一種典型的二硫代氨基甲酸鹽類農(nóng)藥，作為殺蟲劑在瓜果、蔬菜、煙草的種植上有著廣泛的應(yīng)用，用作防治霜霉病、瓜期病害及白腐病等。然而福美雙的殘留物，進(jìn)入人體后，其分子中S-S 鍵的斷裂會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，會(huì)危害人體健康。敵瘟磷目前也是一種比較廣泛使用的有機(jī)磷類農(nóng)藥，促進(jìn)農(nóng)業(yè)發(fā)展的同時(shí)對(duì)人類身體健康產(chǎn)生較大的危害，所以，對(duì)環(huán)境和食品中低濃度福美雙和有機(jī)磷的進(jìn)行快速、定量檢測具有重要的意義[5-7]。

表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface Enhanced Raman Spectroscopy，SERS)是一種強(qiáng)有力的生化物質(zhì)檢測方法，其具有成本低、靈敏度高、操作簡單，無損檢測和“指紋”識(shí)別等優(yōu)點(diǎn)，備受研究者青睞[8-10]。目前，認(rèn)同的SERS機(jī)理包括有電磁場增強(qiáng)機(jī)理和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理兩類[9-11]。對(duì)貴金屬納米顆粒而言，由于表面等離子體共振(SPR)引起的局域電磁場增強(qiáng)，認(rèn)為對(duì)SERS效應(yīng)增強(qiáng)占有主導(dǎo)地位。其中局域電場最強(qiáng)的區(qū)域與納米顆粒的形貌存在非常大的關(guān)聯(lián)，因此制備不同形貌的貴金屬納米顆粒作為SERS基底，來增加SERS活性一直是我們研究的熱點(diǎn)。在不同形貌貴金屬納米顆粒中，納米星形貌由于具有較大的比表面積和尖端效應(yīng)，可產(chǎn)生具有較高的SERS活性，備受研究者關(guān)注。但目前制備Au納米星的各種方法中，存在如下問題：在其制備過程需要加入表面活性劑使顆粒呈現(xiàn)各向異性生長，但表面活性劑的殘留不僅不利于目標(biāo)分子的吸附，也可能對(duì)測試結(jié)果造成一定的干擾；其次，目前基于Au納米星構(gòu)筑的SERS基底，只能進(jìn)行單次使用，不能重復(fù)利用。以上問題的存在，使其實(shí)際應(yīng)用收到了一定的限制。

基于上述問題，本文提出先制備Fe3O4納米顆粒，之后經(jīng)濕化學(xué)還原氯金酸，獲得Fe3O4@Au納米星顆粒。該法制備簡單，制備的Fe3O4@Au納米星顆粒呈單分散分布、形貌均一，且在制備的過程中無需要加入表面活性劑。該Fe3O4@Au納米星顆粒作為SERS基底，由于Au納米星顆粒較大的表面積和尖端活性導(dǎo)致SERS活性較高，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥殘留物高敏感的檢測；同時(shí)，利用Fe3O4自身的磁性，可以將所制備的納米星用作循環(huán)SERS基底。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 Fe3O4顆粒的制備

將11.622 g六水合氯化鐵和0.994 g四水合氯化亞鐵溶解至40 mL去離子水中，之后依次加入5 mL氨水和4.400 g的檸檬酸鈉。該反應(yīng)液放置于30攝氏度水浴鍋中反應(yīng)20分鐘，冷卻至室溫后，用磁鐵將產(chǎn)物吸出，分別用乙醇和去離子水進(jìn)行洗滌，干燥后備用。

2.2 Au納米殼包裹的Fe3O4納米顆粒制備

將20 mL 0.5 mM氯金酸溶液加熱至沸騰，快速加入10 mL的Fe3O4納米顆粒溶液(1gFe3O4納米顆粒溶解與100mL水中)，反應(yīng)30分鐘，持續(xù)攪拌冷卻至室溫，隨后通過乙醇和去離子水洗滌得到Fe3O4@Au納米殼顆粒，備用。

2.3 Fe3O4@Au 納米星顆粒的合成

于2 mL 0.25 mM的氯金酸水溶液依次加入10 ul的Fe3O4@Au納米殼顆粒種子(100mgFe3O4@Au納米殼顆粒種子稀釋到10毫升水中)和8 mL 30 mM的對(duì)苯二酚水溶液，反應(yīng)30分鐘，之后經(jīng)高速離心方式進(jìn)行分離洗滌得到Fe3O4@Au 納米星。

