金納米三角片濾紙基底膜的制備及對(duì)食品污染物的快速檢測(cè)

王娟　周亞茹　汪倩倩　李曼　欒龍龍　張祥　徐維平

摘 要 利用濾紙的毛細(xì)管效應(yīng)結(jié)合表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)的快速檢測(cè)功能，制備了SERS多功能基底感應(yīng)卡。首先將合成的金納米三角片利用液-液界面自組裝法制備大面積致密的納米膜，然后將其轉(zhuǎn)移至濾紙表面作為SERS基底膜。以結(jié)晶紫（CV）作為拉曼探針?lè)肿?，此基底膜具有較好的SERS靈敏度和重復(fù)性。利用此基底膜檢測(cè)了白酒中的塑化劑鄰苯二甲酸卞酯（BBP）、 果皮表面的噻苯咪唑（TBZ）和魚類表面的抗生素孔雀石綠（MG）。結(jié)果表明，此基底膜對(duì)BBP、 TBZ和MG的檢測(cè)濃度可低至1×10-8 mol/L，檢測(cè)速度快、 靈敏度高、 操作便捷，具有良好的SERS分析潛力。

關(guān)鍵詞 金納米三角片; 液-液界面自組裝; 濾紙基底; 表面增強(qiáng)拉曼光譜; 食品污染物

1 引 言

近年來(lái)，食品污染問(wèn)題日益突出。鄰苯二甲酸卞酯（BBP）是常見(jiàn)的塑化劑，食品中含量過(guò)高可導(dǎo)致女性早熟[1]。農(nóng)藥殘留也威脅人類的健康，噻苯咪唑（TBZ）因其低成本而廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物，但其存在致畸作用[2]，對(duì)人體有不可忽視的危害。孔雀石綠（MG）能有效預(yù)防細(xì)菌感染，被廣泛作為殺菌劑、 防腐劑使用，但其可能對(duì)人體具有致癌和致突變效應(yīng)[3]。為了保障人類的健康安全，建立一種快捷、 操作簡(jiǎn)單方便的檢測(cè)食品污染物的方法尤為必要。

目前，食品污染物的常見(jiàn)檢測(cè)方法有氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[4]、 高效液相色譜法[5]、 液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[6]和酶抑制法[7]等。這些方法雖有定量分析準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)，但其樣品預(yù)處理過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，在很多緊急情況下使用受限[8]。表面增強(qiáng)拉曼光譜（Surface-enhanced Raman spectroscopy， SERS）是一種識(shí)別并增強(qiáng)化學(xué)分子或生物拉曼信號(hào)的光譜分析技術(shù)[9]，具有靈敏度高、 響應(yīng)快、 操作簡(jiǎn)單、 分辨率高、 樣品無(wú)需前處理、 樣品用量少等優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于分析化學(xué)、 環(huán)境檢測(cè)、 醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域[10]。

紙具有可再生、 廉價(jià)、 再循環(huán)、 可生物降解和生物相容好等優(yōu)點(diǎn)，并且易吸附液體，對(duì)小分子物質(zhì)吸附力好，吸附能力高于傳統(tǒng)硅基底。高靈敏度的紙基底用于SERS，可將金屬納米結(jié)構(gòu)均勻吸附到普通濾紙上，采用擦拭的方式對(duì)各種化學(xué)和生物標(biāo)記物進(jìn)行在線檢測(cè)，快速便捷[11]。柔性濾紙SERS基底可裁剪成任意形狀，貼合或包裹不規(guī)則的樣品表面，且保持基底上有足夠的“熱點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)原位拉曼檢測(cè)[12]，這樣可利用紙張的毛細(xì)管效應(yīng)結(jié)合SERS快速檢測(cè)功能，用于食品污染物的快速檢測(cè)。隨著便攜式拉曼光譜儀的出現(xiàn)，紙質(zhì)SERS基底在痕量分析領(lǐng)域中將具有更大的應(yīng)用潛力[13]。

