基于MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底的茶堿表面增強(qiáng)拉曼檢測

張曉琳，張 帆，劉艷坤，王志武，李 波，吳振剛，魏穎娜*，魏恒勇，李景武*

（1.華北理工大學(xué) 藥學(xué)院 河北 唐山 063210；2.華北理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院 河北 唐山 063210；3.唐山市人民醫(yī)院 腫瘤研究所 河北 唐山 063001；4.華北科技學(xué)院 河北省危險化學(xué)品安全與控制技術(shù)重點實驗室 河北 廊坊 065201）

茶堿（Theophylline，THO）是茶葉中一種重要的嘌呤類生物堿，其化學(xué)結(jié)構(gòu)與咖啡因高度相似。茶堿可舒緩支氣管平滑肌，強(qiáng)心利尿、緩解支氣管痙攣，主要用于治療支氣管哮喘和慢性阻塞性肺疾病等［1］。與此同時茶堿又是違禁藥物咖啡因的主要代謝產(chǎn)物，因此茶堿成為運動賽場最常被檢出的違禁藥物之一［2-3］。而中藥中非法添加茶堿的不良現(xiàn)象，增大了藥品安全隱患［4］。因此對食品藥品中非法添加的茶堿進(jìn)行檢測尤為重要［5-6］。

目前茶堿的檢測方法主要有氣相色譜、液相色譜、液相色譜-質(zhì)譜、毛細(xì)管電泳、免疫分析和生物傳感等技術(shù)［7-8］，但這些方法操作均較為繁瑣、分析時間長且需要復(fù)雜的樣品前處理過程。表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）在藥物分析領(lǐng)域的應(yīng)用廣泛，其檢測靈敏度高，可達(dá)單分子檢測水平，且適合多元檢測，具有無損、用量少等優(yōu)勢，《中國藥典》2015年版和2020年版將拉曼光譜法作為理化分析通則方法收載。SERS技術(shù)已在藥物研發(fā)、檢測和使用方面得到應(yīng)用，涉及體內(nèi)藥物檢測、痕量藥物檢測和中藥分析等領(lǐng)域［9］。然而，獲得高靈敏的SERS基底仍是實現(xiàn)藥物表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測的關(guān)鍵技術(shù)之一。

氮化鈦（TiN）由于自身優(yōu)異的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性以及良好的生物相容性等特性成為表面增強(qiáng)拉曼光譜的候選材料，其與貴金屬如金、銀復(fù)合后表現(xiàn)出優(yōu)異的SERS性能。TiN 的等離子體近場增強(qiáng)激發(fā)了其作為SERS基底的應(yīng)用［10］，納米TiN 對吸附在其上的羅丹明R6G 的拉曼信號增強(qiáng)因子高達(dá)104［11］。劉燕梅等［12］通過制備貴金屬/氮化鈦復(fù)合薄膜對煙酸進(jìn)行SERS檢測，測得其檢出限為10-5mol/L。Guler等［13］指出金納米粒子具有強(qiáng)大的光學(xué)性能，與氮化鈦結(jié)合可實現(xiàn)較好的SERS 效應(yīng)。Ban 等［14］制備出TiN 與Ag 的納米球復(fù)合基底，通過等離子體共振協(xié)同作用提升SERS 性能，實現(xiàn)了對羅丹明R6G 分子的高靈敏和高穩(wěn)定性檢測。裴媛等［15］將銀溶膠自組裝在Au/TiN 復(fù)合薄膜上，并對恩諾沙星進(jìn)行了檢測。

