種子介導法制備SERS基底Ag@Au及對阿莫西林的痕量檢測

程昊，徐婭娟，李利軍，黃文藝，盧浩,馮軍

(1.廣西科技大學 生物與化學工程學院,廣西 柳州 545000; 2．廣西糖資源綠色加工重點實驗室 廣西科技大學 生物與化學工程學院，廣西 柳州 545006;3.蔗糖產業(yè)省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 南寧 530004;4.廣西科技大學 醫(yī)學院,廣西 柳州 545000)

表面增強拉曼散射(SERS)是最具前途的分析技術之一，現(xiàn)已成為材料科學、化學、環(huán)境科學等領域分子或生物分子檢測的有效工具[1-3]。通常用作SERS基底的金屬有金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)等。其中，Au和Ag用作SERS基底在一般環(huán)境條件下的穩(wěn)定性比Cu高。然而，AgNPs在熱力學上是不穩(wěn)定的，易被氧化,化學穩(wěn)定性差，這也是它在實際應用中受限的主要原因[4]。另一方面，Ag@Au核-殼型雙金屬納米粒子因其化學穩(wěn)定性提高而受到巨大的關注[5-7]。但靈敏度高、均一性、穩(wěn)定性好的雙金屬Ag@AuNPs核殼結構的制備仍然亟待解決[8]。

本文用一種簡便的種子介導方法制備Ag@Au納米粒子，顯示出顯著的SERS性能。Ag@Au SERS活性基底用于阿莫西林的快速檢測，檢測的線性范圍在 10-3～10-11mol/L 之間，檢出限10-11mol/L，相對標準偏差(RSD)為6.4%。該方法有效地促進了食品、藥品安全在線檢測方法，有廣泛的應用前景。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

硝酸銀、氯金酸(HAuCl4·4H2O)、硼氫化鈉、L-抗壞血酸(AA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP，MW=55 000)、檸檬酸三鈉、過氧化氫、氫氧化鈉、阿莫西林(MAC)等試劑均為分析純；實驗用水均為實驗室自制去離子水。

1.2 Ag@Au納米粒子的制備

1.2.1 AgNPs的制備[9-10]將0.01 mol/L AgNO3水溶液4 mL和檸檬酸三鈉0.1 mol/L溶液6 mL混合，加水使反應液的最終體積達到40 mL，磁力攪拌10 min，加入4 mL新制備的NaBH4溶液(100 mmol/L)，快速注入1 mL的H2O2溶液。反應混合物的顏色在3～4 min內變?yōu)闇\黃色、紅色、綠色，最后變成藍色。10 000 r/min離心約30 min用去離子水反復洗滌，得產物AgNPs。

1.2.2 Ag@Au納米粒子的制備 以AgNPs為模板粒子，采用種子介導的生長方法，在室溫下制備Ag@Au核-殼納米復合物。將100 mg AA和66.6 mg PVP溶于15 mL水中，磁力攪拌,使其溶解。依次加入5 mL AgNPs和0.5 mL 0.2 mol/L NaOH水溶液。使反應混合物的pH值提高到11。然后緩慢(10 μL/min)加入含0.1 mol/L HAuCl4溶液100 μL。混合物溶液的顏色由深藍色變?yōu)榉奂t色，表明Ag@Au納米粒子已形成。經10 000 r/min離心15 min后，用去離子水洗滌。所得產物重新分散于去離子水中，待用。

1.3 樣品的制備及拉曼光譜采集

室溫下精確稱取4 mg阿莫西林，用鹽酸水溶液(pH 2.0)配制成10-3mol/L溶液并稀釋至所需濃度，待用。

向1.5 mL離心管中分別吸取100 μL AgNPs和Ag@Au溶膠，加入400 μL不同濃度的阿莫西林超聲1 h。分別將混合溶液滴在施加外磁場的石英玻璃片上，晾干，每個樣品采集3次拉曼光譜。光譜的參數(shù)為：波長為638 nm，積分時間為10 s，平均次數(shù)為1次。

