金翔鷹，孫澤飛，王 松，郭鵬然，雷永乾*

(1.廣東省科學院 廣東省測試分析研究所(中國廣州分析測試中心) 廣東省化學危害應急檢測技術重點實驗室 廣東省水環(huán)境污染在線監(jiān)測工程技術研究中心，廣東 廣州 510070;2.沈陽工業(yè)大學 理學院，遼寧 沈陽 110870)

毒死蜱是一種高效、應用廣泛的有機磷農藥，可抑制害蟲體內乙酰膽堿酯酶的活性[1]，對廣泛植食性昆蟲如稻縱卷葉螟、飛虱和菜青蟲均有很好的毒殺效果[2]。毒死蜱作為谷物、蔬菜、水果以及糖料作物等農產品生產中的殺蟲劑已被廣泛使用。雖然毒死蜱等高效農藥的使用顯著增加了農作物的產量，但因過量使用導致的環(huán)境殘留對生態(tài)環(huán)境造成了一定的危害，并對人類健康構成威脅[3]。開發(fā)此類農藥的快速檢測技術及方法是控制環(huán)境中農藥殘留的有效手段。目前農藥殘留的檢測方法，如高效液相色譜法[4]、液相色譜-質譜法[5]、氣相色譜法和氣相色譜-串聯質譜法[6]，均具有較高的檢測靈敏度及穩(wěn)定性。然而上述方法存在樣品前處理復雜，檢測耗時長，儀器設備成本高并且需要專業(yè)操作等問題，極大地限制了其在農殘快速檢測方面的應用[7]。為了嚴格防控農殘污染，有效降低農藥殘留對生態(tài)環(huán)境及人體健康的潛在危害，迫切需要開發(fā)針對環(huán)境中農藥殘留的快速識別、篩查和檢測技術[8]。

光譜技術作為一種快速、高效的檢測手段被廣泛應用于污染物的快速鑒定與篩查，其中表面增強拉曼光譜(SERS)作為光譜檢測技術之一，具有靈敏度高、水分干擾少等特點，在農殘快速檢測方面具有顯著優(yōu)勢[9-11]。目前表面增強拉曼光譜已被應用于農藥殘留、抗生素等有機污染物及重金屬污染物的快速檢測[12-15]中。在表面增強拉曼光譜的研究中，低成本、高性能增強基底的制備一直是研究的熱點[16-17]。其中，濾紙表面增強拉曼檢測基底由于制備成本低、檢測方式靈活，近年來備受關注[18]。與硅或金屬膜基底相比，濾紙材料來源廣泛，成本低廉，且可以剪切、卷曲和折疊[19-21]，其表面具有的多孔結構利于拉曼活性納米顆粒均勻分布，形成較多的表面增強檢測熱點[22]。將基于濾紙基底的表面增強拉曼檢測技術用于廢水中農藥殘留的檢測，為拉曼光譜在實際檢測中的應用提供了新思路。

本文基于濾紙表面拉曼增強基底的上述特性，開發(fā)了負載銀納米粒子和氧化鋅納米粒子的復合檢測基底材料，并將其用于地表水中毒死蜱的檢測研究，基底材料具有的光催化功能及表面增強拉曼光譜檢測活性實現了檢測基底的循環(huán)利用?？疾炝硕舅莉缭谏鲜鰪秃匣籽h(huán)檢測過程中的降解動力學、檢出限、穩(wěn)定性及重復性。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

AgNO3、鹽酸羥胺和NaOH均購自上海麥克林生物化學有限公司；無水乙醇購自廣州化學試劑廠；KOH、Zn(CH3COO)2購自阿拉丁試劑(上海)有限公司；毒死蜱農藥產品購自北京燕化永樂生物技術有限公司；濾紙購自杭州沃華濾紙有限公司。毒死蜱標準品購自Ehrenstorferm GmbH公司。實驗中所用化學試劑均為分析純。整個實驗過程中配制溶液所用水均為高純去離子水。

采用便攜式拉曼光譜儀(BWS465-785H，BWTEK，785 nm laser)進行樣品檢測。材料表面微觀結構采用掃描電鏡(Hitachi S3700)進行表征。

1.2 ZnO納米粒子的制備

ZnO納米粒子的制備參考文獻方法[23]。首先將0.97 g醋酸鋅和0.48 g氫氧化鉀分別溶解在42 mL和23 mL乙醇中，隨后將醋酸鋅溶液在攪拌下加熱至60 ℃，30 min后滴加氫氧化鉀溶液。持續(xù)攪拌10 min至溶液由澄清變成乳濁狀。最后將所得乳濁液經多次離心及去離子水洗滌，得到ZnO納米粒子。

1.3 銀納米粒子(AgNPs)的制備

AgNPs采用已有方法[24]制備。將10.4 mg鹽酸羥胺和12 mg NaOH溶解在90 mL高純水中，然后在持續(xù)攪拌下滴加90 mL AgNO3溶液，攪拌10 min后獲得AgNPs懸濁液。將制備的AgNPs進行多次洗滌純化，并用去離子水洗滌，分散，待用。