使用貴金屬銀作為SERS 基底雖能達(dá)到相對較好的增強(qiáng)效果，但銀易氧化，會導(dǎo)致存放期間的SERS 能力降低。為了實現(xiàn)穩(wěn)定性好的表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測，通常利用金屬有機(jī)框架（Metal-organic framework，MOF）的熱穩(wěn)定性及化學(xué)惰性防止銀的氧化變質(zhì)并起到防護(hù)作用。Zhai等［16］制備了具有較高穩(wěn)定性和檢測靈敏度的MOF-Au@Ag 復(fù)合SERS基底；Kim 等［17］深入研究了MOF對Ag納米線SERS特性的保護(hù)作用，發(fā)現(xiàn)復(fù)合MOF材料后即使在多種環(huán)境條件下儲存，Ag納米線仍能保持優(yōu)異的SERS性能。此外，研究發(fā)現(xiàn)MOF具有孔隙多、表面積大和吸附能力強(qiáng)的特點，其高效吸附和富集能力有助于提升SERS基底的檢測靈敏度。

本文利用電化學(xué)陽極氧化結(jié)合氨氣還原氮化法制備出TiN 納米管陣列，通過電化學(xué)沉積法制備TiN-Ag 復(fù)合基底，并在該復(fù)合基底表面生長出MOF 保護(hù)層，得到MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底，再復(fù)配銀溶膠，實現(xiàn)了對茶堿的SERS檢測。

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

D/MAX 2500PC 型X 射線衍射儀（XRD，日本理學(xué)株式會社）； S-4800 型場發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM，日本日立公司）； JEM2800型透射電子顯微鏡（TEM，日本日立公司）； Lambda 750S紫外-可見分光光度計（UV-Vis，美國Perkinelmer公司）；DXR型拉曼光譜儀（美國熱電公司）。

丙酮、異丙醇、N，N-二甲基甲酰胺、硝酸銀、檸檬酸三鈉、硝酸鈷、2-甲基咪唑均為分析純，購自上海阿拉丁試劑網(wǎng)；無水乙醇為分析純，購自天津市興復(fù)精細(xì)化工研究所；茶堿購自國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；高純氨氣（99.99%）和高純氮氣（99.99%）購自唐山市路北區(qū)萬嘉氣體公司。

1.2 實驗方法

本實驗制備流程圖如圖1所示。

圖1 MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底制備及其對茶堿SERS檢測的實驗流程圖Fig.1 Experimental flow chart of preparation of MOF@TiN-Ag/Ag sol composite substrate and SERS detection of theophylline

首先采用陽極氧化法和氨氣還原氮化法獲得TiN 納米管陣列結(jié)構(gòu)，再利用電化學(xué)沉積技術(shù)在其表面沉積Ag 納米材料，在此基礎(chǔ)上，通過原位生長方式在TiN-Ag 表面形成MOF 保護(hù)層，得到MOF@TiN-Ag 復(fù)合SERS 基底。將茶堿配制成0.5 mol/L 的溶液，分別滴加在銀溶膠、MOF/銀溶膠、TiN/銀溶膠、MOF@TiN-Ag 以及MOF@TiN-Ag/銀溶膠基底上進(jìn)行SERS 測試，后稀釋成一定濃度，測試SERS性能最強(qiáng)的MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底對茶堿的檢出限。

1.2.1 二氧化鈦納米管陣列的制備參照文獻(xiàn)［18］，將10 mm×20 mm 的鈦片依次放入丙酮、異丙醇和去離子水中超聲清洗10 min，接著置于體積比為1∶4∶5的HCl-HNO3-H2O的混合酸溶液中去除鈦片表面的氧化物，再用去離子水超聲清洗10 min，最后用乙醇溶液超聲清洗3 min，在空氣中自然晾干備用。以預(yù)處理后的鈦片為陽極，鉑片為陰極，電解液采用乙二醇-水-氟化銨體系（97 mL乙二醇、3 mL去離子水和0.446 g 氟化銨），兩極相距2 cm。直流穩(wěn)壓電源設(shè)為60 V，氧化時間40 min，氧化溫度為室溫。氧化結(jié)束后將鈦片取出，用去離子水超聲5 min，以去除表面生成的雜質(zhì)氧化物，80 ℃烘干后將其在空氣中預(yù)燒，以3 ℃/min的速率升至600 ℃，保溫2 h，得到TiO2納米管陣列。

