基于金屬有機框架材料復(fù)合基底表面增強拉曼光譜測定水中的戊二醛

徐 陽，雷 蕾，嚴 軍*，陳裕雲(yún)，譚學才，劉玉乾，王 齊

1.廣西民族大學化學化工學院，廣西高校食品安全與藥物分析化學重點實驗室，廣西林產(chǎn)化學與工程重點實驗室，廣西 南寧 530006 2.橫縣綜合檢驗檢測中心，廣西 橫縣 530300 3.昆明理工大學材料科學與工程學院，云南 昆明 615000

引 言

戊二醛(glutaraldehyde，GA)可通過烷基化反應(yīng)使菌體蛋白質(zhì)變性，是一種被廣泛應(yīng)用的新型消毒劑，常用于醫(yī)用或水體消毒、食品加工等領(lǐng)域。GA水溶液經(jīng)廢水排放到環(huán)境中，對水生生物具有急性毒性，并產(chǎn)生長期影響，同時給人類及其他動物的健康帶來隱患。我國GB 5749—2006《生活飲用水衛(wèi)生標準》明確規(guī)定生活飲用水中的戊二醛的檢出量不可超過0.07 mg·L-1[1]。目前，已報道的戊二醛檢測方法有高效液相色譜[2]、氣相色譜[3]、氣相色譜-質(zhì)譜法[4-6]、液相色譜-質(zhì)譜法[7]、熒光光譜法[8-9]等。例如，Kang[4-5]通過柱前衍生建立了戊二醛的氣相色譜-質(zhì)譜法(GC-MS)檢測方法；Miao[9]通過合成帶有側(cè)鏈質(zhì)子化伯氨基(PPE-NH3+)的熒光聚苯乙炔，建立了測定戊二醛的熒光猝滅法，檢出限為4.9×10-4mol·L-1；Filenko[8]使用胺化改性二氧化硅納米粒子與乙二胺熒光素硫代氨基甲酸酯(EDF)和戊二醛形成三明治結(jié)構(gòu)，通過熒光法測定了消毒劑中戊二醛。色譜法需要衍生、萃取、解吸、分離等復(fù)雜的處理程序，熒光法探針結(jié)構(gòu)復(fù)雜，合成路線長，合成困難。迫切需要開發(fā)新的分析方法，以滿足水性環(huán)境中痕量GA的檢測需求。

表面增強拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)因其靈敏度高、光譜信息豐富等特點，在分析檢測中表現(xiàn)出了巨大的潛力。局域表面等離子體共振效應(yīng)使貴金屬“熱點”范圍內(nèi)的分子產(chǎn)生強的SERS信號，即電磁增強，在表面增強拉曼中占主導作用，化學增強則是通過基底與分子發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移[10]引起的信號增強。目前，貴金屬納米粒子在表面增強拉曼光譜領(lǐng)域已經(jīng)得到了廣泛的研究與應(yīng)用[11]，然而貴金屬納米材料由于其易聚合不穩(wěn)定，且對溶液pH極度敏感等缺點限制了其在SERS中的應(yīng)用。由于某些小分子的拉曼散射截面極低，導致拉曼散射效應(yīng)很弱，也難以獲得較高的靈敏度。因此，將金納米粒子與其他功能材料(半導體[12]、碳材料[13]、金屬有機框架[14]等)相結(jié)合制備得到復(fù)合基底材料，可克服貴金屬納米粒子易團聚的缺點，并充分利用復(fù)合基底的富集、化學增強、衍生化等功能，可有效提高SERS的分析性能并擴展其應(yīng)用范圍。MOFs材料超高的比表面積、強的熱穩(wěn)定性和與沸石相似的永久性納米級空腔，可以附著并穩(wěn)定大量的貴金屬顆粒，極大地改善了SERS增強基底的穩(wěn)定性[15-16]。同時，MOFs多孔材料的特殊孔道結(jié)構(gòu)賦予了SERS基底較強的吸附作用，促使檢測物分子被吸附在貴金屬表面，從而得到較好的電磁增強效果[14,17-18]。