2 結果與討論

2.1 TEM以及EDS表征

圖1(a～d)分別為AgNPs、Ag@AuNPs的TEM及EDS圖。由圖1可知，制備的AgNPs邊緣長度為20～30 nm的三角形,分散性好，且大小均一，在能譜(圖1b)中只出現(xiàn)Ag元素譜峰，并沒有出現(xiàn)其他雜質峰。通過將還原的Au原子沉積到三角形Ag NPs種子上,并使用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)作為表面活性劑和AA作為還原劑，進一步控制尖端的氧化溶解，獲得Ag@Au核-殼納米復合物，見圖(1c)，被還原的Au納米粒子均勻的點綴在三角形AgNPs表面，且隨著反應的進行，三角形結構的Ag@AuNPs(50 nm)逐漸演變成了圓形盤狀結構。因其相對較大表面積的結構表現(xiàn)出與分析物分子的強耦合，從而具有高度增強的SERS信號。 通過加NaOH(0.2 mol/L)溶液將反應溶液的pH值調節(jié)至11，在較高pH(pH=11)下加入HAuCl4溶液,可顯著降低金離子的還原電位，從而能夠在Ag種子上均勻沉積的Au納米粒子[11]。同時，在能譜(圖1d)中出現(xiàn)了Au元素的譜峰，進一步證明Ag@AuNPs制備成功。

圖1 (a～d)為AgNPs、Ag@AuNPs的透射電鏡以及EDS圖

2.2 UV表征

圖2(a～d)分別為AgNP、AuNPs、Ag@AuNPs、Ag@Au-AMC的紫外光譜(UV)圖。

圖2 (a～d)為AgNP、AuNPs、Ag@AuNPs、Ag@Au-AMC的紫外譜圖

由曲線(2a)、(2c)可知，Ag納米粒子沉積完Au之后，最大吸收波長明顯發(fā)生了藍移(63 nm)，且?guī)缀踅咏贏u納米粒子圖(2b)的最大吸收波長，說明Au納米粒子成功沉積于Ag粒子表面，這與文獻報道的相符[12]。由圖可知，接了阿莫西林的(Ag@Au-AMC)最大吸收波長明顯紅移(52 nm)。由于阿莫西林具有羥基、苯環(huán)和甲基等活性基團，通過這些基團可以很容易地吸附到其金屬納米粒子的表面上[13]。在與SERS活性基底(Ag@AuNPs)綴合后，最大吸收波長發(fā)生了明顯紅移，證明阿莫西林成功與SERS活性基底結合。

2.3 SERS性能研究

2.3.1 阿莫西林的SERS 圖3顯示了阿莫西林標準品、阿莫西林的鹽酸水溶液、Ag-阿莫西林和Aa@Au-阿莫西林的SERS光譜。

近年來，諸多學者對欽杭成礦帶與燕山早期巖體有關的礦床按元素組合及其與相關巖體關系，做了大量的研究。毛景文等[22]注意到，沿欽杭成礦帶及其旁側發(fā)育有江西德興斑巖銅礦、銀山斑巖淺成低溫熱液型銀多金屬礦、冷水坑淺成低溫熱液型銀鉛鋅礦、永平矽卡巖型銅礦、東鄉(xiāng)熱液型銅礦、焦里矽卡巖型鉛鋅礦，湖南七寶山斑巖銅礦、寶山斑巖銅礦、水口山熱液脈狀鉛鋅礦、銅山嶺斑巖銅礦和粵北大寶山矽卡巖銅礦，構成了一個長達1000km以上的銅鉛鋅多金屬礦帶，這個礦帶的顯著特征是位于華南地區(qū)東部大陸邊緣內側，與深源花崗質巖漿有著密切的時空和成因聯(lián)系，其成礦時代為中晚侏羅世(180～165Ma)。

由圖3(a)可知，902 cm-1處的吸收峰是苯環(huán)上的C—C面內變形振動及O—CO—CH3的面內變形振動；1 107 cm-1是O—CO— CH3的非對稱伸縮振動及CH3的非對稱面內變形振動；1 139 cm-1是苯環(huán)上的CH的面內變形振動；1 205 cm-1是Ph—OCOCH3的伸縮振動及苯環(huán)上的CH的面內變形振動；1 301 cm-1是OH的面內變形振動及苯環(huán)上的CH伸縮振動；1 474 cm-1是苯環(huán)上的C—C伸縮振動與CH面內伸縮振動。

圖3 不同基底SERS圖譜

由曲線b、c可知，AgNPs作為SERS活性基底能夠引起阿莫西林分子某些官能團的伸縮振動，且顯著增強了902，1 139 cm-1處的吸收峰[14]。從曲線c、d可知，Ag@AuNPs作為SERS的活性基底圖3(d)，增強效果明顯高于AgNPs圖3(c)作為SERS活性基底。有文獻報道[15]，基于基質的等離子體納米結構組裝有助于產生均勻且更強烈的“熱點”，這些熱點能夠增強分析物的拉曼信號,且避免了AgNPs作為SERS活性基底時易團聚、易氧化等缺點。所以Ag@AuNPs可作為理想的SERS活性基底。