1.2.2 還原氮化法制備氮化鈦納米管陣列將TiO2納米管陣列置于管式爐中進(jìn)行氨氣還原氮化。先以5 ℃/min的速率升溫，并以80 mL/min 的速率向管式爐中通入N2至溫度為300 ℃，再以400 mL/min 的速率通入NH3至500 ℃，隨后將NH3流速調(diào)至800 mL/min 至溫度升至600 ℃，接著以1 ℃/min 升溫至800 ℃，保溫0.5 h，即制得TiN納米管陣列。

1.2.3 電化學(xué)沉積制備TiN-Ag 復(fù)合基底稱取0.033 8 g硝酸銀于燒杯中，加入40 mL去離子水使其完全溶解，再加入0.022 72 g檸檬酸三鈉，得到沉積液。以TiN納米管陣列基底為工作電極，鉑片為對電極（兩電極相距2 cm），采用恒電位模式沉積，電壓為2 V。沉積時間5 min 時取出，在空氣中自然晾干，即可制得TiN-Ag復(fù)合基底。

1.2.4 MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底制備首先將2 mmol 硝酸鈷（0.582 g）溶于10 mL 甲醇制備出溶液A；再將16 mmol 2-甲基咪唑（1.313 6 g） 溶于10 mL 甲醇得到溶液B。將B 溶液迅速加入A 溶液中，劇烈攪拌，制得MOF 溶液，將上述TiN-Ag 復(fù)合基底浸入其中，反應(yīng)0.5 h，用甲醇清洗3 次制得MOF@TiNAg復(fù)合基底。為進(jìn)行對比，將TiN-Ag復(fù)合基底換成石英基片，重復(fù)上述操作得到MOF@石英基片。

1.2.5 MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底制備將藥物與銀溶膠以1∶1 體積混合后滴加在MOF@TiNAg 復(fù)合基底表面，即可制得MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底。其中，檸檬酸還原制備銀溶膠的過程［12］如下：稱取硝酸銀0.018 g 溶于100 mL 去離子水中，水浴加熱至沸騰，逐滴滴加2 mL 質(zhì)量濃度為0.1 g/mL的檸檬酸三鈉溶液，100 ℃反應(yīng)1 h，8 000 r/min離心10 min，去除上清液，即得納米銀溶膠。

1.3 SERS信號檢測

將茶堿溶于甲醇中配成0.5、0.1、5×10-2、1×10-2、5×10-3、1×10-3、5×10-4、1×10-4、5×10-5、1×10-5mol/L的茶堿溶液。對茶堿進(jìn)行檢測時，激發(fā)波長為780 nm，激發(fā)功率為10 mW，采集時間為10 s，物鏡為10×。

2 結(jié)果與討論

2.1 銀溶膠制備及表征

采用透射電子顯微鏡對檸檬酸鈉還原合成的銀溶膠粒子形貌進(jìn)行觀察，如圖2A所示，所合成的銀溶膠納米粒子呈類球形，其衍射環(huán)明顯，表明銀溶膠中含有金屬銀納米晶體。如圖2B、C 所示，銀溶膠納米粒子的晶格條紋間距為0.235 nm，對應(yīng)單質(zhì)銀晶體的（111）晶面。銀溶膠粒子的粒徑分布見圖2D，可見其粒徑主要集中在20～60 nm 之間。此外，銀溶膠的UV-Vis 圖譜在419 nm 波長附近出現(xiàn)了銀納米粒子的等離子體吸收峰，如圖2E所示。

圖2 銀溶膠的TEM透射電子顯微鏡圖（A～C）、粒徑分布圖（D）和UV-Vis圖譜（E）Fig.2 TEM images（A-C），particle size distribution（D） and UV-visible spectroscopy（E） of silver sol

