基于UiO-66/AuNPs的SERS基底制備與有機(jī)色素的檢測研究

謝玉婷,韋慶益,蒲洪彬

(華南理工大學(xué) 食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 廣州 510641)

0 引言

表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)是一種的高靈敏度檢測分析技術(shù),常用于食品有害物質(zhì)[1]、環(huán)境污染物[2]以及生物標(biāo)志物[3,4]的高靈敏度檢測。SERS利用納米材料的電磁增強(qiáng)機(jī)制和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制來實(shí)現(xiàn)拉曼信號的增強(qiáng),其中電磁增強(qiáng)機(jī)制源于粗糙金、銀等納米粒子表面引發(fā)的局域等離激源元共振,增強(qiáng)因子可達(dá)到1010-1015[5];而TiO2、CuO、WO2等半導(dǎo)體材料多呈現(xiàn)拉曼信號的化學(xué)增強(qiáng),增強(qiáng)因子一般僅為～5-10[6]。Au和Ag等具有優(yōu)良增強(qiáng)效果的貴金屬納米粒子(MNPs)仍然起著重要作用,但是,單一Au、Ag納米粒子的SERS基底穩(wěn)定性和基底多功能特性面臨一定挑戰(zhàn)[2]。如何實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物質(zhì)的選擇性富集和拉曼增強(qiáng)是SERS技術(shù)在基底多功能研究中亟待解決的問題。

金屬有機(jī)框架(MOFs)作為一種新型多孔材料,在SERS傳感器中進(jìn)行應(yīng)用越來越受到研究學(xué)者的關(guān)注[7]。MOFs是由金屬離子或金屬團(tuán)簇作為結(jié)點(diǎn),通過有機(jī)配體作為連接構(gòu)建的三維多孔材料,在吸附、分離、催化、傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[8]。MOFs具有比表面積大、孔徑可調(diào)、吸附性能好和良好的表面化學(xué)活性等特點(diǎn),在SERS傳感器中可以作為負(fù)載Au、Ag等MNPs的骨架,通過靜電、共軛等相互作用穩(wěn)定MNPs,同時可以發(fā)揮吸附萃取作用,實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的選擇性地富集[9,10]。并且, 部分MOFs自身電荷轉(zhuǎn)移也可以起到SERS的化學(xué)增強(qiáng)作用,進(jìn)一步提升SERS信號[11]。Fu(2020)等人利用MIL-100陣列實(shí)現(xiàn)了對揮發(fā)性有機(jī)物的超靈敏和多重檢測,單一MOFs陣列對甲苯的檢測限低至2.5 mg/L,復(fù)合AuNPs后使得檢測限進(jìn)一步降低至0.48 μg/L。MOF-MNPs復(fù)合材料為實(shí)際應(yīng)用場景下的SERS檢測提供了一種十分有潛力的解決方案,具有廣泛的應(yīng)用前景。

本研究通過巰基乙酸(TGA)修飾的金納米顆粒(AuNPs)靜電吸附在UiO-66表面制備得到UiO-66/AuNPs的表面增強(qiáng)拉曼(SERS)基底,研究了基底對不同帶電性質(zhì)的六種有機(jī)色素(孔雀石綠、亞甲基藍(lán)、藏紅T、檸檬黃、日落黃、剛果紅)的SERS響應(yīng)規(guī)律。結(jié)果發(fā)現(xiàn),UiO-66/AuNPs對陽離子型孔雀石綠、亞甲基、藍(lán)藏紅T染料增強(qiáng)因子分別為2.12×104、4.46×104、7.20×104,比陰離子型檸檬黃、日落黃、剛果紅染料的增強(qiáng)因子(1.43×102、2.54×102、1.73×102)高2個數(shù)量級。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

四氯化鋯(ZrCl4)、對苯二甲酸(BDC)、冰乙酸、巰基乙酸(TGA)均購于上海麥克林生化科技有限公司;三水合氯金酸(HAuCl4·3H2O)、N, N-二甲基甲酰胺(DMF)、二水合檸檬酸三鈉、孔雀石綠、亞甲基藍(lán)、藏紅T、檸檬黃、日落黃、剛果紅購于上海阿拉丁試劑有限公司。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水(18 MΩ·cm),所用試劑均為分析純。