本研究采用溶液浸漬法在MIL-101(Cr)內(nèi)部還原生成AuNPs，并將拉曼活性探針分子PATP修飾到Au@MIL-101中的金納米顆粒表面，得到Au@MIL-101/PATP復(fù)合SERS基底。該基底具有兩個功能：(1)利用MIL-101(Cr)的高比表面積和多孔性實現(xiàn)對待測物戊二醛的富集；(2)利用PATP與戊二醛的席夫堿衍生化反應(yīng)將戊二醛選擇性吸附到金納米顆粒的局域表面等離子共振電場，產(chǎn)生拉曼增強信號?；贏u@MIL-101/PATP復(fù)合基底建立的戊二醛SERS測定方法具有靈敏度高、分析時間短、操作簡單等優(yōu)勢。圖1為Au@MIL-101/PATP檢測戊二醛的示意圖及席夫堿反應(yīng)式。

圖1 Au@MIL-101/PATP檢測戊二醛示意圖Fig.1 Schematic diagram of Au@MIL-101/PATP detecting glutaraldehyde

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

UV-2100雙光束紫外可見分光光度計(北京北分瑞利)；FEI Talos F200X 透射電鏡(美國賽默飛世爾科技公司)；K-Alpha X射線光電子能譜儀(美國賽默飛世爾科技公司)；inVia激光共聚焦顯微拉曼光譜儀(英國雷尼紹公司)；H1850R 臺式高速冷凍離心機(中國湘儀離心機儀器有限公司)；D8 ADVACE X射線單晶衍射儀(美國布魯克公司)。

四水合氯金酸(HAuCl4·4H2O)、對苯二甲酸(PTA)、硝酸鉻(Cr(NO3)3·9H2O)、氫氟酸(HF)、檸檬酸鈉、對氨基苯硫酚(PATP)、戊二醛水溶液(GA)、冰乙酸(C2H4O2)等均為分析純(上海麥克林公司)。超純水為Milli-Q Reference超純水儀(美國Millipore公司)制備。自來水為南寧地區(qū)家庭用自來水，河水采自廣西合浦洪潮水庫地表水。

1.2 方法

1.2.1 Au@MIL-101/PATP的制備

首先采用Férey[19]的方法合成MOFs材料。MIL-101(Cr)經(jīng)洗滌活化后，參照Hu等[20]報道的方法，采用溶液浸漬法以檸檬酸鈉還原氯金酸制備Au@MIL-101。稱取50 mg MIL-101(Cr)，超聲分散于30 mL氯金酸水溶液中，并在45 ℃油浴下磁力攪拌2.5 h，然后加熱至沸騰，在快速攪拌的條件下注入220 μL的檸檬酸鈉溶液，保持沸騰狀態(tài)，持續(xù)攪拌40 min。冷卻后，經(jīng)離心分離(3 000 r·min-1，3 min)，用超純水洗3次，干燥得到Au@MIL-101。將10 mg的Au@MIL-101分散在5 mL 1×10-3mol·L-1的PATP乙醇溶液中，孵育1 h。洗滌并離心收集Au@MIL-101/PATP，分散于1 mL水中，基底濃度為10 g·L-1。

1.2.2 SERS檢測

移取30 μL Au@MIL-101/PATP懸浮液，加入2 μL乙酸，加入40 μL的戊二醛溶液，50 ℃水浴反應(yīng)0.5 h，取3 μL混合液置于玻璃片上，室溫干燥后，檢測拉曼信號。激發(fā)光波長為785 nm(功率為0.1%)，曝光時間為1 s，累積三次，50倍長焦聚焦觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 Au@MIL-101/PATP復(fù)合基底的制備與表征

采用檸檬酸鈉還原法在MIL-101(Cr)內(nèi)部原位還原生成AuNPs，得到Au@MIL-101復(fù)合材料。圖2為不同氯金酸濃度制得的Au@MIL-101紫外吸收光譜圖，左上插圖為材料溶液顏色的變化?？梢钥闯?，隨著氯金酸逐漸被還原，溶液顏色由淡綠色變?yōu)榧t棕色，純MIL-101(Cr)并無紫外吸收峰，但隨氯金酸含量的增加，在約580 nm處出現(xiàn)新的吸收峰，且峰強度逐漸增強，峰形變寬，這是由于AuNPs的等離子體共振吸收和不均勻的形狀導致。

