水熱法綠色合成納米銀及其在水體有機(jī)染料中的表面增強(qiáng)拉曼應(yīng)用

薛長國，唐 毓，李世琴，劉 松，李本俠

1. 安徽理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 淮南 232001 2. 浙江理工大學(xué)理學(xué)院化學(xué)系，浙江 杭州 310018

引 言

染料的大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用給地球生態(tài)帶來了相當(dāng)大的影響，對水環(huán)境污染非常嚴(yán)重。 然而，對染料組分痕跡的檢測和鑒定極具挑戰(zhàn)性。 傳統(tǒng)色譜和光譜工具難以檢測到微弱的光譜和化學(xué)信息[1]。

近年來，表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)在水體檢測領(lǐng)域表現(xiàn)了巨大潛力。 自1974年被人們發(fā)現(xiàn)以來，該技術(shù)顯示出極高的靈敏度和特異性[2-3]，因此SERS是研究水溶液中化合物和生物樣品的理想工具[4]。 SERS是一種基于金屬納米顆粒表面分子吸附的痕量物質(zhì)的定量分析技術(shù)，在金屬納米粒子中，納米銀(AgNPs)因有優(yōu)良的光學(xué)、電子特性，出色的抗菌活性和催化性等性能而得到廣泛應(yīng)用。 如今，制備納米銀的方法有很多，如機(jī)械球磨法、電化學(xué)還原法、液相化學(xué)還原法、微波處理等。 在這些方法中，化學(xué)還原法由于其制備簡單、成本低、易于對銀納米粒子的尺寸和形狀進(jìn)行控制而得到廣泛的應(yīng)用。 檸檬酸鈉、硼氫化鈉、水合肼、苯胺是合成納米銀的常用還原劑。 但是，由于它們的毒性和生物相容性，會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。 因此使用無毒化學(xué)品、環(huán)境友好溶劑和可再生材料是未來材料合成發(fā)展的趨勢。

海藻酸鈉(sodium alginate，SA)是一種從海藻中分離出來的天然碳水化合物聚合物[5]，由于其生物相容性，低毒性，相對低的成本以及通過添加二價(jià)陽離子如Ca2+而溫和凝膠化而廣泛用于食品和飲料，制藥和生物工程工業(yè)。 藻酸鹽的羧基可以與Ag+靜電相互作用形成絡(luò)合物，羥基將Ag+還原為Ag0，隨后原子聚結(jié)，形成金屬團(tuán)簇； 由于靜電斥力和空間效應(yīng)，含有羧基的藻酸鹽碎片產(chǎn)生的表面負(fù)電荷穩(wěn)定了納米顆粒，使其不與下一個(gè)顆粒聚集，從而制得AgNPs。

本工作采用一種簡單，快速和完全綠色的方法合成AgNPs，使用海藻酸鈉作為還原劑和穩(wěn)定劑，水作為反應(yīng)介質(zhì)，通過水熱法進(jìn)行合成，并將其用于有毒染料的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測中。 使用紫外-可見分光光度計(jì)和透射電子顯微鏡進(jìn)行納米銀的表征與分析。 進(jìn)一步，對低濃度的染料(亞甲基藍(lán)、羅丹明B、堿性品紅)溶液進(jìn)行SERS的檢測，為后續(xù)綠色化學(xué)制備AgNPs及水體檢測提供研究基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 設(shè)備

鼓風(fēng)干燥箱，型號DHG-9247A； 紫外-可見分光光度計(jì)，型號UV1901PC； 透射電子顯微鏡，型號Tecnai G2 20； 785 nm激光器，型號Laser785-5HS； 光纖探頭，型號RPB-785-1.5-SS； 光柵光譜儀，型號Omini-λ5008i； Andor CCD，型號iVac-316-CCD。

1.2 原料

海藻酸鈉(SA)，化學(xué)純； 硝酸銀(AgNO3)，分析純； 亞甲基藍(lán)(MB)，分析純； 羅丹明B(RhB)，分析純； 堿性品紅(BF)，分析純； 去離子水。

1.3 AgNPs的合成

通過在水溶液中用海藻酸鈉水熱還原AgNO3實(shí)現(xiàn)了AgNPs的制備。 將30 mL去離子水、1 mL 0.04 mol·L-1AgNO3和1.6 mL 0.5%海藻酸鈉溶液在室溫下混合，得到混合均勻的溶液，混合物轉(zhuǎn)移到50 mL不銹鋼反應(yīng)釜中，將反應(yīng)釜放置在鼓風(fēng)干燥箱內(nèi)，加熱至120 ℃，6 h后取出反應(yīng)釜，冷卻至室溫，產(chǎn)物離心，沉淀物分散到40 mL 0.05%海藻酸鈉水溶液形成納米銀水溶膠[6]。

