表面增強拉曼散射與分子印跡技術(shù)快速檢測痕量辛基酚的試驗研究

楊 戈，李 萍

（1.廣東省肇慶生態(tài)環(huán)境監(jiān)測站，廣東 肇慶 526040；2.廣東工業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

1 問題的提出

酚類內(nèi)分泌干擾物(Phenolic Endocrine Disrupting,PEDs) 對生態(tài)環(huán)境的危害不容忽視[1]。盡管PEDs在環(huán)境介質(zhì)中廣泛分布，但是質(zhì)量濃度低，難以檢測，亟待開發(fā)快速、高效的檢測方法。辛基酚屬于典型的PEDs，作為一種重要的精細(xì)化工原料，可用于生產(chǎn)非離子表面活性劑、抗氧化劑、涂料、防銹劑[2]，也是制備酚醛樹脂的不可缺少的材料，廣泛應(yīng)用于橡膠、印刷油墨、電纜行業(yè)[3]。隨著辛基酚使用量的日益增加，辛基酚會通過各種途徑進(jìn)入環(huán)境體系中。目前，在國內(nèi)外的河流湖泊等地表水體中都已經(jīng)檢測到辛基酚的存在。Heemken等[4]測得德國北海易北河口附近水體中辛基酚的質(zhì)量濃度為0.4×10-9～2.1×10-9kg/L。劉敏等[5]用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用方法對太原市小店污灌區(qū)地表水中辛基酚的濃度進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)辛基酚的質(zhì)量濃度高達(dá)2.05×10-6kg/L(均值0.19×10-6kg/L)。辛基酚具有羥基酚類結(jié)構(gòu)和類雌激素活性，具有較強的親脂性與生物蓄積性，可通過食物鏈進(jìn)入生物體并導(dǎo)致各種生物毒性作用[6-7]。辛基酚在環(huán)境介質(zhì)中的質(zhì)量濃度非常低，通常是10-9kg/L級，常用的檢測方法有液相色譜、氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用等儀器分析法，樣本預(yù)處理過程復(fù)雜，檢測成本高、需要的時間長[8]。表面增強拉曼散射技術(shù)(Surface Enhancement of Raman Scattering, SERS) 用于痕量物質(zhì)的檢測，具有快速、靈敏度高、前處理簡單等特點[9]，但該技術(shù)不具有特異性選擇功能，容易受環(huán)境中目標(biāo)污染物以外雜質(zhì)干擾。分子印跡技術(shù)(Molecular Imprinting Technology, MIT)具有選擇性吸附目標(biāo)污染物的功能[10-11]，可以彌補SERS技術(shù)的不足。將上述兩個技術(shù)結(jié)合在一起，有望開發(fā)一種前處理簡單、靈敏度高，適用于大面積快速篩查水環(huán)境中PEDs的方法。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

硝酸銀、檸檬酸鈉、正硅酸乙酯、辛基酚、3-氨丙基三乙氧基硅烷、雙酚A(BPA) 、氨水、無水乙醇、冰乙酸、丙酮、甲醇、鹽酸等藥劑為分析純，實驗用水為超純水，試驗器皿經(jīng)乙醇浸泡24 h后依次用自來水、超純水清洗烘干后備用；JEM-2100型透射電子顯微鏡(日本電子公司)、Ultima III型X-射線衍射儀(日本理學(xué))、Kratos Axis Ulra DLD型多功能光電子能譜儀(英國Kratos公司)、Lab RAM HR 800型激光紫外拉曼光譜儀(法國HORIBA Jobin Yvon 公司)。

2.2 試驗方法

2.2.1 銀核辛基酚印跡微球的制備

在持續(xù)加熱攪拌的硝酸銀溶液中加入1%的檸檬酸鈉溶液獲得納米級的銀核粒子；在用無水乙醇攪拌分散銀核粒子的溶液中先加入氨水，然后加入不同劑量的正硅酸乙酯溶液，常溫反應(yīng)8 h后，得到以銀核粒子為核不同厚度二氧化硅為殼的微球小粒；在溶解有模板分子辛基酚的甲醇溶液中加入以銀為核二氧化硅為殼的微球小粒，在充分?jǐn)嚢璺稚⒌倪^程中加入適量的正硅酸乙酯和醋酸溶液，持續(xù)磁力攪拌反應(yīng)24 h后得到銀核辛基酚印跡微球。

2.2.2 表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用快速檢測辛基酚

將體積比為1∶1的Ag@SiO2的膠體與不同濃度的辛基酚溶液超聲混合均勻后滴加至干凈的載玻片上自然晾干后形成Ag@SiO2膜，采用拉曼光譜儀進(jìn)行SERS檢測。拉曼光譜儀的檢測條件為激發(fā)光源波長為632.88 nm，輸出功率為100 mW，光譜掃描范圍為100～2 000 cm-1，物鏡50倍長焦，積分時間10 s，積分2次求平均。

3 結(jié)果與討論

3.1 銀核辛基酚印跡微球表征結(jié)果

3.1.1 TEM表征結(jié)果

在銀核辛基酚印跡微球制備過程中，對于等量的銀粒子，隨著正硅酸乙酯加入量的增多，微球粒子外層殼的厚度也隨之變厚。經(jīng)粒度儀測定平均粒徑為73.3 nm的銀核辛基酚印跡微球，TEM表征結(jié)果如圖1所示。

圖1 銀核辛基酚印跡微球透射電鏡圖Fig.1 TEM image of silver core octylphenol imprinted microspheres