圖2 不同氯金酸濃度的Au@MIL-101的紫外-可見光吸收光譜圖，插圖為材料溶液顏色的變化Fig.2 The UV-Vis absorption spectra of Au@MIL-101 with different concentrations of chlorogenic acid. Inset shows the color change of material solutions

透射電鏡結(jié)果分別如圖3(A—F)所示，樣品晶體形貌呈正八面體，尺寸約為1 μm，在氯金酸經(jīng)檸檬酸鈉還原到MIL-101(Cr)內(nèi)部生成AuNPs后，Au@MIL-101晶體形貌保留較好。通過改變氯金酸的濃度可以調(diào)控復(fù)合材料中AuNPs的數(shù)量，隨著氯金酸濃度的增加，AuNPs在MIL-101(Cr)中的密度變大。當氯金酸濃度為0.6 g·L-1時，AuNPs分布較為均勻，且密度較為合適，利于形成多個具有表面等離子體共振效應(yīng)的“熱點”區(qū)域。然而，過量AuNPs的形成將導致聚集發(fā)生，且將對材料的多孔結(jié)構(gòu)造成破壞。當氯金酸濃度為0.6 g·L-1時，Au@MIL-101電子衍射花樣[圖3(F)]呈六邊形，與文獻一致[20]，表明Au@MIL-101的晶體結(jié)構(gòu)未受破壞。

圖3 (A)MIL-101(Cr);(B)—(E)Au@MIL-101 (氯金酸濃度依次為0.4，0.6，0.8和1.0 g·L-1)的透射掃描電鏡圖(TEM);(F)Au@MIL-101(氯金酸濃度為0.6 g·L-1)中Au納米粒子的選區(qū)電子衍射Fig.3 Transmission scanning electron microscopy (TEM)of (A)MIL-101;(B)—(E)Au@MIL-101(The concentration of chloroauric acid is 0.4,0.6,0.8,1.0 g·L-1);(F)the selected area electron diffraction pattern from the gold nanoparticles in Au@MIL-101

Au@MIL-101的能量色散X射線光譜[圖4(a)]出現(xiàn)C，O，Cr和Au元素的峰，證明了AuNPs的存在。MIL-101(Cr)與Au@MIL-101的X射線衍射圖[圖4(b)]顯示MIL-101(Cr)的衍射峰與Mercury模擬的圖譜相一致[19]，證明MIL-101(Cr)被成功合成。MIL-101(Cr)作為AuNPs的載體，Au@MIL-101低角度的主要衍射峰在復(fù)合前后基本相同，并出現(xiàn)Au的晶面衍射峰，38.11°，44.33°，64.52°和77.52°，分別與Au(111)，Au(200)，Au(220)，Au(311)晶面相對應(yīng)[21]，表明Au@MIL-101(Cr)的晶體結(jié)構(gòu)被較好的保留，且AuNPs與MIL-101(Cr)復(fù)合。圖4(c,d)是對Au@MIL-101與Au@MIL-101/PATP的X光電子能譜表征分析，兩個材料的XPS譜圖中都有C，O，Cr和Au的軌道峰，而Au@MIL-101/PATP的譜圖中出現(xiàn)了N和S的軌道峰，位于164.30 eV的結(jié)合能峰歸屬于Au@MIL-101/PATP的S2p峰，說明PATP已修飾到AuNPs表面。

圖4 (a)Au@MIL-101的X射線能量色散譜圖(EDS)；(b)MIL-101(Cr)和Au@MIL-101的粉末X射線衍射圖；(c)Au@MIL-101與Au@MIL-101/PATP的X射線光電子能譜；(d)S元素結(jié)合能峰Fig.4 (a)X-ray energy dispersive spectroscopy (EDS)of Au@MIL-101;(b)Powder X-ray diffraction pattern of MIL-101(Cr)and Au@MIL-101;(c)X-ray photoelectron spectroscopy of Au@MIL-101 and Au@MIL-101/PATP;(d)Binding energy peak of S