1.4 濾紙基底的制備與表征

將濾紙剪成1 cm×1 cm大小的濾紙片，并浸入ZnO納米粒子分散液中，5 min后取出于80 ℃烘箱干燥，然后將干燥的濾紙浸入AgNPs分散液中浸泡，5 min后取出，待真空干燥后對制備的基底進行掃描電鏡分析。

1.5 濾紙基底對毒死蜱的拉曼光譜檢測

配制不同濃度的毒死蜱標準溶液，將20 μL溶液滴加在濾紙檢測基底上進行表面增強拉曼檢測。每次檢測后，用紫外光(254 nm)對檢測基底進行照射，并定時檢測。待檢測特征峰消失，目標物降解去除后，重復滴加樣品，保持滴加量和濃度不變考察檢測基底的重復性。在紫外降解過程中，利用表面增強拉曼檢測特征峰強度變化考察毒死蜱的降解過程。

2 結果與討論

2.1 紙質基底的表征及用于毒死蜱的檢測

通過掃描電鏡對制備的紙質SERS檢測基底微觀結構進行了表征。圖1A和1B分別為空白濾紙和濾紙檢測基底的微觀結構，從圖1A可以看出，空白濾紙表現為不規(guī)則的纖維交織并呈現出三維網狀結構，而在負載AgNPs及ZnO納米粒子的微觀結構(圖1B)上，其微觀孔結構被大量粒子填充覆蓋，且負載的粒子分布均勻。圖1C顯示毒死蜱在此基底上表現出強的拉曼信號，與空白濾紙上檢測的毒死蜱拉曼信號相比，復合基底上的拉曼信號得到明顯增強。用EDX能譜(圖1D)對其表面元素組成的進一步表征顯示，ZnO和AgNPs有效負載在濾紙表面。上述表征結果表明，濾紙基底能夠有效負載ZnO和AgNPs并作為拉曼檢測基底實現毒死蜱的檢測。

圖1 空白(A)及負載AgNPs與ZnO納米粒子基底(B)濾紙的掃描電鏡圖與毒死蜱(500 μg/L)在復合檢測基底上的拉曼光譜圖(C)和復合檢測基底的EDX譜圖(D)Fig.1 SEM images of a blank filter paper(A) and filter paper with AgNPs and ZnO loaded(B),and Raman spectrum of chlorpyrifos(500 μg/L) sample on the SERS substrate(C) and the EDX pattern of the SERS substrate(D)

2.2 紙質基底檢測的可靠性

為評估制備的復合檢測基底的可靠性，對單一濾紙不同位置的檢測結果及不同濾紙片之間的檢測結果進行了對比。圖2A為單片增強濾紙基底上6個隨機檢測點的拉曼光譜圖，圖2B為6片不同增強濾紙基底上拉曼檢測特征峰341 cm-1處的強度對比。從結果可以看出本方法所制備的濾紙增強基底材料具有很好的檢測一致性，不同檢測基底間毒死蜱的特征拉曼峰檢測強度(峰面積)偏差小于5%。此結果表明本方法制備的濾紙拉曼增強檢測基底的活性位點具有很好的分布均勻性，可保證后續(xù)樣品檢測結果的可靠性。

圖2 單片增強濾紙基底上6個隨機檢測點的拉曼光譜圖(A)和 6片不同增強濾紙基底上拉曼檢測特征峰341 cm-1處的強度對比(B)Fig.2 Raman spectra of 6 random detection points on one paper(A) and the intensity of the character peak at 341 cm-1 for 6 different pieces of SRES substrate(B)20 μL 500 μg/L chlorpyrifos sample in each experiment

圖3 5次重復實驗中毒死蜱(500 μg/L)341 cm-1處拉曼特征峰的強度變化Fig.3 Intensity changes of character peak at 341 cm-1 for chlorpyrifos(500 μg/L) in 5 repeatable experiments

2.3 紙質基底對毒死蜱的檢測性能

為進一步考察濾紙基底對毒死蜱農藥的檢測性能，配制不同濃度毒死蜱的標準溶液進行線性范圍和檢出限考察。以毒死蜱的質量濃度(x，μg/L)為橫坐標，其在濾紙增強檢測基底上于341 cm-1處的峰強度(峰面積)(y)為縱坐標，擬合得到線性回歸方程y=129.82x+11 604，相關系數(r2)為0.990 6，線性范圍為50～500 μg/L。以3倍信噪比(3S/N)計算得到毒死蜱的檢出限為48.53 μg/L。其檢出限可滿足地下水質量標準(GB/T 14848-2017)對農業(yè)用水中毒死蜱的限值(60 μg/L)以及食品中農藥殘留限制標準(GB/T 2763-2019)對水果蔬菜中毒死蜱最大殘留限值(水果蔬菜分別為0.3和0.05 mg/L)[28-29]的要求。從檢測性能看，復合濾紙檢測基底在農業(yè)水環(huán)境及相關農產品中毒死蜱農藥殘留的快速檢測方面具有良好的應用前景。