2.2 復(fù)合基底組成與結(jié)構(gòu)表征分析

圖3 為不同基底的X 射線衍射圖?？梢?，石英基片上滴加銀溶膠樣品的XRD 圖譜（圖3a）在38.2°處出現(xiàn)單質(zhì)銀（111）晶面的特征衍射峰，證明石英基底表面存在銀納米粒子。對石英基片表面原位生長MOF 再滴加銀溶膠的基底進(jìn)行XRD 分析，發(fā)現(xiàn)其在38.2°和64.6°處有單質(zhì)銀的特征衍射峰，且衍射峰較強(qiáng)，并在12.32°、16.80°和17.90°處分別出現(xiàn)鈷基MOF（100）、（101）和（002）晶面的衍射峰，說明銀納米粒子和鈷基MOF 同時存在于石英基片上（圖3b）。圖3c 為TiN 基底上滴加銀溶膠樣品的XRD 圖譜，可知在2θ為36.9°、42.9°和62.5°處分別出現(xiàn)了NaCl 型面心立方結(jié)構(gòu)TiN 晶體（111）、（200）和（220）晶面的特征衍射峰，2θ為38.2°處對應(yīng)單質(zhì)銀的（111）晶面，此外，還有少量金屬鈦的特征衍射峰。在MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底的XRD 圖譜（圖3d）中，除了TiN 晶體（111）、（200）和（220）晶面和單質(zhì)銀（111）晶面的特征衍射峰以外，在2θ為12.32°、16.80°和17.90°處出現(xiàn)了對應(yīng)于鈷基MOF（100）、（101）和（002）晶面的特征衍射峰，說明樣品中存在TiN 晶體、單質(zhì)銀和鈷基MOF 3 種物相，表明銀納米粒子和鈷基MOF同時存在于TiN納米管陣列上。由圖3e可知，在MOF@TiN-Ag復(fù)合基底上滴加銀溶膠后，該樣品的XRD 圖譜中存在TiN 晶體、單質(zhì)銀和鈷基MOF的特征衍射峰，且銀單質(zhì)的衍射峰強(qiáng)度相對較高，說明該復(fù)合基底中存在TiN 晶體、單質(zhì)銀和鈷基MOF 3 種物相，且基底上金屬銀的相對含量較多。

圖3 不同基底的XRD圖譜Fig.3 XRD spectra of different substrates

圖4A為銀溶膠滴加在石英基片上的掃描電鏡圖，可以清晰地觀察到銀納米粒子呈球狀聚集，粒徑約為500 nm，部分粒子產(chǎn)生團(tuán)簇現(xiàn)象，分布不均勻。在石英基片上生長MOF后再滴加銀溶膠，石英基片表面的MOF粒子形態(tài)規(guī)整、排列緊密且表面吸附了較多的銀納米粒子（圖4B）。在TiN 納米陣列基底表面滴加銀溶膠后，可以觀察到大量較為規(guī)整的TiN 納米管陣列，同時有銀納米粒子分布在其表面（圖4C）。圖4D 為MOF@TiN-Ag 基底的掃描電鏡圖，其中TiN 納米管陣列排列整齊，單質(zhì)銀呈樹枝狀分布在TiN 納米管陣列表面，MOF 粒子呈團(tuán)簇狀分散在復(fù)合基底表面。在MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底上滴加銀溶膠后，團(tuán)聚的MOF 粒子表面吸附了大量的銀納米粒子，銀納米粒子沿其表面輪廓分布，并覆蓋在TiN納米管陣列表面（圖4E）。對該樣品進(jìn)行能譜掃描，結(jié)果如圖4F所示，復(fù)合基底表面分布有Ti、N、Ag、Co、C、O元素，其中Co元素來源于MOF中的鈷，TiN中含有Ti、N，MOF中的咪唑環(huán)也含有一部分N、C、O元素。以上進(jìn)一步印證了XRD 的檢測結(jié)果，證明復(fù)合基底中存在TiN、單質(zhì)銀和MOF納米粒子。

圖4 銀溶膠（A），MOF@銀溶膠基底（B），TiN/銀溶膠基底（C），MOF@TiN-Ag基底（D）和 MOF@TiN-Ag/銀溶膠基底（E）的SEM圖以及 MOF@TiN-Ag/銀溶膠基底的能譜圖（EDS）（F）Fig.4 SEM images of Ag sol（A），MOF@ Ag sol substrate（B），TiN/Ag sol substrate（C），MOF@TiN-Ag substrate（D），MOF@TiN-Ag/Ag sol substrate（E） and EDS spectrum of MOF@TiN-Ag/Ag sol substrate（F）