從圖1可以很清晰地看到銀核辛基酚印跡微球內(nèi)外呈現(xiàn)明顯的顏色差異，外層灰白色的殼狀物即為二氧化硅外殼，里面顏色較深的核狀物即為銀核。本文制備的平均粒徑為73.3 nm的銀核辛基酚印跡微球核殼結(jié)構(gòu)完整并且緊密，殼層包覆均勻。

3.1.2 XRD表征結(jié)果

銀核辛基酚印跡微球與被包埋印跡前銀核微粒子XRD表征結(jié)果如圖2所示。

圖2 銀核辛基酚印跡微球與銀核微粒子的XRD圖Fig.2 XRD pattern of silver core octylphenol imprinted microspheres and silver core particles

從圖2可以看出，與銀核微粒子相比，銀核辛基酚印跡微球在2θ為20°～25°處出現(xiàn)了非晶衍射寬峰，說明了二氧化硅等無機基團與銀核微粒子成功鏈接；兩者在2θ為38.04°，44.32°，64.4°，77.5°，82.5°等相同的位置均有明顯的衍射峰，說明銀核微粒子經(jīng)過印跡后銀單質(zhì)并沒有發(fā)生變化，銀核的晶型并沒有受到影響。

3.1.3 光電子能譜表征結(jié)果

銀核辛基酚印跡微球多功能光電子能譜表征結(jié)果如圖3所示。

圖3 銀核辛基酚印跡微球的EDS能譜圖Fig.3 Energy dispersive spectrum of silver core octylphenol imprinted microspheres

從圖3可以看出，銀核辛基酚印跡微球從外到里依次出現(xiàn)了C、O、Si、Ag等元素的峰，其中Ag元素的峰最高、最清晰。C、O、Si分別是印跡分子辛基酚和交聯(lián)劑二氧化硅的元素，圖3可以為銀核辛基酚印跡微球制備成功提供依據(jù)。

3.2 殼層厚度對銀核辛基酚印跡微球拉曼光譜增強效應(yīng)的影響

為考察銀核辛基酚印跡微球殼層厚度對拉曼光譜增強效應(yīng)的影響，選用二氧化硅殼層厚度分別為7，25，50 nm 3種銀核辛基酚印跡微球?qū)ν粷舛鹊男粱尤芤?10-8mol/L) 進(jìn)行表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用快速檢測，得到拉曼光譜增強圖譜如圖4所示。

圖4 不同殼層厚度銀核辛基酚印跡微球拉曼光譜增強圖Fig.4 Raman spectra of silver core octylphenol imprinted microspheres with different shell thickness

從圖4可以看出，對于同一濃度的辛基酚溶液，殼層厚度為25 nm的銀核辛基酚印跡微球在辛基酚溶液中達(dá)到吸附平衡后拉曼光譜增強效果最好。可能是因為殼層太薄(7 nm)模板分子(辛基酚)不容易印跡到殼層表面，難以形成三維空穴；殼層太厚(50 nm)印跡在殼層表面的模板分子(辛基酚)距離銀核太遠(yuǎn)，導(dǎo)致銀核表面拉曼光譜增強效應(yīng)減弱。因此，選擇合適殼層厚度對提升銀核辛基酚印跡微球表面增強拉曼光譜檢測辛基酚的靈敏度很重要，本文選用殼層厚度為25 nm的銀核辛基酚印跡微球開展試驗。

3.3 表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用檢測辛基酚的最低檢測限

最低檢測限是衡量檢測方法是否可行的標(biāo)準(zhǔn)之一，為了獲得表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用檢測辛基酚的最低檢測限，本文選用殼層厚度為25 nm的銀核辛基酚印跡微球檢測濃度分別為10-8，10-9，10-10，10-11，10-12，10-13mol/L的辛基酚標(biāo)準(zhǔn)溶液，得到增強拉曼光譜圖譜如圖5所示。

圖5 不同濃度辛基酚溶液的拉曼光譜圖Fig.5 Raman spectra of different concentration of octylphenol

從圖5可以看出，增強拉曼光譜圖譜信號隨標(biāo)準(zhǔn)溶液中辛基酚的濃度降低而減弱，當(dāng)辛基酚標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度低到10-13mol/L，已經(jīng)很難看出辛基酚的特征峰。本文得出表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用檢測辛基酚的最低檢測限為10-12mol/L。

4 結(jié)論

銀離子(Ag+)被還原為銀粒子(Ag)作為SERS活性基底，正硅酸乙酯(TEOS) 被水解成二氧化硅沉積在銀粒子的表面沉積形成殼層，辛基酚作為模板分子印跡在殼層表面，制備出不同殼層厚度銀核辛基酚印跡微球。TEM、XRD和EDS表征的結(jié)果表明：正硅酸乙酯(TEOS) 被水解成二氧化硅沉積在銀粒子表面的過程中，不影響銀核的晶型結(jié)構(gòu)，因此也不會影響銀粒子表面增強拉曼光譜的特性；辛基酚印跡在二氧化硅殼層的表面，賦予銀核辛基酚印跡微球選擇性吸附辛基酚的功能。試驗7，25，50 nm 3種不同殼層厚度的銀核辛基酚印跡微球用于痕量辛基酚濃度檢測，發(fā)現(xiàn)殼層厚度為25 nm的銀核辛基酚印跡微球在辛基酚溶液中達(dá)到吸附平衡后拉曼光譜增強效果最好。表面增強拉曼光譜與分子印跡技術(shù)聯(lián)用檢測環(huán)境介質(zhì)中痕量的辛基酚，其最低檢測限為10-12mol/L。