2.4 紙質基底循環(huán)檢測重復性

在采用制備的基底對毒死蜱的檢測過程中，除了基底檢測活性點的均勻性外，檢測的穩(wěn)定性同樣重要。本實驗中基底的穩(wěn)定性通過光催化降解目標物及重復性檢測目標物進行考察。以500 μg/L毒死蜱產品作為檢測目標物，在樣品檢測完成后進行紫外燈(254 nm)照射，經紫外線照射10 min后，毒死蜱的拉曼檢測峰強度顯著下降。以341 cm-1處的特征峰為例，如圖3所示，在5次重復檢測實驗中，其特征峰強度在每次光照后均降至10%以下，而在重復滴樣后檢測強度并未發(fā)生明顯衰減。此實驗結果表明在毒死蜱的檢測過程中，復合濾紙檢測基底的結構和檢測活性具有很好的穩(wěn)定性。紫外照射條件下ZnO納米粒子降解毒死蜱分子的過程中并未影響AgNPs的拉曼增強活性。

2.5 紫外光照下的降解動力學

在復合檢測基底對毒死蜱的檢測過程中，由于ZnO在紫外光照下的高催化活性，使得目標物可在短時間內快速降解從而達到基底重復檢測的目的。通過對其降解動力學的研究可以了解光催化條件下目標物的降解過程及最佳降解時間，進而優(yōu)化檢測條件。本實驗通過在相同光照時間間隔定時檢測毒死蜱的拉曼增強信號來考察其降解的動力學過程。以500 μg/L的毒死蜱作為檢測目標物，在制得的濾紙基底上進行毒死蜱的表面增強拉曼檢測，在檢測完成及紫外光照2 min后進行再次檢測。6次間隔檢測的拉曼光譜圖如圖4A所示，毒死蜱的拉曼檢測峰強度隨紫外光照時間的增加而逐漸降低，且所有特征峰隨光照時間的變化保持了一致的趨勢。為進一步研究其降解過程，選擇強度較高的341 cm-1和634 cm-1兩處特征峰作為研究對象，其信號強度(峰面積)相對光照時間的變化如圖4B所示。結果表明，在紫外光照射下，目標農藥可以在10 min內有效降解。由于在低濃度下拉曼光譜的特征峰強度(峰面積)與其濃度呈正相關性，可以近似用拉曼特征峰強度的變化來考察其降解動力學過程。根據降解動力學方程擬合結果，毒死蜱在紫外燈下的降解符合零級反應過程，即其濃度變化與時間的關系可表述為：C=C0-kt，其中C為目標物濃度，C0為目標物起始濃度，k為反應速率常數，t為時間。由圖4B的降解動力學曲線計算得到341 cm-1與634 cm-1處兩個特征峰的動力學常數k分別為0.092 4和0.086 7，對應的相關系數r2分別為0.969和0.974。

圖4 不同光照時間下濾紙增強基底檢測的毒死蜱拉曼光譜圖(A)及拉曼檢測信號強度隨光照時間變化曲線(B)Fig.4 Raman spectra of chlorpyrifos in prepared paper substrate under different light time(A) and the relationship between the intensities of the Raman detection and the time of illumination(B)

表1 地表水加標實驗的回收率與RSDs(n=3)Table 1 Recoveries and RSDs in surface water with different spike levels(n=3)

2.6 實際水樣中毒死蜱農藥的檢測

為評估復合濾紙基底對實際水樣的檢測能力，以地表水作為樣品進行加標回收實驗。分別取一定量地表水樣品進行100、250、 500 μg/L 3個水平的加標回收實驗，在實驗同時測定空白地表水。表1為地表水加標3次的回收率和相對標準偏差(RSD)測定結果。從結果可以看出，復合濾紙基底對農藥毒死蜱的檢測回收率為111%～139%，RSD≤12%。以上數據說明濾紙表面增強拉曼基底可用于實際水樣中毒死蜱農藥的檢測。

3 結 論

本文報道了一種濾紙負載AgNPs和ZnO納米粒子的復合表面拉曼增強基底材料，并將其用于環(huán)境水中毒死蜱農藥的殘留檢測，基于ZnO納米粒子在紫外光照射下強的光催化作用，制備的復合基底材料在實現農藥殘留循環(huán)檢測的同時仍能保持高的拉曼檢測活性。農藥目標物在復合檢測基底上的降解動力學符合零級反應過程。該復合基底材料制備方法簡單，檢測位點分布均勻，可規(guī)模化制備。基于該復合基底的檢測方法具有操作簡單、檢測成本低等優(yōu)點，在農殘快速檢測方面具有巨大的應用潛力。