2.4 材料表征

Fe3O4@Au納米星的形貌及尺寸通過透射電子顯微鏡(JEOL、JEM2010)以及Oxford INCN 能譜分析儀(EDS)表征；UV-Vis吸收光譜通過紫外可見分光光度計(jì)(UV-2550,島津)表征；拉曼數(shù)據(jù)是通過拉曼光譜儀(LabRAM HR800、 Horiba Jobin Yvon)進(jìn)行表征。

2.5 SERS測試

首先將大小0.5 cm×0.5 cm的硅片在過氧化氫(30%)和濃硫酸(98%)按照體積比1:3的比例所配制的溶液中浸泡1小時(shí)，然后分別用乙醇和水進(jìn)行清洗。隨后，將制備的Fe3O4@Au 納米星分散到清洗后的硅片上備用，將10L不同濃度的福美雙和敵瘟磷滴在納米顆粒的表面，室溫下干燥，進(jìn)行SERS檢測。實(shí)驗(yàn)過程中使用的拉曼儀的激發(fā)波長為785 nm，激發(fā)能量為2 mW，積分時(shí)間為2 s。

3 結(jié)果與討論

3.1 Fe3O4@Au 納米星顆粒的表征

通過共沉淀法制備出Fe3O4納米顆粒，隨后通過TEM進(jìn)行顆粒形貌的觀察，結(jié)果如圖1a所示。從圖中可以看出所制備的Fe3O4納米顆粒呈現(xiàn)單分散，并且顆粒尺寸均一，大小約為10 nm左右。通過此法制備的Fe3O4納米顆粒表面存在一定量殘留的檸檬酸鈉，可利用其還原性，加熱還原氯金酸溶液，在Fe3O4納米顆粒的表面包裹上一層Au納米殼。Fe3O4@Au納米殼顆粒的形貌、大小通過TEM進(jìn)行表征，結(jié)果如圖1b所示。看到所制備的Fe3O4@Au納米顆粒的大小約為20 nm左右，Au納米殼層均勻的包裹在Fe3O4的表面。最后加入還原劑—對(duì)苯二酚，得到星狀的Fe3O4@Au納米星顆粒。通過TEM觀察到所制備的Fe3O4@Au納米星為多刺狀結(jié)構(gòu)，形貌均一，尺寸大小為40 nm左右，見圖1c所示。Fe3O4@Au納米星的紫外-可見吸收光譜為圖1d，從圖中得到，制備的Fe3O4@Au納米星的表面等離子體共振吸收帶分為橫向和縱向兩個(gè)局域表面等離子體共振峰，這是由于Fe3O4@Au納米星的各向異性所導(dǎo)致的。其中，由于縱向的吸收峰在755nm，所以在后續(xù)的SERS測試中，可以用拉曼光譜儀中785 nm波長的激光進(jìn)行共振激發(fā)，更加有利于增加SERS檢測的靈敏度。圖1e是通過能譜儀(EDS)測試Fe3O4@Au納米星顆粒所含的元素成份，圖中看到所制備的材料分別含有Fe和Au兩種元素，F(xiàn)e的含量為15.07%，Au的含量為84.78%。

3.2 藥殘留物的檢測

福美雙，屬于二硫代氣基甲酸鹽類，一種典型的農(nóng)藥[12]。實(shí)現(xiàn)低濃度福美雙的快速檢測分析，對(duì)農(nóng)藥殘留的監(jiān)管具有十分重要的意義。將Fe3O4@Au納米星作為SERS基底用于福美雙的檢測。圖2a是該基底檢測濃度從4.17×10-7到4.17×10-11的福美雙的SERS圖譜，SERS光譜的特征峰分別在928 cm-1,1149 cm-1,1384 cm-1,1512 cm-1處。其中，928 cm-1為C=S 和CH3-N 的伸縮振動(dòng)峰，1149 cm-1為C-N的伸縮振動(dòng)和CH3的搖擺振動(dòng)峰，位于1384 cm-1處是CH3的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和C-N的伸縮振動(dòng)峰， 1513 cm-1處的峰為C-N的伸縮振動(dòng)和CH3的彎曲振動(dòng)[13]。從圖2a的檢測結(jié)果來看，以Fe3O4@Au納米星為基底對(duì)福美雙進(jìn)行檢測，檢測下限可達(dá)到4.17×10-11M，表明Fe3O4@Au納米星可用于福美雙農(nóng)藥的SERS檢測且具有較高的檢測靈敏度和較低的檢測極限。通過計(jì)算福美雙濃度的對(duì)數(shù)Lg[c(福美雙)]與SERS峰強(qiáng)度的對(duì)數(shù)Lg[峰強(qiáng)]發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，如圖2b所示，研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過測量SERS峰強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)福美雙的定量檢測。敵瘟磷也是一種廣譜使用的有機(jī)磷農(nóng)藥[14]，在實(shí)驗(yàn)中，將Fe3O4@Au納米星作為SERS基底用于敵瘟磷的檢測, 圖2c顯示檢測極限在4.3×10-5M。SERS特征峰在1362cm-1的峰為CH3的對(duì)稱變形振動(dòng)，1071cm-1為平面CH變形振動(dòng)，1207 cm-1位P=O的伸縮振動(dòng)，芳香環(huán)呼吸振動(dòng)峰在1179,1019,997和688cm-1處。通過計(jì)算敵瘟磷濃度的對(duì)數(shù)Lg[c(敵瘟磷)]與SERS峰強(qiáng)度的對(duì)數(shù)Lg[峰強(qiáng)]發(fā)現(xiàn)其呈現(xiàn)一定的線性關(guān)系，如圖2d所示，研究發(fā)現(xiàn)，我們可以通過測量SERS峰強(qiáng)度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)福美雙的定量檢測。