2.2 Au@MIL-101/PATP基底優(yōu)化

圖5 (a)PATP、戊二醛和席夫堿的拉曼光譜圖；(b)Au@MIL-101/PATP的拉曼光譜圖Fig.5 (a)Raman spectra of PATP,glutaraldehyde and Schiff base;(b)Raman spectra of PATP and Au@MIL-101/PATP

為研究MIL-101(Cr)中AuNPs密度對SERS增強的影響，分別用0.4，0.5，0.6，0.7，0.8和1.0 g·L-1氯金酸制備Au@MIL-101復(fù)合基底，考察其對10-5mol·L-1PATP在1 078 cm-1峰的增強效果。由圖6(a)可見，0.6 g·L-1氯金酸所制得的Au@MIL-101增強性能最好。分析認為低濃度氯金酸制備的材料中AuNPs的密度較低，不能產(chǎn)生密集的等離子激元共振局域電場，而高濃度氯金酸制備的材料在MIL-101(Cr)中形成的AuNPs過于密集，損失了MOFs獨特的孔道空間，吸附能力下降，PATP分子難以進入內(nèi)部大量的“熱點”區(qū)域，從而導致增強效果的降低。為考察PATP濃度的影響，我們分別用0.01,0.1和1 mmol·L-1PATP溶液對Au@MIL-101基底進行修飾，PATP在1 078 cm-1處的拉曼信號均隨著孵育時間增加而逐漸升高[圖6(b)]，并在1 h后趨于穩(wěn)定，其中1 mmol·L-1PATP具有最好的增強效果。

圖6 (a)不同濃度(0.4,0.5,0.7,0.8,1.0 g·L-1)氯金酸及(b)不同濃度(0.01,0.1,1 mmol·L-1)PATP對增強效果的影響Fig.6 (a)Effects of different concentrations (0.4,0.5,0.7,0.8,1.0 g·L-1)of chloroauric acid and (b)different concentrations (0.01,0.1,1 mmol·L-1)of PATP on the enhancement effect

2.3 Au@MIL-101/PATP的富集與衍生功能

圖7 10-4 mol·L-1戊二醛在(a)Au@MIL-101/PATP，(b)Au-PATP和(c)Au@MIL-101上的拉曼光譜Fig.7 Raman spectra of 10-4 mol·L-1 glutaraldehyde on (a)Au@MIL-101/PATP，(b)Au-PATP and (c)Au@MIL-101

2.4 實驗條件的優(yōu)化

實驗以1 078 cm-1處峰強與1 621 cm-1處峰強比值(I1 078/I1 621)對戊二醛進行定量分析，考察了反應(yīng)溫度、體積比、反應(yīng)時間、催化條件等因素的影響。如圖8(a)和(b)所示，在室溫和40 ℃下，席夫堿反應(yīng)緩慢，特征峰無明顯信號，在50 ℃時，席夫堿特征峰1 621 cm-1處出現(xiàn)明顯的拉曼峰，說明在此溫度下，席夫堿反應(yīng)可以有效地進行。隨著溫度的升高，相對強度值(I1 078/I1 621)變化不大，為保證反應(yīng)條件的溫和性，采用50 ℃為反應(yīng)溫度。

圖8(c)顯示，拉曼信號隨著戊二醛體積增大呈現(xiàn)出先增強后降低的趨勢，并在Au@MIL-101/PATP和戊二醛體積比為3∶4時達到極值。這是因為當戊二醛用量不足時，PATP未被完全反應(yīng)，故隨著戊二醛用量的增大信號逐漸增強，而過量的戊二醛與基底混合后，生成的席夫堿總量恒定，但總體積的增大將使得席夫堿濃度降低，從而降低拉曼信號的強度。

席夫堿反應(yīng)一般需要酸的催化，由于氨基的堿性較弱，提供弱酸性環(huán)境來活化醛基，加強醛基的正電性，有利于反應(yīng)的進行。本實驗在反應(yīng)中加入乙酸以促進反應(yīng)的快速進行。相比于在無乙酸條件下，乙酸催化對席夫堿反應(yīng)的反應(yīng)速率及拉曼信號有明顯影響[圖8(d)]，并且席夫堿的SERS信號隨反應(yīng)時間的增加而增加，在30 min后信號逐漸穩(wěn)定。當反應(yīng)時間超過30 min后，拉曼信號不再有明顯的變化，表明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)。