2.3.2 Ag及Ag@Au穩(wěn)定性考察 將新制備的AgNPs、Ag@AuNPs活性基底保存，選擇不同的時間段(新制備、1 個月、2 個月和 3 個月)檢測AgNPs、Ag@AuNPs活性基底下阿莫西林SERS光譜，結果見圖4。

由圖4(a)、4(c)可知，AgNPs、Ag@AuNPs基底測試得到的 4 組阿莫西林SERS譜圖，在1 139 cm-1位置處SERS信號的強度值柱形圖顯示圖4(b)、4(d)。0，1，2,3個月內的SERS 信號強度相對標準偏差分別為4.8%，3.9%,均一性較好，具有良好的穩(wěn)定性，但是，隨著時間的推移，以Ag@AuNPs作為基底的特征峰強度并沒有發(fā)生較大的改變，而以AgNPs作為基底的在第3個月的SERS信號顯著降低，這是由于銀離子容易被氧化，易團聚，而外面沉積金納米粒子之后阻止了銀的進一步團聚及氧化，使基底的穩(wěn)定性顯著提高，Ag@AuNPs基底穩(wěn)定性得到顯著提高。

圖4 AgNPs、Ag@AuNPs 在不同時間段的SERS圖譜，柱狀圖表示(0～3個月)阿莫西林(10-9mol/L)溶液在1 139 cm-1處的拉曼峰Fig.4 Raman spectra of AgNPs,Ag@AuNPs in different time periods，column chart representation(0～3 months)amoxicillin(10-9mol/L)Raman peak at 1 139 cm-1

2.3.3 靈敏度考察 圖5(A)為不同濃度(10-3～ 10-11mol/L)的阿莫西林在Ag@AuNPs基底上的SERS譜圖。

由圖5可知，隨著阿莫西林濃度的降低，1 139 cm-1處的特征峰強度逐漸降低。這是由于隨著阿莫西林溶液濃度的降低，Ag@AuNPs吸附的阿莫西林分子減少，激光照到單位面積的阿莫西林分子也隨之逐漸減少，導致拉曼光譜的信號逐漸減弱。當阿莫西林為10-11mol/L時特征峰強度極弱，因此可以判斷出10-11mol/L為阿莫西林的檢測限。對阿莫西林SERS光譜在1 139 cm-1處的峰強度與其濃度(10-3～ 10-11mol/L)的對數(shù)進行線性擬合見圖5(B)。由圖5(B)可知，兩者之間有較好的線性關系，線性方程為y=414.8x+5 319.6，r為0.996。因此，選擇1 139 cm-1處的峰作為阿莫西林定量分析的指標。

圖5 (A)不同濃度的阿莫西林在Ag@AuNPs基底上的SERS光譜；(B)1 139 cm-1 處的SERS光譜信號與阿莫西林濃度對數(shù)的線性關系

通過計算SERS增強因子(EF)對1 139 cm-1處的拉曼峰進行SERS信號的量化，拉曼增強因子EF的計算公式為[16]：

式中Iers——吸收在Ag@AuNPs基底上的阿莫西林分子的特征峰；

Ibulk——阿莫西林分子的普通拉曼強度；

Ners——Ag@AuNPs基底上激光照射到的阿莫西林分子數(shù)；

Nbulk——阿莫西林分子被激光照射到的分子數(shù)。

2.3.4 光譜重現(xiàn)性考察 8組平行配制的阿莫西林溶液(10-10mol/L)的Ag@AuNPs基底SERS檢測結果見圖6(A)。

圖6 (A) 八組阿莫西林(10-10mol/L)的SERS光譜；(B)八組苯唑西林(10-10mol/L)溶液在1 139 cm-1處的拉曼峰

由圖6(A)可知，8組阿莫西林在1 139 cm-1處SERS峰強度差別并不大，幾乎完全相同，1 139 cm-1處峰強度的相對標準偏差RSD=SD/Im，其中SD是峰強度的標準差，Im是最主要峰的平均拉曼峰強度，見圖6(B)。

由圖6(B)可知，8組平行配制的阿莫西林溶液相對標準偏差為6.4%，而以銀作為SERS活性基底時相對標準偏差為13.2%[17]。表明用Ag@AuNPs 作為SERS活性基底具有良好的重現(xiàn)性。

3 結論

(1)采用種子介導法，制備化學性質穩(wěn)定的雙金屬Ag@Au納米粒子，將三角形的AgNPs轉化為圓盤狀的Ag@Au納米粒子。

(2)高靈敏度的Ag@Au作為SERS活性基底具有較高的化學穩(wěn)定性，在對阿莫西林檢測中表現(xiàn)出顯著的增強效果(EF≥3.9×105)和良好的重現(xiàn)性(RSD=6.4%)?？捎糜谑称?、藥品的快速檢測。