1.2 儀器與設(shè)備

激光共聚焦顯微拉曼光譜儀(LabRAM HR Evolution,日本 HORIBA公司);場發(fā)射掃描電子顯微鏡(Merlin,德國卡爾·蔡司股份公司);X射線衍射儀(Empyrean,荷蘭帕納科公司);紫外可見吸收光譜儀(UV-1800,日本島津制造所);真空干燥箱(DZF-6050,上海齊欣科學(xué)儀器有限公司;納米粒度及Zeta電位儀(Zetasizer Nano ZS,英國馬爾文儀器有限公司)

1.3 方法

1.3.1UiO-66/AuNPs的制備

UiO-66的合成參考張雯方法并作適當(dāng)修改[13],具體步驟為:稱取0.35 g ZrCl4粉末,溶于20 mL DMF溶液中,超聲10 min后,形成A液備用;用27.4 mL DMF溶解0.25 g BDC粉,并加入2.6 mL冰乙酸作為調(diào)節(jié)劑,超聲10 min,形成B溶液。將A液加入到B液中,混合超聲10 min后,轉(zhuǎn)移到反應(yīng)釜在120 ℃下反應(yīng)24 h;反應(yīng)結(jié)束后,待反應(yīng)釜冷卻至室溫后,用DMF和無水乙醇交替洗滌沉淀4次,最后將產(chǎn)物放在60 ℃真空干燥箱中干燥12 h,得到白色UiO-66粉末。

AuNP溶膠通過檸檬酸鈉還原法制備[14],所有的儀器在使用前用王水浸泡過夜,并洗凈烘干備用。首先用量筒取60 mL超純水于錐形瓶中,然后加入3.0 mL 0.5%(w/v)HAuCl4溶液,混合均勻后置于磁力加熱攪拌器上加熱至沸騰,保持沸騰2 min,然后迅速加入2.25 mL 1%(w/v)檸檬酸鈉溶液,并保持沸騰15 min,等顏色穩(wěn)定后停止加熱,并繼續(xù)攪拌20 min。室溫下冷卻得到透亮的紫紅色AuNPs溶。取4 mL上述制得的AuNPs溶膠于10 mL的離心管中,將其放置在振蕩器上保持振蕩,然后滴加20 μL 1 mM的TGA溶液,并振蕩修飾24 h,然后在6000 rpm下離心10 min,并將沉淀物重新分散在2 mL超純水中,得到TGA修飾的AuNPs的溶膠(AuNPs/TGA),由于AuNPs表面修飾了含有羧基的TGA,修飾后的AuNPs表現(xiàn)出較強(qiáng)的負(fù)電性。

UiO-66/AuNPs制備:取2 mL的超純水于10 mL離心管中,然后加入0.4 mg的UiO-66固體粉末并超聲溶解,稱作UiO-66的懸浮液,然后將其置于振蕩器上保持振蕩,接著將2 mL上述制備的AuNPs/TGA溶膠滴加入UiO-66的懸浮液中,并在室溫下保持振蕩24 h,使其通過靜電相互作用負(fù)載在UiO-66上,最后將混合液離心濃縮在300 μl超純水中得到UiO-66/AuNPs基底。

1.3.2UiO-66/AuNPs檢測不同有機(jī)染料

選取三種陽離子型的色素(孔雀石綠、藏紅T和亞甲基藍(lán))和三種陰離子型的色素(檸檬黃、日落黃和剛果紅)作為目標(biāo)物質(zhì),研究UiO-66/AuNPs基底的SERS響應(yīng)特性。激發(fā)波長為 633 nm,積分時間為10 s,采集2次,物鏡為10倍,進(jìn)行拉曼測試。隨后,將色素分子配置成濃度為10 、5 、1 、0.1 ppm的水溶液,然后將10 μl UiO-66/AuNPs基底與10 μl不同濃度和種類的色素溶液混合,室溫下孵育2 h。孵育結(jié)束后進(jìn)行SERS測試,激發(fā)波長為633 nm,積分時間為10 s,采集2次,物鏡為10倍。光譜數(shù)據(jù)經(jīng)過LabSpec 6.0軟件進(jìn)行平滑和基線校正,并用Origin 2019繪圖。