2.3 理論計算

利用Gaussian 軟件，并通過密度泛函理論（DFT）優(yōu)化計算茶堿的理論拉曼圖譜。圖5A 為高斯軟件優(yōu)化后的茶堿分子結(jié)構(gòu)圖，圖5B為茶堿理論計算拉曼圖譜，通過查閱文獻(xiàn)和DFT計算得到的茶堿拉曼具體峰歸屬見表1。茶堿在497、562、681、799、977 cm-1處的理論拉曼位移來自茶堿嘧啶和咪唑環(huán)的伸縮振動；1 164 cm-1處為C—N 的伸縮振動、CH3和CH 的彎曲振動，1 262 cm-1處為C—N 的對稱伸縮振動和C=C 的伸縮振動，1 363 cm-1處對應(yīng)CH3的彎曲振動，1 600 cm-1處為C=C 和C—N 的拉伸振動，1 645 cm-1處為C=O 的拉伸振動［19-21］。其中，文獻(xiàn)中的部分拉曼位移與DFT 理論計算結(jié)果有一定差別，例如，445、518、940、1 076、1 309、1 439、1 526 cm-1等。圖5C 為茶堿粉體的拉曼圖譜，由圖可知，茶堿粉體自身的拉曼響應(yīng)較弱，僅在799、1 028、1 590 cm-1處出現(xiàn)特征拉曼峰。

表1 茶堿主要譜帶的理論拉曼位移和振動歸屬Table 1 Theoretical Raman shifts and vibrational assignments of theophylline major bands

圖5 DFT優(yōu)化的茶堿結(jié)構(gòu)（A）、茶堿的DFT計算拉曼圖譜（B）及茶堿粉體的拉曼圖譜（C）Fig.5 DFT optimized theophylline structure（A），DFT calculated Raman spectrum of theophylline（B） and Raman spectrum of theophylline powder（C）

2.4 復(fù)合基底對茶堿的SERS檢測

由于茶堿本身的拉曼響應(yīng)較差，故將茶堿配制成0.5 mol/L，與銀溶膠以1∶1體積混合后分別滴加在石英基片、生長了MOF 的石英基片、TiN 基底、MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底上進(jìn)行拉曼檢測，為進(jìn)行對比，將未與銀溶膠混合的茶堿單獨滴加在MOF@TiN-Ag復(fù)合基底上進(jìn)行SERS檢測。茶堿在上述5種基底上的SERS圖譜見圖6A，拉曼信號強(qiáng)度的柱狀圖如圖6B所示。

圖6 茶堿溶液在不同基底上的SERS圖譜（A）及其拉曼檢測強(qiáng)度柱狀圖（B）Fig.6 SERS spectra of theophylline solution on different substrates（A） and their Raman detection intensity（B）