本研究利用紙具有可再生、 成本低、 容易吸附液體等特點(diǎn)，將紙張的毛細(xì)管效應(yīng)與SERS快速檢測(cè)功能結(jié)合，制備出便于攜帶的SERS多功能基底感應(yīng)卡，用于食品污染物的檢測(cè)。如圖1所示，采用兩步種子生長(zhǎng)法合成金納米三角片，利用界面自組裝法在油水兩相界面形成納米膜，將其轉(zhuǎn)移至濾紙上，制備了濾紙基底膜，用于對(duì)食品污染物的SERS檢測(cè)。這種紙質(zhì)SERS基底檢測(cè)速度快、 操作便捷，具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 儀器與試劑

HT7700透射電子顯微鏡（TEM， 日本Hitachi公司）; JSM-6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本JEOL公司）; UV-2600紫外-可見(jiàn)分光光度儀（日本島津公司）; LABRAM-HR激光共聚焦拉曼光譜儀（日本HORIBA公司）。

四氯金酸（HAuCl4）、 抗壞血酸（AA）、 檸檬酸三鈉、 十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、 NaBH4、? NaI、? NaOH、? 環(huán)己烷、 無(wú)水乙醇、 結(jié)晶紫（CV）、 鄰苯二甲酸丁卞酯（BBP）、 噻苯咪唑（TBZ）和孔雀石綠（MG）均為分析純，購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司; 濾紙（國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司）; 實(shí)驗(yàn)用水為去離子水; 白酒、 魚和蘋果購(gòu)于本地超市。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

2.2.1 金納米三角片的制備[14] （1）金種子溶液的制備 將1 mL HAuCl4（10 mmol/L）加入到36 mL去離子水中，再加入10 mmol/L 檸檬酸三鈉1.4 mL，攪拌均勻，再加入現(xiàn)配的100 mmol/L NaBH4（冰浴）1.0 mL， 攪拌5 min后，放置2～6 h，待NaBH4反應(yīng)完全，生成金種子。（2）生長(zhǎng)溶液的制備 按表1依次加入各溶液，配制A、 B、 C溶液。將1 mL金種子溶液加入到A溶液中，輕搖混合后，立即取1 mL加入到B溶液中，輕搖混合后，立刻將此B溶液全部加入到C溶液中，輕搖后放置30 min，溶液顏色變?yōu)榧t紫色，放置30 min后，在25℃下靜置過(guò)夜。第二天棄去上清液，三角片沉淀加入20 mL去離子水，輕搖，得到的溶液呈深綠色，離心濃縮，再加入10 mL CTAB （50 mmol/L），防止團(tuán)聚。

2.2.2 柔性濾紙SERS基底膜的制備[15]

取5 mL制得的金三角片溶液，加入10 mL PVP（0.01 mg/mL），磁力攪拌15 min后，以5600 r/min離心5 min，棄上清液，沉淀加入5 mL去離子水，超聲混合均勻。在小玻璃瓶中加入2 mL環(huán)己烷和2 mL金三角片溶液，立即加入2 mL乙醇，放置2 min，形成一片密集的納米膜。采用移液槍取1 mL金三角片膜溶液，慢慢滴加到濾紙上，形成致密的圓斑，室溫下干燥備用。

2.3 基底膜的靈敏度與重復(fù)性考察

以CV為SERS探針?lè)肿訉?duì)金納米三角片基底膜的靈敏性和重復(fù)性進(jìn)行考察，取10 μL系列濃度梯度的CV水溶液，滴加到附著基底膜的濾紙位置上。將濾紙?jiān)谑覝叵赂稍锖?，進(jìn)行SERS檢測(cè)。

2.4 SERS檢測(cè)

2.4.1 白酒中塑化劑的SERS檢測(cè) 選取最常見(jiàn)的塑化劑BBP進(jìn)行檢測(cè)，配制濃度為1×10-4 mol/L、 1×10-5 mol/L、? 1×10-6 mol/L、 1×10-7 mol/L和1×10-8 mol/L的BBP-白酒混合溶液，將剪成箭頭（底部尖端長(zhǎng)度為2.5 cm，箭頭的長(zhǎng)度為3.5 cm）的濾紙基質(zhì)分別插入到不同濃度的BBP-白酒的混合溶液中，將濾紙?jiān)谑覝叵赂稍锖?，進(jìn)行SERS檢測(cè)。