1.3.3增強(qiáng)因子的計(jì)算

根據(jù)下述公式計(jì)算增強(qiáng)因子(EF)[15]:

(1-1)

其中:ISERS和IRaman分別表示被測色素在相應(yīng)特征峰處SERS和普通拉曼中的拉曼信號強(qiáng)度,CSERS和CRaman分別表示SERS和普通拉曼光譜所測試的色素濃度。對比不同色素的影響因子時,普通拉曼信號由濃度為10000 ppm的色素溶液得到,而SERS信號由1或10 ppm的色素溶液與UiO-66/AgNPs基底分散液混合測得,具體測試條件同1.3.2。

2 結(jié)果與討論

2.1 UiO-66/AuNPs基底的表征

AuNPs、UiO-66、UiO-66/AuNPs的形貌結(jié)構(gòu)如圖1A-1C所示。根據(jù)圖1A中的SEM圖像,我們可以看出合成的AuNPs呈現(xiàn)球形,粒徑約為35 nm;而合成的UiO-66(圖1B)呈現(xiàn)粒徑約為200 nm的近似于球狀的八面體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)的均勻一致為材料成功復(fù)合提供了保障。圖1C表明成功復(fù)合的UiO-66/AuNPs中,AuNPs均勻且密集地附著在UiO-66表面,產(chǎn)生了大量的熱點(diǎn),對SERS信號的靈敏度和穩(wěn)定性的提升有很大貢獻(xiàn)。

圖1 (A)AuNPs的SEM圖,(B)UiO-66的SEM圖,(C)UiO-66/AuNPs的SEM圖,(D) UiO-66/AuNPs的XPS全譜圖,(E)Au4f軌道高分辨率XPS圖,(F) Zr3d軌道高分辨率XPS圖,(G)C1s軌道高分辨率XPS圖,(H)O1s軌道高分辨率XPS圖

XPS用于表征 UiO-66/AuNPs復(fù)合材料的元素組成及存在形式,結(jié)果如圖1D-1H所示。圖 1D中的XPS全譜圖證明了Zr、Au、O、C四種元素的存在;Au4f的高分辨XPS光譜(圖1E),在83.8 eV和87.4 eV處出現(xiàn)了兩個能帶,分別對應(yīng)于4f7/2和4f5/2兩個化學(xué)狀態(tài),表明Au元素以0價單質(zhì)的形式存在[16];圖1F中的兩個能帶出現(xiàn)在181.7 eV和184 eV,分別歸屬于Zr 3d5/2和Zr 3d3/2,證明了復(fù)合材料中UiO-66的存在[17];C 1s圖譜(圖1G)中283.8 eV和287.7 eV處的峰分別表示苯環(huán)的鍵和BDC中的O=C-O鍵;圖1H中的O1s光譜,能帶出現(xiàn)在530.8 eV,可以認(rèn)為是UiO-66中的Zr-O鍵和其表面吸附的羥基[18]。

XRD測試進(jìn)一步驗(yàn)證了UiO-66/AuNPs的成功合成。如圖2所示,UiO-66在2θ=7.34°和8.49°處具有十分強(qiáng)烈的衍射峰,與文獻(xiàn)中報(bào)道一致[13],說明UiO-66成功制備且具較強(qiáng)的結(jié)晶度。綜合UiO-66的SEM表征來看,合成的MOF均勻規(guī)整,不團(tuán)聚,且結(jié)晶度高為金納米粒子的均勻負(fù)載提供了良好的框架。在UiO-66/AuNPs的XRD圖中(圖2紅線),可以觀察到UiO-66在7.3°和8.5°處的特征衍射峰,同時在38.5°、44.5°、64.7°和77.6°出現(xiàn)了新的特征衍射峰,分別對應(yīng)于Au的(111)、(200)、(311)和(222)四個晶面[14]。這些證據(jù)表明AuNPs成功負(fù)載在了UiO-66上,且兩種材料的晶型結(jié)構(gòu)沒有改變。