由圖可知，相比較于僅滴加銀溶膠的石英基片，在基片上生長MOF后再滴加銀溶膠可提高茶堿的拉曼響應(yīng)，這是因為，MOF較強(qiáng)的吸附能力可將銀納米粒子聚集在石英基片表面，形成更多SERS“熱點”，因此在基底表面生長MOF 有助于銀溶膠的捕獲和分散。TiN/銀溶膠復(fù)合基底對茶堿溶液的SERS響應(yīng)程度明顯高于銀溶膠，這得益于TiN 與金屬銀結(jié)合后的電磁場耦合增加了“熱點”的數(shù)量，同時兩者間的電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)也使得基底的拉曼檢測性能增強(qiáng)［22］。而MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底對茶堿具有更強(qiáng)的SERS 性能。在此基礎(chǔ)上，采用銀溶膠與茶堿（體積比1∶1）復(fù)合滴加的方式，將銀溶膠與茶堿的混合物滴加在MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底表面，發(fā)現(xiàn)相比于前4 種基底，MOF@TiN-Ag/銀溶膠基底對茶堿具有最強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼響應(yīng)，位于544、1 265、1 548 cm-1處特征峰的響應(yīng)最高，且無明顯熒光背底干擾。推測其原因可能是MOF 的多孔結(jié)構(gòu)吸附能力強(qiáng)，可將銀粒子較為均勻地吸附聚集在TiN-Ag 基底表面，吸附的銀粒子與TiN-Ag基底之間更容易發(fā)生協(xié)同耦合效應(yīng)，增加“熱點”數(shù)量，從而使基底的SERS性能提升［23-24］。因此，相比于文獻(xiàn)［19-20］采用100 mV 甚至更高功率的激光器，本文使用10 mV 的激光器，將藥物溶液與銀溶膠以1∶1體積比混合滴加在MOF@TiN-Ag復(fù)合基底上，利用復(fù)合基底的協(xié)同耦合效應(yīng)，即可獲得較為優(yōu)異的SERS性能。

將茶堿配成0.5、0.1、5×10-2、1×10-2、5×10-3、1×10-3、5×10-4、1×10-4、5×10-5、1×10-5mol/L 的溶液，分別與銀溶膠按1∶1體積比混合后滴加在MOF@TiN-Ag復(fù)合基底上進(jìn)行拉曼測試。結(jié)果顯示，隨著茶堿溶液濃度的降低，基底上茶堿的信號強(qiáng)度逐漸降低。當(dāng)茶堿濃度為1×10-5mol/L時，拉曼信號峰仍尖銳、清晰可見（圖7A），此時544 cm-1處峰的拉曼強(qiáng)度為432 cps，表明以MOF@TiN-Ag/銀溶膠為基底，茶堿的檢出限可達(dá)1×10-5mol/L。不同濃度的茶堿溶液在544 cm-1處的拉曼信號強(qiáng)度如圖7B 所示。以茶堿的濃度對數(shù)（X）與不同濃度下其在544 cm-1處的拉曼峰強(qiáng)度對數(shù)（Y）進(jìn)行線性回歸，得到線性方程Y=3.114+0.098X，r2=0.956 4。以544 cm-1處的SERS 強(qiáng)度對MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底進(jìn)行增強(qiáng)因子（EF）計算，計算公式［25］為EF =(ISERS/cSERS)/(Iref/cref)。其中，ISERS和cSERS分別表示茶堿溶液吸附在MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底上的SERS信號強(qiáng)度和濃度，Iref和cref分別表示茶堿溶液非SERS檢測的拉曼散射強(qiáng)度與濃度。當(dāng)cSERS為1×10-5mol/L，cref為0.5 mol/L 時，MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底的EF 為1.08×106。

圖7 不同濃度茶堿吸附在MOF@TiN-Ag/銀溶膠基底上的SERS圖（A）與不同濃度茶堿在544 cm-1處的拉曼強(qiáng)度（B）Fig.7 SERS spectra of different concentrations of theophylline adsorbed on MOF@TiN-Ag/Ag sol substrate（A） and Raman strength of different concentrations of theophylline at 544 cm-1（B）

2.5 MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底檢測茶堿的SERS效應(yīng)機(jī)理

由Gaussian 軟件計算得到茶堿的最高占據(jù)分子軌道（HOMO）能級為-6.28 eV，最低未占分子軌道（LUMO）能級為-1.19 eV。文獻(xiàn)顯示［26］，TiN 的禁帶寬度為2.73 eV，其VB 能量值為-7.17 eV，ECB為-4.44 eV。功函數(shù)為真空能級與費米能級之差［27］，TiN 的功函數(shù)為4.67 eV，Ag 納米粒子的功函數(shù)為4.10 eV，TiN 與Ag 復(fù)合后的功函數(shù)為4.54 eV［28］。如圖8 所示，TiN 與Ag 之間容易進(jìn)行電荷轉(zhuǎn)移至二者的軌道能級差相同。在TiN-Ag 界面產(chǎn)生的電荷累積，使得茶堿與該復(fù)合基底之間存在電荷轉(zhuǎn)移機(jī)制，在780 nm 波長（1.63 eV）激光激發(fā)下，茶堿分子HOMO 軌道中的電子會向LUMO 軌道方向移動，產(chǎn)生的共振可有效增大體系極化率，使茶堿的拉曼信號增強(qiáng)，這也解釋了單獨使用銀溶膠對茶堿進(jìn)行SERS檢測結(jié)果不理想的原因。