2.4.2 蘋果表皮農(nóng)殘TBZ的SERS檢測(cè) 配制濃度分別為1×10-4、 1×10-5、 1×10-6、 1×10-7和1×10-8 mol/L的TBZ溶液，取50 μL系列濃度梯度的TBZ滴加到蘋果的表皮，用濾紙基底直接擦拭蘋果表面的殘留的TBZ，將濾紙?jiān)谑覝叵赂稍锖?，進(jìn)行SERS檢測(cè)。

2.4.3 魚表面抗生素MG的SERS檢測(cè) 配制濃度分別為1×10-5 、 5×10-6 、 1×10-6、 1×10-7、 5×10-7和1×10-8 mol/L的MG溶液，取50 μL系列濃度梯度的MG滴加到魚鱗上，用濾紙擦拭魚表面的殘留的MG溶液，將濾紙?jiān)谑覝叵赂稍锖?，進(jìn)行SERS檢測(cè)。

用激光共聚焦拉曼光譜儀進(jìn)行SERS檢測(cè)，激發(fā)波長(zhǎng)為633 nm， 光譜收集范圍為600～1800 cm-1; 物鏡參數(shù)：放大倍數(shù)50倍，數(shù)值孔徑（N.A.）為0.75，工作距離（WD）為0.37 mm;? CV積分時(shí)間為1 s， BBP、 TBZ和MG為5 s。

3結(jié)果與討論

3.1 金納米三角片的表征

由金納米三角片的透射電鏡圖（圖2A和2B）可見(jiàn)，金納米三角片形貌規(guī)整，大小較均一，邊長(zhǎng)約（200±18）nm。由金納米三角片在300～1350 nm波長(zhǎng)范圍的紫外-可見(jiàn)吸收光譜（圖2C）可知，此金納米三角片的表面等離子體共振峰位于931 nm左右，在650 nm左右有吸收峰，是由殘留的金顆粒產(chǎn)生的。

3.2 柔性濾紙基底膜的表征

對(duì)于傳統(tǒng)的硅片和玻璃基底 ，由于納米粒子通常位于其表面，易被擦除。以紙作為基板，可將納米粒子固定在紙的三維纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)，并具有一定的吸附性和滲透性。由圖3A可見(jiàn)濾紙的纖維束表面的形狀，纖維束相互交錯(cuò)，大大增加了紙張的表面積; 纖維束表面附著了一層致密、 大面積的膜狀結(jié)構(gòu)（圖3C），金納米三角片成功通過(guò)界面組裝成膜，形貌良好、 大小均一的金納米三角片緊密排列（圖3D），進(jìn)一步增加了表面粗糙度，有利于增強(qiáng)等離子體共振效果，增加SERS熱點(diǎn)效應(yīng)。

3.3 柔性基底膜的重復(fù)性和靈敏度

為了考察柔性濾紙基底膜的靈敏度和有效性，以CV作為活性基底的拉曼探針?lè)肿樱疾炱潇`敏度與重復(fù)性。由圖4A可知，CV的拉曼特征峰為802、 916、 1178、 1375和1617 cm-1，其中，802和1178 cm-1處的拉曼特征峰是CH 鍵振動(dòng)引起的，916和1375 cm-1的拉曼峰是CV的放射狀芳香骨架振動(dòng)與N-Pheny1振動(dòng)引起的，1617 cm-1處的拉曼峰歸屬于芳香環(huán)的振動(dòng)[16]。CV的拉曼特征峰見(jiàn)圖4A，此基底可以檢測(cè)到1×10-8 mol/L CV，靈敏度較高。選取不同濃度的3條1617 cm-1處拉曼譜，繪制濃度與SERS強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖（圖4B），在10-5～10-8 mol/L濃度范圍內(nèi)，濃度與強(qiáng)度呈正相關(guān)。在1×10-6 mol/L CV基底上隨機(jī)選取20個(gè)點(diǎn)進(jìn)行SERS檢測(cè)，制作特征峰清晰可見(jiàn)的二維Mapping（圖4C），不同顏色代表拉曼光譜的強(qiáng)度，圖4 金納米三角片濾紙基底膜的SERS靈敏度（A、 B）和重復(fù)性分析圖（C、 D）Fig.4 SERS sensitivity （A，B） and repeatability （C，D） analysis of substrate film of gold nanotriangle filter paper在CV特征峰處顏色比較均一，說(shuō)明此基底的重現(xiàn)性較好。在1×10-6 mol/L CV處取30條光譜，隨機(jī)選取20條光譜，在特征峰為1617 cm-1處，做強(qiáng)度的柱狀分布圖（圖4D），計(jì)算得相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為8.1%，說(shuō)明此金納米三角片濾紙基底膜具有較好的重復(fù)性。