1.4 材料的表征

使用紫外-可見分光光度計(jì)來進(jìn)行UV-Vis光譜測量。 具體表征方法為： 取2 mL納米銀水溶膠于石英比色皿中，將比色皿置于分光光度計(jì)樣品槽中測量，參比溶液為去離子水。 紫外掃描波長范圍為300～800 nm。

利用透射電子顯微鏡(TEM)觀察和表征納米銀顆粒的形態(tài)和尺寸。

1.5 拉曼光譜測量

調(diào)制不同濃度梯度的亞甲基藍(lán)、羅丹明B、堿性品紅，將其與納米銀水溶膠混合后進(jìn)行表面增強(qiáng)拉曼檢測，設(shè)置不同的光譜參數(shù)，采集拉曼光譜，分析圖譜。

2 結(jié)果討論

2.1 AgNPs的表征

本實(shí)驗(yàn)使用天然生物聚合物藻酸鹽以“綠色”方法合成AgNPs。 藻酸鹽起到還原劑和穩(wěn)定劑的雙重作用。 所制備的納米銀水溶膠呈黃棕色。

通過紫外-可見分光光度計(jì)和透射電子顯微鏡對AgNPs進(jìn)行表征。 圖1(a)為室溫下所制備的納米銀水溶膠的UV-Vis光譜圖，圖中顯示樣品的表面等離子吸收峰波長449 nm，表明溶液中存在納米銀[7]； 峰形較寬，表明制得的納米銀水溶膠粒徑較大，分布較寬。 放置半個(gè)月后，其UV-Vis光譜圖并未發(fā)生明顯變化，可以證明所制備的納米銀水溶膠是穩(wěn)定的。 圖1(b)為納米銀水溶膠的TEM圖像。 TEM分析表明AgNPs分散良好且呈球形，顆粒平均直徑為46 nm。

圖1 (a)AgNPs的紫外可見吸收光譜，插圖為納米銀水溶膠的實(shí)物圖； (b)AgNPs的TEM圖像

2.2 AgNPs對亞甲基藍(lán)的SERS效應(yīng)

亞甲基藍(lán)(methylene blue，MB)是一種陽離子染料，可使棉花、絲綢和木材染色。 吸入MB會導(dǎo)致呼吸困難，而通過口攝入MB會引起惡心，嘔吐和精神錯(cuò)亂[8]。

配置不同濃度的MB水溶液并用保鮮膜封好。 檢測不同濃度的MB純?nèi)芤旱睦庾V，拉曼光譜檢測參數(shù)設(shè)置均相同，樣品功率為100 mW，積分時(shí)間15 s，累計(jì)次數(shù)2次。 圖2中從譜線f中可知銀膠并沒有拉曼光譜峰，說明銀膠對混合液的拉曼光譜并沒有背景影響；a—e為MB純?nèi)芤旱睦庾V，MB溶液濃度在5×10-4mol·L-1時(shí)449，778，1 401和1 628 cm-1附近能檢測到特征峰，查閱文獻(xiàn)知在449，1 401和1 628 cm-1附近的MB特征峰歸屬于C—C，C—H伸縮和C—N—C骨架彎曲振動[9]。 隨著MB溶液濃度的降低，特征峰基本消失，普通拉曼已檢測不出。

圖2 不同濃度的MB純?nèi)芤豪庾V

ofMBpuresolution

a: 5×10-4mol·L-1MB pure solution;b: 5×10-5mol·L-1MB pure solution;c: 2.5×10-5mol·L-1MB pure solution;d: 2.5×10-6mol·L-1MB pure solution;e: 2.5×10-7mol·L-1MB pure solution;f: Silver gel Raman spectroscopy

圖3 不同濃度的MB銀膠混合液SERS光譜

圖2與圖3相比較，可以得出結(jié)論： 通過水熱法綠色合成的納米銀對低濃度的MB溶液有明顯的SERS效應(yīng)，檢測濃度能達(dá)到2.5×10-7mol·L-1。

2.3 AgNPs對羅丹明B的SERS效應(yīng)

羅丹明B(Rhodamine B，RhB)是一種合成的有機(jī)紅色染料，具有高溶解度，廣泛用作食品中的著色劑和水示蹤劑熒光，但對人和動物具有致癌、生殖和神經(jīng)毒性等[10]。

配置不同濃度的RhB水溶液并用保鮮膜封好。 檢測不同濃度的RhB純?nèi)芤旱睦庾V，拉曼光譜參數(shù)設(shè)置均相同，樣品功率為350 mW，積分時(shí)間20 s，累計(jì)次數(shù)4次。 圖4中a—d為RhB純?nèi)芤旱睦庾V，RhB溶液濃度在1×10-3mol·L-1時(shí)603，1 194，1 284，1 361，1 506和1 649 cm-1附近能檢測到特征峰，查閱文獻(xiàn)知這些特征峰分別歸屬于環(huán)變形振動、C—H面內(nèi)彎曲振動、C—C橋梁伸縮振動、芳香族C—C伸縮振動、芳香族C—C伸縮振動和芳香族C—C伸縮振動[11]。 隨著RhB純?nèi)芤簼舛鹊慕档吞卣鞣逯饾u消失，普通拉曼已檢測不出。