圖8 TiN-Ag/銀溶膠基底與茶堿的能級結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of energy level structure of TiN-Ag/Ag sol and theophylline

基底電磁場的增強(qiáng)因子大致與局域電場增強(qiáng)的四次方成正比，電磁強(qiáng)度是探測區(qū)域內(nèi)熱點獲得的拉曼信號的總量，即取決于“熱點”的數(shù)量和局域電磁場的強(qiáng)度［29-33］。為了更好地理解MOF@TiN-Ag/銀溶膠對茶堿分子SERS的影響，利用時域有限分差法（FDTD）對基底進(jìn)行電場強(qiáng)度模擬，探究TiN-Ag與TiN-Ag/銀溶膠兩種復(fù)合基底的電場分布情況，如圖9 所示?？梢钥闯?，與單純的TiN-Ag 復(fù)合基底局域電場相比，TiN-Ag/銀溶膠基底局域電場強(qiáng)度相對較強(qiáng)，這是由于在MOF 的富集作用下，引入的銀溶膠被富集形成聚集的Ag納米粒子，其納米間隙具有較強(qiáng)的局域電場；同時，銀溶膠與TiN 基底也可形成耦合效應(yīng)，使得TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底 “熱點”的數(shù)量和大小均增多，局域表面等離子體共振引起的電場增強(qiáng)，從而賦予該基底更好的SERS 性能，這揭示了相比于其他4 類SERS 基底，采用MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底可以獲得藥物茶堿分子較強(qiáng)拉曼響應(yīng)的物理機(jī)制［34］。

圖9 不同基底的2D-FDTD模擬圖Fig.9 2D-FDTD simulation of different substrates

2.6 實際樣品測定

在空白的中成藥枇杷露中添加茶堿，將0.5 mL 枇杷露與0.5 mL 銀膠溶液混合均勻后，滴加至MOF@TiN-Ag 復(fù)合基底上進(jìn)行SERS 檢測。如圖10 所示，在位移為752 cm-1及1 151 cm-1處出現(xiàn)了歸屬于枇杷露的特征峰。將20、40、80 mg/mL 的茶堿添加到枇杷露中，滴加至MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底上，茶堿在544 cm-1處的特征峰可以被清楚指認(rèn)，表明利用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)可以對藥物的摻偽進(jìn)行快速檢測。

3 結(jié) 論

本文采用電化學(xué)陽極氧化法結(jié)合氨氣還原氮化法制備出TiN 納米管陣列，隨后通過電化學(xué)沉積法制備出性能優(yōu)異的TiN-Ag 復(fù)合基底，進(jìn)一步在其表面生長MOF 納米粒子并滴加銀溶膠制得MOF@Ag-TiN/銀溶膠復(fù)合基底。該復(fù)合基底中，TiN、Ag 和MOF 3 種物相共存，單質(zhì)銀呈樹枝狀均勻分布在TiN 納米管陣列表面，且MOF納米粒子也形成分子層覆蓋在TiN-Ag 復(fù)合基底表面，同時MOF 的強(qiáng)吸附能力將銀膠粒子聚集在TiN-Ag 基底表面形成更多“熱點”，而TiN-銀-茶堿之間的電荷轉(zhuǎn)移，增強(qiáng)了基底的SERS 性能。利用MOF@TiN-Ag/銀溶膠復(fù)合基底對茶堿進(jìn)行拉曼檢測，檢出限為1×10-5mol/L。該方法在一定程度上拓寬了SERS技術(shù)在藥物檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。