圖2 UiO-66、UiO-66/AuNPs的XRD圖

使用UV-vis分別獲取了AuNPs、UiO-66和UiO-66/AuNPs材料的紫外可見消光光譜。如圖3所示,AuNPs溶膠的紫外消光光譜特征峰在526 nm處,UiO-66的特征峰出現(xiàn)在270 nm處。在UiO-66上負(fù)載AuNPs之后, UiO-66/AuNPs復(fù)合材料的紫外可見消光光譜中同時出現(xiàn)了AuNPs和UiO-66的特征峰。這表明利用靜電相互作用法在UiO-66材料上負(fù)載AuNPs并不會影響各自的紫外可見消光特性。

圖3 AuNPs、UiO-66、UiO-66/AuNPs的UV-vis圖

2.2 UiO-66/AuNPs的性能

為了探究UiO-66/AuNPs基底的SERS性能,以R6G作為拉曼信標(biāo)分子進(jìn)行EF的計(jì)算,圖4展示了1000 mg/L R6G溶液的普通拉曼光譜和以UiO-66/AuNPs為基底得到的1 mg/L R6G的SERS光譜,選取1510 cm-1處的拉曼強(qiáng)度來計(jì)算EF。根據(jù)公式(1-1),取ISERS=25686,IRaman=2333,CRaman和CSERS為普通拉曼和SERS中檢測的R6G濃度為1 mg/L和1000 mg/L,最后計(jì)算得到的EF = 1.1×104。

圖4 UiO-66/AuNPs基底測得的1 mg/L R6G的SERS光譜和1000 mg/L R6G溶液的普通拉曼光譜

在實(shí)際應(yīng)用中,結(jié)合MOFs的SERS傳感器,能夠發(fā)揮MOFs優(yōu)異的吸附性能,并同時通過靜電吸附、π-π共軛作用等選擇性富集目標(biāo)物[9],從而簡化前處理的萃取過程,提高檢測靈敏度。為了探究UiO-66/AuNPs基底的選擇性吸附效果,選用了六種色素作為探針分子,其中三種為陽離子型色素(孔雀石綠、亞甲基藍(lán)和藏紅T),三種為陰離子型色素(檸檬黃、日落黃和剛果紅)。不同色素的SERS光譜圖如圖5所示,當(dāng)陽離子型色素濃度為10、5、1 ppm時,色素分子的拉曼特征峰均清晰可見(圖5 A-C),然而,當(dāng)檢測陰離子型色素時,只有在濃度較高的10、5 ppm時才能觀察到較弱的拉曼特征峰,而在1 mg/L時無法觀察到明顯的拉曼信號(圖5 D-F)。對孔雀石綠(1614 cm-1)、亞甲基藍(lán)(465 cm-1)、藏紅T(1360 cm-1)、檸檬黃(1586 cm-1)、日落黃(1585 cm-1)、剛果紅(1156 cm-1)六種色素分子在相應(yīng)特征峰處的SERS信號強(qiáng)度進(jìn)行比較(表1)。在1 ppm濃度下,三種陽離子型色素的SERS信號強(qiáng)度分別為3238、5026、11226,而對于三種陰離子色素來說,盡管在10 ppm的濃度下,SERS信號強(qiáng)度僅分別為274、1459、3773。根據(jù)式(1-1)計(jì)算得,UiO-66/AuNPs對陽離子型孔雀石綠、亞甲基藍(lán)、藏紅T染料增強(qiáng)因子分別為2.12×104、4.46×104、7.20×104,比陰離子型檸檬黃、日落黃、剛果紅染料的增強(qiáng)因子(1.43×102、2.54×102、1.73×102)高2個數(shù)量級。因此,UiO-66/AuNPs基底對陽離子型色素的拉曼響應(yīng)程度遠(yuǎn)高于陰離子型色素。這可能是由于UiO-66/AuNPs復(fù)合材料負(fù)載的AuNPs表面經(jīng)過了TGA修飾,含有羧基,在水溶液中呈負(fù)電離狀態(tài)。對于陽離子型色素來說,UiO-66/AuNPs基底不僅能夠通過π-π共軛作用吸附[20],還存在靜電吸引作用;而對于陰離子型色素來說,則可能存在靜電排斥作用。因此,在本研究中,相對于陰離子型分析物,UiO-66/AuNPs基底對陽離子型分析物具有更強(qiáng)的吸附作用,從而能夠產(chǎn)生更好的SERS增強(qiáng)效果。