圖1 對(duì)Fe3O4@Au納米星結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。(a)Fe3O4納米顆粒的TEM圖，(b)Fe3O4@Au納米殼顆粒的TEM圖，(c)Fe3O4@Au納米星的TEM圖，(d)Fe3O4@Au納米星和Fe3O4@Au納米殼顆粒的紫外-可見吸收光譜圖，(e)Fe3O4@Au納米星的EDS圖

Fig.1 Characterization of Fe3O4@Au nanostar structure. TEM of (a) Fe3O4nanoparticle, (b) Fe3O4@Au nanoparticle, (c) Fe3O4@Au nanostar, (d) UV-Vis absorption spectroscopy of Fe3O4@Au nanostar and Fe3O4@Au nanoparticle, (d) EDS of Fe3O4@Au nanostar

最后，我們對(duì)所制備的Fe3O4@Au納米星用作循環(huán)SERS測試，第一次測試過程與上述SERS測試步驟相同，在重復(fù)測試過程中，我們選擇用磁鐵將Fe3O4@Au納米星回收到5毫升離心管中，用乙醇清洗三次，再進(jìn)行重復(fù)用于SERS基底。重復(fù)六次進(jìn)行試驗(yàn)，用于驗(yàn)證其循環(huán)性。在循環(huán)測試中，滴加一定量的福美雙，可以得到福美雙的SERS峰。隨后用水和乙醇進(jìn)行洗滌后，福美雙的主要SERS峰消失。然后重新滴加一定量的福美雙后，又測試出福美雙的SERS主要峰。此步驟重復(fù)三遍，所得到的測試結(jié)果如圖3所示，結(jié)果表明，所制備的納米材料可以作為循環(huán)SERS基底。

圖2 Fe3O4@Au納米星用作SERS基底檢測福美雙獲得的(a)SERS光譜，(b)Lg[C(福美雙)]與Lg[峰強(qiáng)]之間的線性關(guān)系；敵瘟磷的(c)SERS光譜，(d)Lg[C(敵瘟磷)]與Lg[峰強(qiáng)]之間的線性關(guān)系

Fig.2 (a) The SERS spectra of thiram pesticide with different concentrations collected from Fe3O4@Au nanostar. (b) Logarithmic plot of [C(thiram pesticide)]versus SERS intensity together with linear fitting；(c) the SERS spectra of ediphenphos pesticide (d) Logarithmic plot of [C(ediphenphos)]versus SERS intensity together with linear fitting

4 結(jié)論

本論文是通過共沉淀法制備Fe3O4納米顆粒，通過檸檬酸鈉高溫還原氯金酸的方式在Fe3O4納米顆粒的表面包裹上Au納米殼層，最后對(duì)苯二酚還原氯金酸，在所制備的Fe3O4@Au納米顆粒表面生長出刺狀A(yù)u納米枝，形成Fe3O4@Au納米星。然后將此納米星用于SERS基底，對(duì)福美雙和敵瘟磷農(nóng)藥進(jìn)行檢測，檢測線分別到4.17×10-11M和4.3×10-5M，說明其具有較高靈敏度。最后，將所制備的Fe3O4@Au納米星用于SERS基底，用于循環(huán)SERS檢測，研究其循環(huán)使用性能。所有這些特性對(duì)于可再生高靈敏度SERS檢測提供了新的可能。

圖3 將Fe3O4@Au納米星作為循環(huán)SERS基底用于福美雙農(nóng)藥分子的三次循環(huán)檢測

Fig.3 Recycle SERS behavior of Fe3O4@Au nanostar with three cycles for thiram pesticide over three cycles