圖8 (a)不同溫度下10-5 mol·L-1戊二醛在復(fù)合基底上的SERS光譜圖；實驗條件對SERS強度的影響 (b)溫度；(c)基底與戊二醛的體積比；(d)乙酸的催化及反應(yīng)時間Fig.8 (a)SERS spectra of 10-5 mol·L-1 glutaraldehyde on composite substrate at different temperatures;Effect of experimental conditions on the intensities of SERS signals,including (b)temperature,(c)volume ratio of substrate and glutaraldehyde,(d)Catalysis of glacial acetic acid and reaction time

2.5 基底的均一性、穩(wěn)定性、重復(fù)性、選擇性

在Au@MIL-101/PATP基底隨機取15個點并記錄SERS光譜，RSD為12.0% [圖9(a)]，表明基底有良好的均勻性。將基底室溫保存30 d后，進行拉曼檢測，發(fā)現(xiàn)其信號強度仍可達到原始值的78.3%，表明此基底具有較好的穩(wěn)定性。在優(yōu)化條件下，用5個不同批次的復(fù)合基底對10-5mol·L-1戊二醛樣品進行測定[圖9(b)]，RSD等于6.1%，說明此基底具有很好的重復(fù)性。

圖9 (a)Au@MIL-101/PATP信號的均一性；(b)戊二醛在相同條件下不同批次基底上的SERS信號；(c)不同醛類在相同實驗條件下的拉曼譜圖a—g：戊二醛，甲醛，5-羥甲基糠醛，乙醛，乙二醛，苯甲醛，丙酮醛Fig.9 (a)Uniformity of Au@MIL-101/PATP;(b)SERS detection of glutaraldehyde on different substrates under the same conditions;(c)Raman spectra of different aldehydes under the same test conditions a—g:glutaraldehyde,formaldehyde,5-hydroxymethylfurfural,acetaldehyde,glyoxal,benzaldehyde，acetone aldehyde

2.6 工作曲線線性范圍及檢出限

圖10 (a)戊二醛濃度與特征峰的相對強度之間的關(guān)系；(b)不同濃度戊二醛的SERS光譜Fig.10 (a)Relationship between the concentration of glutaraldehyde and the relative intensity of characteristic peaks; (b)SERS spectra of glutaraldehyde with different concentrations

2.7 實際環(huán)境水樣品檢測

用實驗方法及SERS檢測條件對南寧地區(qū)家用自來水與廣西合浦洪潮水庫地表水進行分析檢測，通過加標回收實驗進行準確度評價。結(jié)果見表1，自來水和水庫地表水均未檢出戊二醛。自來水和地表水中的加標回收率分別為91.4%～111.8%，89.8%～114.2%，相對標準偏差分別為5.2%～14.5%，8.6%～13.4%。

表1 實際水樣中戊二醛檢測及3個加標水平回收率結(jié)果Table 1 Detection and recoveries of glutaraldehyde in actual water samples at three spiked levels

3 結(jié) 論

迄今，痕量戊二醛檢測的研究相對較少，利用表面增強拉曼光譜定量檢測痕量戊二醛尚未見報道。研究中針對戊二醛分子拉曼散射截面小，拉曼信號弱，難以直接檢測的困難，利用醛基與氨基的特異性席夫堿反應(yīng)特性，設(shè)計了集富集與衍生功能為一體的Au@MIL-101/PATP復(fù)合基底，所建立的方法具有樣品前處理簡單、靈敏度高、操作容易、樣品用量少、選擇性好、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在實際樣品分析中的回收率結(jié)果令人滿意，說明本方法能較好的滿足水中痕量戊二醛含量的測定需求。提供了一種小分子的SERS檢測策略，擴大了SERS的檢測范圍，為后期利用SERS技術(shù)檢測醛類小分子提供了參考。