3.4 SERS檢測(cè)

3.4.1 白酒中BBP的SERS檢測(cè) 由含不同濃度BBP的白酒進(jìn)行SERS檢測(cè)得到的SERS圖譜（圖5A）可知，BBP的主要拉曼特征峰位于650、 1003、 1039、 1121、 1164、 1581、 1602 和1725 cm-1處，其中650、 1003、 1038、 1163、 1580和1600 cm-1處拉曼特征峰為芳香環(huán)環(huán)面CC鍵向內(nèi)彎曲振動(dòng)，1120 cm-1處是由于CC鍵環(huán)面內(nèi)彎曲振動(dòng)和CCO環(huán)面向內(nèi)彎曲振動(dòng)共同作用，1725 cm-1處是由于CH3面向外搖擺振動(dòng)和CO伸縮振動(dòng)共同作用[17]。由圖5B可見(jiàn)，在1003 cm-1處，隨著BBP濃度減小，拉曼峰強(qiáng)度降低，對(duì)白酒中BBP的檢測(cè)濃度可低至1×10-8 mol/L，說(shuō)明金納米三角片濾紙基底膜對(duì)白酒中的塑化劑BBP檢測(cè)的靈敏度較高，可用于白酒中塑化劑的檢測(cè)。

3.4.2 蘋果表皮農(nóng)殘TBZ的SERS檢測(cè) 為了證明此基底對(duì)污染物的快速檢測(cè)性能，采用SERS檢測(cè)了蘋果皮表不同濃度的TBZ。由圖6A可知，在787、 1010、 1282、 1306、 1458、 1570 和1593 cm-1處出現(xiàn)了TBZ的拉曼特征峰，其中787和1010 cm-1處拉曼位移來(lái)源于CH鍵的表面彎曲振動(dòng)，1282和1306 cm-1來(lái)源于CH表面振動(dòng)和環(huán)振動(dòng)，1458 cm-1處特征拉曼峰歸屬于CN鍵的伸縮振動(dòng)[18]，隨著TBZ濃度減小，拉曼峰強(qiáng)度逐漸減弱，對(duì)TBZ的檢測(cè)濃度可低至1×10-8 mol/L。選取1458 cm-1處不同濃度TBZ的拉曼譜峰各3個(gè)，作濃度對(duì)數(shù)與SERS強(qiáng)度關(guān)系柱狀圖（圖6B），在1458 cm-1處的SERS強(qiáng)度與TBZ的對(duì)數(shù)濃度呈正相關(guān)，說(shuō)明此金納米三角片濾紙基底膜可用于蘋果表面TBZ殘留的檢測(cè)。