表1 不同濃度色素對應(yīng)特征峰的SERS強(qiáng)度和普通拉曼強(qiáng)度及增強(qiáng)因子

圖5 10000 ppm不同染料的普通拉曼光譜及不同濃度的SERS光譜。(A)孔雀石綠(B)亞甲基藍(lán)(C)藏紅T(D)檸檬黃(E)日落黃(F)剛果紅

2.3 UiO-66/AuNPs合成與檢測選擇性的機(jī)制

為了進(jìn)一步探究UiO-66/AuNPs的合成機(jī)制,驗(yàn)證基底對色素分子的響應(yīng)程度具有傾向性的原因,本研究對基底的zeta電位進(jìn)行了測量。AuNPs、AuNPs/TGA、UiO-66和UiO-66/AuNPs四種材料的zeta電位如圖6所示,被檸檬酸鈉還原的AuNPs的zeta電位為-9.5 mV,偏小的電位絕對值表明單純的AuNPs分散穩(wěn)定性差,極易發(fā)生團(tuán)聚。經(jīng)過 TGA修飾的AuNPs,其表面的-COOH基團(tuán)水解使金納米粒子比單純AuNPs的zeta電位負(fù)的更多[21],說明TGA的修飾既有助于AuNPs溶膠的穩(wěn)定,又可以促使AuNPs以更強(qiáng)的靜電吸附作用錨定在UiO-66(+37.3 mV)上。最終合成的UiO-66/AuNPs復(fù)合材料的zeta電位為-22.6 mV,意味著復(fù)合材料具有優(yōu)良的分散穩(wěn)定性。此外, UiO-66/AuNPs基底呈現(xiàn)負(fù)電性,可以通過靜電吸附作用提升對帶正電物質(zhì)的檢測靈敏度,因此,UiO-66/AuNPs基底對陽離子型色素(孔雀石綠、亞甲基藍(lán)和藏紅T)具有吸附作用更強(qiáng)[22],使更多的目標(biāo)分子富集在“熱點(diǎn)”周圍,獲得更強(qiáng)的SERS信號;而對于陰離子型色素(檸檬黃、日落黃和剛果紅)會通過靜電排斥作用降低熱點(diǎn)附近目標(biāo)物的濃度,造成得到的SERS信號較弱[20]。

圖6 AuNPs、AuNPs/TGA、UiO-66和UiO-66/AuNPs的zeta電位圖

4 總結(jié)與展望

本研究將TGA修飾的AuNPs通過靜電自組裝法均勻且密集地附著在UiO-66表面,成功制備了UiO-66/AuNPs復(fù)合基底。以R6G作為探針分子探究了基底的靈敏度,得到基底的EF=1.1×104。同時, 就基底檢測的選擇性而言,UiO-66/AuNPs基底對陽離子型色素能夠起到更好的SERS效果。Zeta電位的變化說明UiO-66/AuNPs是通過靜電自組裝而合成的具有良好分散穩(wěn)定性的膠體,并且?guī)в胸?fù)電UiO-66/AuNPs基底能夠通過能夠靜電吸附作用進(jìn)一步提高對陽離子型色素檢測靈敏度。綜上,UiO-66/AuNPs基底能夠選擇性增強(qiáng)陽離子型色素的SERS信號,為MOFs材料在SERS檢測中應(yīng)用提供了一條十分可行的思路。