圖4 不同濃度的RhB純?nèi)芤豪庾V

取1 mL納米銀水溶膠與1 mL不同濃度的RhB溶液混合后，將其置于超聲波儀中超聲5 min后，靜置2 h。 將不同濃度的RhB銀膠混合液置于石英比色皿中進(jìn)行拉曼檢測，參數(shù)設(shè)置保持不變。 圖5(a—d)為不同濃度的RhB銀膠混合液SERS光譜，圖中RhB濃度在1×10-3，1×10-4，1×10-5和1×10-6mol·L-1均能檢測到上述四個(gè)特征峰，而且特征峰明顯，在714，1 006，1 130，1 236，1 391和1 593 cm-1處出現(xiàn)了新的特征峰，這是RhB純?nèi)芤核痪哂械摹?/p>

圖4與圖5相比較，可以得出結(jié)論： 通過水熱法綠色合成的納米銀溶膠對低濃度的RhB溶液有明顯的SERS效應(yīng)，檢測濃度能達(dá)到1×10-5mol·L-1。

圖5 不同濃度的RhB銀膠混合液SERS光譜

2.4 AgNPs對堿性品紅的SERS效應(yīng)

堿性品紅(basic fuchsin，BF)是三苯甲烷染料，廣泛用于紡織、化學(xué)分析和微生物染色。 但其生物降解性差，有毒性和致癌性[12]。

配置不同濃度的BF水溶液并用保鮮膜封好。 檢測不同濃度的BF純?nèi)芤旱睦庾V，拉曼光譜參數(shù)設(shè)置均相同，樣品功率為100 mW，積分時(shí)間5 s，累計(jì)次數(shù)1次。 圖6中a—d為BF純?nèi)芤旱睦庾V，BF溶液濃度在1×10-3mol·L-1時(shí)419，1 176，1 374和1 590 cm-1附近能檢測到特征峰，根據(jù)文獻(xiàn)這些振動帶分別被指定為平面外苯環(huán)變形，C—H彎曲，N-苯基拉伸和平面內(nèi)環(huán)拉伸彎曲振動[12]。 隨著BF純?nèi)芤簼舛鹊慕档吞卣鞣寤鞠В胀ɡ庾V已檢測不出。

圖6 不同濃度的BF純?nèi)芤豪庾V

取1 mL納米銀水溶膠與1 mL不同濃度的BF溶液混合后，將其置于超聲波清洗儀中超聲5 min后，靜置2 h。 將不同濃度的BF銀膠混合液置于石英比色皿中進(jìn)行拉曼檢測，參數(shù)設(shè)置保持不變。 圖7為不同濃度的BF銀膠混合液SERS光譜，圖中BF濃度在1×10-3～1×10-6mol·L-1均能檢測到上述四個(gè)特征峰，而且特征峰明顯，在418，1 169，1 369和1 589 cm-1處出現(xiàn)了新的特征峰，這是BF純?nèi)芤核痪哂械摹?/p>

圖6與圖7相比較，可以得出結(jié)論： 通過水熱法綠色合成的納米銀對低濃度的BF溶液有明顯的SERS效應(yīng)，檢測濃度能達(dá)到1×10-6mol·L-1。

圖7 不同濃度的BF銀膠混合液SERS光譜

3 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)工具對水中有毒染料的檢測存在費(fèi)用高昂、靈敏度低等缺點(diǎn)，提出利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)對有毒染料進(jìn)行檢測，該方法具有制樣簡單、檢出限高、重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)。 同時(shí)，為了遵循“綠色化學(xué)”的主旨，使用海藻酸鈉作為還原劑和穩(wěn)定劑，在水熱條件下合成了納米銀溶膠，作為表面增強(qiáng)拉曼光譜的可靠基底，能夠有效增強(qiáng)拉曼信號。 利用TEM和UV-Vis對所合成的納米銀進(jìn)行了表征，表明制得的納米銀溶膠粒徑較大，分布較寬。 配置不同濃度梯度的染料(MB，RhB和BF)溶液，并與納米銀溶膠混合進(jìn)行SERS研究。 結(jié)果表明，該納米銀溶膠作為表面增強(qiáng)拉曼光譜基底，能夠檢測出10-6mol·L-1的染料溶液，且能猝滅染料的熒光，使其特征峰均能很好地顯示，表明該納米銀粒子具有非常高的表面增強(qiáng)拉曼光譜活性。 納米銀水溶膠SERS具有高靈敏度和檢測速度，用作水中染料的痕量檢測表現(xiàn)優(yōu)異，有著巨大的應(yīng)用前景。