3.4.3 魚表面抗生素MG的SERS檢測(cè) MG的拉曼特征峰位于422、 440、 526、 760、 908、 1174、 1221、 1399和1610 cm-1處（圖7A），其中， 422和440 cm-1來(lái)源于苯C苯平面外振動(dòng)，760 cm-1為CH平面外振動(dòng)引起，908 cm-1為N-苯基伸縮振動(dòng)和CH面外彎曲振動(dòng)，1174 cm-1為CH環(huán)的平面內(nèi)振動(dòng)，1221 cm-1為CH振動(dòng)，1399 cm-1為N-苯基的拉伸振動(dòng)，1610 cm-1為CC環(huán)的拉伸振動(dòng)[19]。由圖7A可知，此濾紙基底膜對(duì)MG的檢測(cè)濃度可達(dá)到1×10-8 mol/L，因此，可用SERS技術(shù)對(duì)MG進(jìn)行檢測(cè)。選取1610 cm-1處的不同濃度拉曼譜圖各3條，制作濃度對(duì)數(shù)與SERS強(qiáng)度關(guān)系散點(diǎn)圖 （圖7B），在1610 cm-1處的SERS強(qiáng)度與MG的對(duì)數(shù)濃度呈正相關(guān)。CV、 BBP、 TBZ、 MG的標(biāo)準(zhǔn)譜圖如圖8所示。

4 結(jié) 論

以濾紙代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅片基板，利用紙可再生、 使用便捷、 可吸附液體等特性，成功地制備了金納米三角片濾紙SERS基底膜。此濾紙基底膜具有良好的重復(fù)性和靈敏度，可對(duì)白酒中BBP、 蘋果表皮的農(nóng)殘物TBZ、 魚類表面抗生素MG進(jìn)行SERS檢測(cè)，檢出濃度可達(dá)到1×10-8 mol/L。本研究制備的金納米三角片濾紙SERS基底膜便于攜帶、 靈敏度高、 制作簡(jiǎn)單、 檢測(cè)方法快捷，可以直接擦拭和吸附待測(cè)物，為各種污染物的檢測(cè)提供了一種新型的基底感應(yīng)卡，在食品污染物檢測(cè)方面具有很大的應(yīng)用潛力。

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Preparation of Base Membrane of Gold Nanotriangle

Filter Paper and Its Application in Rapid Detection

of Food Contaminants

WANG Juan1， ZHOU Ya-Ru2， WANG Qian-Qian1， LI Man3，

LUAN Long-Long2， ZHANG Xiang3， XU Wei-Ping*1，4

1（College of Pharmacy， Anhui University of Chinese Medicine， Hefei 230012， China）

2（College of Chemistry and Chemical Engineering， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China）

3（Department of Life Sciences and Medicine， University of Science and Technology of China， Hefei 230026， China）

4（The First Affiliated Hospital of University of Science and Technology of China， Hefei 230001， China）

Abstract Food safety is closely related with human life and health， therefore， it is particularly necessary to establish a fast， sensitive， simple and convenient testing means for food contaminants. Surface-enhanced Raman spectroscopy （SERS） has the characteristics of quickness， convenience and high sensitivity for the field detection and analysis of food contaminants. In this work， the capillary effect of filter paper combined with the quick detection function of SERS technology was used to prepare SERS multi-functional base sensor cards. Firstly， a large area of dense nano membrane was prepared by using the self-assembly method of liquid-liquid interface with the synthesized gold nanotriangle， which was transferred to the surface of filter paper as SERS base membrane. Crystal violet （CV） was used as the Raman probe molecule to investigate SERS sensitivity and repeatability of the substrate membrane， and the plasticizer benzyl butyl phthalate （BBP） in liquor， thiabendazole （TBZ） on the peel surface and antibiotic malachite green （MG） on the fish surface were also detected. The results showed that the concentration of BBP， TBZ and MG could be detected at 1×10-8 mol/L. This kind of SERS substrate membrane showed a fast detection speed， high sensitivity， convenient operation， and a great potential for SERS analysis.

Keywords Au nanotriangle; Liquid-liquid interfacial self-assembly; Filter paper substrate; Surface-enhanced Raman spectroscopy; Food contaminants

（Received 29 July 2020; accepted 30 September 2020）

This work was supported by the National Natural Science Foundation of China （No. 51672004）， the Natural Science Foundation of Anhui Province， China （No. 1608085MH176）， and the Project of Science and Technology of Auhui Province， China （No.1804h08020252）.

2020-07-29收稿; 2020-09-30接受

本文系國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 51672004）、 安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 1608085MH176）和安徽省科技攻關(guān)項(xiàng)目（No. 1804h08020252）資助

* E-mail： weipingx@ustc.edu.cn